(一) 潔淨室空調設備節能最佳化技術

1.將備用外氣空調箱(MAU)啟用並聯運轉,在風量不變條件下降低轉速

風車動力為轉速成3次方正比,頻率與轉速成正比,利用變速設備運轉來控制轉速,可以正比例應付負載的變化,使系統穩定運轉以減少耗電量。但實際情況下尚須考慮馬達及變頻器效率,考慮降頻後線對空氣效率損失約增加5~6%。一般而言,若將備用外氣空調箱(MAU)啟用並聯運轉,再加上風車使用變頻器,約可節省40%的風車用電(圖1)。

圖1 外氣空調箱(MAU)並聯運轉以降低轉速可節省風車電能

案例說明:

改善前狀況 (1)原有外氣空調箱(MAU)18台,每台功率75kW,以50Hz運轉。
改善措施 (1)將備用機組11台並聯加入運轉並調降轉速至34Hz。
(2)外掛變頻器耗電約增加6%。
節能效益 (1)抑低電力容量: 11×{1- [(34/50)3×1.06]}×75kW = 550.3 kW。
(2)節省電能: 550.3kW ×8,600小時/年=4,732,580度/年
(3)減少電費: 4,732,580度/年×2.5元/度=11,831,450元/年
(4)抑低CO2排放: 4,732,580度×0.612kg/度/1,000 ton/kg =2,896.3 ton

2.善用旁通空調箱設計與化學除濕

旁通空調箱係利用無塵室內回風與外氣混合經除濕盤管後產生較乾燥低溫冷風送入無塵室內,節省能源。又因為其較為乾燥,不會造成出風口結露情形。而透過旁通空調箱設計進行化學除濕 可節省大量除濕能源,減少冰水機負荷如標示處(如圖2),經外氣空調箱處理後之空氣,吸收除濕輪的顯熱後,濕度及溫度稍微提高,再送入潔淨室室內使用。總言之,運用旁通空調箱可避免室內溫度過低,又可降低相對濕度,節省大量能源。化學除濕可以減少外氣空調箱熱水、冰水用量,非常適合台灣氣候型態使用。

圖2 化學除濕輪將回風顯熱轉換成潛熱

資料來源:工研院綠能所『2014電子業節能技術研討會(2014.06)』,陳良銅

3.降低外氣空調箱(MAU)的出風溫度

一般外氣空調箱因為潔淨室溫溼度要求,大都備有加熱盤管,外氣經除濕盤管後,經過再熱後送至潔淨室。在除濕風量遠大於冷卻風量之條件下,可關閉熱水盤管,節省能源。

4.降低冷卻水供水溫度,提高冰水機效率

冷卻水塔風車控制方式係以冷卻水出水溫度為控制參數,常見用以外氣溼球溫度+3℃為參數,控制冷卻水塔,以節省能源。然而,於非夏月期間,可再調降冷卻水的溫度至冰水機可以接受的最低溫度,進一步節省電能,每降1℃冷卻水供水溫度,約可節省冰水機電能1.5%。詳如圖3 冰水機的效率與冷卻水進水溫的關係。

圖3 冷卻水與冰水主機性能之關係

案例說明: 降低冷卻水供水溫度,提高冰水機效率

改善前狀況 (1)現有冷卻水塔風車控制方式係以冷卻水出水溫度為控制參數,主機於非夏季時間,效能無法有效提升。
(2)貴廠5 ℃空調系統冰水機總容量1,280RT,非夏月期間平均效能值0.6kW/RT。
改善措施 (1)依據離心式冰水機廠商之冷凝器最低允許冷卻水溫,調低非夏季冷卻水供水溫度至22℃。
(2)修改程式,以外氣溼球溫度+3℃為參數,控制冷卻水溫度,降低3℃冷卻水供水溫度,至少可節省冰水主機用電4.5%。
節能效益 (1)0.60kW/RT×1,280RT×4.5%=34.5kW。
(2)節省電能:34.5kW×6,000小時/年=207,000度/年
(3)減少電費: 207,000度/年×2.4元/度=496,800元/年
(4)抑低CO2排放: 207,000度×0.612kg/度/1000ton/kg=126.7 ton

5.改善潔淨室加熱加濕空調系統(HVAC)

美國Lawrence Berkeley實驗室針對半導體廠潔淨室能耗改善進行分析評估,研究發現透過潔淨室加熱加濕空調系統(HVAC)的建議改善措施(整理如表1),節能潛力高達30~80%。亦即,經設備改善後,HVAC系統每年耗電量可從10,764.3度電/ m2,降至3,616.8度電/ m2,改善幅度達66.4%。

表1、潔淨室加熱加濕空調系統(HVAC)改善措施
可實施改善方案
HVAC空氣側設計 .獨立的空氣循環單元改為循環空調箱系統(recirculation AHUs)與外氣空調箱系統(make-up AHUs)
.空氣流速由21.3 m/min降低至19.8 m/min
.排氣量由1.22 m3/ m2提升至1.37 m3/ m2
.降低MAU濾網與盤管總壓損:將原本MAU靜壓設定由1,495Pa改為996Pa,而RCU或AHU則由996Pa改為500Pa
.外氣補充量(make-up air)由4,814 m3降低至1,274 m3
.循環空氣量則由19,820 m3降低至18,400 m3
.風扇效率由65%提高至85%
.風扇馬達效率由85%提高至94%
HVAC水側設計 .減少離心式冰水主機耗電由0.65 kW/RT降低至0.5 kW/RT .冰水溫度由5.8℃提高至5.5℃ .將冷卻水塔之雙速控制改為變速驅動控制,可提升0.013 bhp/ RT效率 .加裝水側節水控制 .將一般燃氣熱水鍋爐改用模組化之脈衝燃氣熱水鍋爐,鍋爐效率達95% .泵浦改用變頻驅動控制

註:以潔淨室面積929m2,24小時運轉的環境條件下進行HVAC改善測試

資料來源:Busch, J., Cleanroom of the future: An assessment of HVAC energy saving potential in a semiconductor industry facility,Lawrence Berkeley National Laboratory

(二) 空壓設備節能最佳化技術

1.美國能源部提出壓縮空氣系統可採行的節能改善技術/方案

美國能源部針對該國國內企業實施壓縮空氣系統節能改善進行調查,其統計結果如表2所示,一般最受業者忽視的「減少壓縮空氣洩漏」節能改善措施,其節能潛力相當大。壓縮空氣需投入相當多的能源,但因其無色無味,促使業者對空壓系統的洩漏較不重視。一般而言,洩漏對空壓系統能源損耗影響大,約可浪費空壓電能總輸出的20~30%;一個完全不洩漏的空壓系統較難,重點是該如何使洩漏量降至最低(降至總用氣量10%以下)。

表2、壓縮空氣系統採用節能改善措施之效益
可實施的節能措施 平均節能率(%) 最大節能率 平均投資回收年限(ROI)
1 減少壓縮空氣洩漏 26.3 % 59.3 % 0.9
2 降低系統壓力 2.0 % 10.6 % 1.3
3 安裝/調整空車控制系統 10.5 % 33.5 % 0.8
4 採用多機連鎖 7.6 % 33.6 % 2.7
5 減低總運轉時數 2.6 % 15.8 % 0.1
合計 43.7 % 65 % 0.8

說明:上述數據為美國能源部調查統計資料。

資料來源:工研院「壓縮空氣系統能源查核及節約能源案例手冊」

2.以加熱吸附式乾燥機取代無熱式吸附式乾燥機,減少乾燥機再生吹淨時的能耗

由於吸附式乾燥機可提供高壓空氣極低露點-40℃甚至是-70℃以下,是電子業特有且相當重要的設備。而因吸附劑再生需要耗費較多的能源,是吸附式乾燥機的主要缺點。傳統無熱式乾燥設備進行再生時,需消耗總供氣量中15~25%具高經濟價值的壓縮空氣,因此其操作費用相當昂貴。目前較具節能效益的改良式乾燥機有:
(1)加熱式+高壓空氣吹淨再生。
(2) 加熱式+鼓風機常壓空氣吹淨再生。
(3)空壓機廢熱回收再生。

表3為工研院針對無熱式與加熱式吸附乾燥機的耗能進行廠商實測比較。一般而言,使用加熱式吸附乾燥機按壓力露點溫度的高低,約有15%(-40℃)~25%(-70℃)的節能效益。至於選用加熱式吸附乾燥機投資回收年限約2年。

表3、無熱式與加熱式吸附乾燥機的耗能比較
廠商代號 A B C D E
吸附式乾燥機型式 無熱 無熱 無熱 無熱 加熱 加熱 加熱
空壓機規格 50HP 50HP 600HP 300HP 30HP 100HP 100HP
出口壓力(bar) 7.29 7.29 7.0 6.0 8.0 7.14 7.14
壓力露點溫度(dp℃) -43 -43 -40 -40 -23.3 -42 -42
入口進氣量(cmm) 1.01 1.16 71.67 34.47 3.6 9.36 9.81
出口空氣量(cmm) 0.48 0.60 48.66 23.91 3.13 8.50 8.91
再生時壓縮空氣損失率 52.0% 48.3% 32.1% 30.6% 13.1% 9.1% 9.1%
能源浪費(kW/cmm) 4.03 4.32 3.64 3.40 2.2 6.57 6.87
加熱器能耗(kW/cmm) - - - - 0.656 0.78 0.74
總能耗(kW/cmm) 8.4 7.2 3.6 3.4 2.12 1.55 1.51

資料來源:工研院綠能所通風系統研究室提供

3.容調控制的節能效益相當有限

容調主要是在做空壓需求量的調節,轉速並未降低,因此節能效果相當有限。如圖4,即使出氣量由100%降至50%間,能耗仍需是滿載時的80%,是最耗能的方法。

圖4 容調控制的能源使用

資料來源:工研院綠能所『2014電子業節能技術研討會(2014.06)』,邱文禮

4.以變速或變頻空壓機因應變動負載、以避免較耗能的空/重車或容調運轉模式

一般空壓機在空車運轉時不會產生壓縮空氣,但仍消耗電能(耗電相當於滿載運轉時的35%~50%)。電能於壓縮轉子空轉,於低負載時特別浪費(如圖5所示),使用變頻或變速空壓機作負載調控,減少空車時的電能虛耗。

圖5、空壓系統幾種不同控制方式之耗能比較

案例說明: 以變頻控制空壓機因應變動負載需求

改善前狀況 (1)現有冷卻水塔風車控制方式係以冷卻水出水溫度為控制參數,主機於非夏季時間,效能無法有效提升。
(2)貴廠5 ℃空調系統冰水機總容量1,280RT,非夏月期間平均效能值0.6kW/RT。
改善措施 計算壓縮空氣供需量後,以一台90kW變頻控制空壓機因應變動負載需求,節省電能。
節能效益 (1)抑低電力容量;(3台×90kW/台×59%×35%)+(1台110kW/台×38%×34%)=69.9kW。
(2)減少功率:72.2kW-3.6kW=68.6kW
(3)節省電能: 69.9kW×8,600小時/年=601,716度/年
(4)減少電費: 601,716度/年×2.1元/度=1,263,604元/年
(5)抑低CO2排放: 601,716度×0.612kg/度/ 1,000 ton /kg =368.3 ton

資料來源:工研院綠能所

5.機組群裝設壓力感應器取代壓力串級控制,以節省能源

為避免空壓系統當機,通常將空壓機群做壓力串級(CASCADE)控制;亦即,以其中一台設定出口最低壓力,而其他各台依序較前述機台設定較高0.1 bar的壓力,如此就不至於造成系統全部當機的狀況。不過會因此而會多耗費額外的能源,每增加1bar的壓力設定,就增加約6%的電能。應以壓力感應器於各機台設定極窄的最低出口壓力範圍,採自動基載串聯控制的方法以節省能源(如圖6所示)。

圖6、串級壓力控制與壓力感測器控制

資料來源:工研院綠能所『2014電子業節能技術研討會(2014.06)』,邱文禮