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CR之空调设计

第7章潔淨室之空調系統設計與能源消耗分析

7.1前言

因為電子工業對於潔淨室的需求，再加上潔淨室機器所散發大量的熱量，需要處理大量的外氣，且全年24小時都再運作的情形下，其所造成的耗能是相當大的。

在此我們就以幾種不同的空調箱及其不同的搭配種類來加以討論。

7.2應用計算實例

某300mmDRAM廠潔淨室實際設計參數作為案例分析如下

諸元

外氣條件

31℃DB,RH=80%

室內條件

23℃DB,RH=45%

潔淨室面積

11,182m2

潔淨室高度

3.5m

作業人數

500

循環量

6,543,000CMH

熱排氣

498,120CMH

酸排氣

30,540CMH

鹼排氣

33,5400CMH

有機氣體排氣

59,880CMH

製程設備負載

7,367KW

本廠使用的空調系統構型為抽風式外氣空調箱（MAU）、風機過濾器（FFU）以及冷卻乾盤管（DCC）之搭配方式，其中每部外氣空調箱容量為100,000CMH共10台，靜壓為1,300Pa（ηfan=0.8）,ηmotor=0.95），冷卻盤管採高/低溫冰水盤管連續冷卻方式；FFU平均面風速0.35m/s，風量為900CMH，靜壓為100Pa（ηfan=0.3,ηmotor=0.95），配合循環量的大小共採用7270台。

圖一外氣空調箱（MAU）、風機過濾器（FFU）以及冷卻乾盤管（DCC）之搭配方式

然而為了進一步分析各種不同空調系統構型對設計的影響，本研究將以同樣的設計參數為基礎，分別引入其它不同的空調系統構型藉以交叉比對耗能的影響，茲分別說明如下

1.外氣空調箱、軸流風機組以及冷卻乾盤管方式

圖二外氣空調箱、軸流風機組以及冷卻乾盤管方式

其中，軸流風機共十台，每部風量654,300CMH，靜壓850Pa（ηfan=0.85,ηmotor=0.95）

2.外氣空調箱（MAU）及循環空調箱（RCU）方式

圖三外氣空調箱（MAU）及循環空調箱（RCU）方式

其中循環空調箱共十台，每部風量654,300CMH，靜壓1850Pa（ηfan=0.45,ηmotor=0.95）。

3.純循環空調箱（RCU）方式（即與一般空調之空調箱設計類似）

圖四純循環空調箱（RCU）方式

其中循環空調箱共十台，每部風量654,300CMH，靜壓2,000Pa（ηfan=0.85,ηmotor=0.95）。

4.外氣空調箱（MAU）及循環空調箱（RCU）方式加上局部循環風機盤管（FCU）

圖五外氣空調箱（MAU）及循環空調箱（RCU）方式加上局部循環風機盤管（FCU）

組成與外氣空調箱（MAU）及循環空調箱（RCU）方式類似，但增加局部小型冷風系統，其循環量佔總循環量之30%；小型冷風機之ηfan=0.3,ηmotor=0.85

與本研究有關之各機械公用設備規格如下

冰水主機及系統：

熱回收式，備有高低溫冰水機兩種，其中高溫冰水機出水溫度為9/14℃、性能係數（COP）=3.5，低溫冰水機出水溫度為6℃、性能係數（COP）=4。

冰水泵揚程25m（pumpefficiency=80%）

熱水泵揚程20m（pumpefficiency=80%）

冷卻乾盤管循環揚程20m（pumpefficiency=80%）

製程潔淨區之最主要的空調負荷，分為室內及室外負荷。

在本研究中，室內負荷採用熱指標法（ThermalIndex）作為計算依據。

室內及室外負荷計算依據如下：

A.室內負荷：

（a）人員（顯熱＝60kcal/h．人，潛熱＝50kcal/h．人）

（b）燈光：

28W/㎡

（c）機器負荷：

∙輸入功率X負荷係數（考慮為1.0）

∙冷卻循環水負荷＝循環水流量X水溫差（此處溫差約為3.2℃左右）

∙排氣負荷＝排氣量X排氣溫差，此處排氣溫差可分為三類：

1.酸排氣（SEX）、鹼排氣（AMX）溫差一般為0.3℃，

2.有機氣體（VOC）的排氣溫差為4.9℃，

3.機台的產生高溫機械其排氣裝置的排氣溫差為2.2℃左右。

（d）送風機的熱負荷：

輸入功率X負荷係數：

對潔淨室內負載Qi而言，由能量守恆可推得以下關係：

QFFU+Qlighting+Qelectricity+Qoccupant+Qeveloped=QDCC+QMA+QPCW+QEA

（1）

由

（1）式可計算潔淨室所需乾盤管容量之大小。

B.室外負荷：

（a）外氣負荷

外氣負荷=外氣輸入量X室內外空氣之焓值差，此處外氣輸入量包含排氣量加上人員換氣及維持正壓需要量兩者中取其大者。

其中人員換氣量為40CMH，正壓維持需求量為15Pa（相對外界）。

（b）包絡負荷（EvelopedLoad）

本部份主要來自建築物外部的熱源，以傳導方式進入潔淨室內，以本案採用之點型之潔淨室建築型式包絡負荷約30Kcal/hr。

7.2.1計算及分析

1、採用不同空調系統之對能源消耗之分析

依據前述計算後所得到之總表詳如表一及圖六所示。

圖六各種不同設計之潔淨室耗能總量比較

由前述計算結果可知，以外氣空調箱以及分散型的循環及冷卻裝置（FFU或軸流風機）其能源消耗較集中式為少，再以軸流風機與風機過濾器兩者來看，因前者的噪音、振動問題遠大於後者，而此兩點也正是無塵室的操作大忌；若再加上潔淨室運用彈性以及日常維修保養及操作成本均高的觀點來看，毫無疑問的抽風式外氣空調箱、風機過濾器以及冷卻乾盤管（DCC）之組合幾乎可說是目前電子工業潔淨室的設計主流；不過初設成本表較空調箱加風管的組合偏高為其缺點。

但在整個建廠投資成本及日後節能的觀點而研則無足輕重。

2、採用旁通循環空調箱的耗能分析

空調箱加風管的另一項設計限制為風車及風管尺寸，倘若為降低空調設備成本採用此一設計，將會面臨無法覓得合適尺寸的風車，就算採用客製化（CustomMade）之風機，也將衍生巨大的機房空間需求；另外所需之供回風管的尺寸也會十分巨大，佈置上也十分困難。

是故採用此一設計於大面積潔淨室只是徒然增加廠房的尺寸，造成土建成本不降反升的窘境。

表一各種不同設計之潔淨室耗能比較（單位KW）

系統搭配方式

FFU+MAU

AxialFan+MAU

MAU+RCU

RCU

MAU+RCU+FCU

RCU

/w76%RABypass

6oC冰水製冷電量

2349.06

2349.06

2349.06

11615.37

2349.06

7819.59

9oC冰水製冷電量

2681.05

2681.05

3558.99

2681.05

14oC冰水製冷電量

439.03

694.28

301.01

一次冰水泵電力

122.76

122.76

122.76

606.99

122.76

408.63

二次冰水泵電力

128.10

128.10

170.04

157.46

14oC冰水泵電力

58.99

93.29

31.46

熱水泵電力

26.40

26.40

24.79

162.99

24.79

408.63

MAU

472.47

472.47

472.47

472.47

氣流循環單元動力

727.00

1875.64

4957.06

4689.11

2598.05

4689.11

FCU

31.46

總計

7004.86

8443.06

11655.18

17074.46

8769.57

13325.97

氣流循環系統耗能指標（W/m2）

65.02

167.74

443.31

419.34

232.34

419.34

耗能評比（以FFU型為基礎）

1

1.21

1.66

2.44

1.25

1.90

系統評論

最省能,潔淨室運轉有彈性,為目前主流設計,但初設成本偏高為其缺點

潔淨室運轉有彈性,但有噪音問題,系統保養性差

造價便宜,但風管布建較複雜,不利於大規模或使用彈性需大的無塵室,可作為改善案之參考

造價便宜,但風管布建較複雜,耗能設計,同時不利於大規模或使用彈性需大的無塵室

風管布建較複雜,耗能較純MAU+RCU改善許多,唯潔淨度較不易維持

造價便宜,但風管布建較複雜,耗能設計,同時不利於大規模或使用彈性需大的無塵室

不過空調箱加風管的設計組合若運用於面積較小、排氣量低以及潔淨等級不高的的潔淨廠房（如研發實驗室、生物科技、精密工業及食品業潔淨廠），其低廉的初期投資成本的設計仍受到樂用。

而此類設計十分類似於一般產業恆溫恆濕空調系統，即便無任何排氣，但基於室內正壓之需求，仍須引入小量外氣。

於外氣潮濕的情況下，利用循環空調箱兼處理外氣，儘管外氣量很少，冷卻盤管之離風條件仍然必須低於室內之露點溫度以避免室內產生凝露現象，但如此一來卻造成冷卻除濕負荷非常大。

一般設計上均以再熱方式處理，但如此一來勢必又要損耗更多能源。

在此類型潔淨室設計上，將大部分回風直接旁通至冷卻盤管下游，避免不必要之回風經冷卻後再加熱造成雙重能源耗損，為一重要的思考方向。

為探討旁通量對節能的差異性，在本研究中以乎略實際設備布局（PhysicalLayout）及設備選型（EquipmentSizing）的前提下仍以前例作為計算分析的依據。

依據前述計算後所得到之總表詳如表二及圖七所示，而其詳細過程則如附錄二所示。

圖七各種不同旁通量循環空調箱設計之潔淨室耗能總量比較

表二各種不同旁通量循環空調箱設計之潔淨室耗能比較

單位KW

系統搭配

方式

MAU+RCU

MAU+RCU+FCU

RCU

RCU

RCU

RCU

RCU

/w0%RABypass

/w12%RABypass

/w25%RABypass

/w45%RABypass

/w76%RABypass

6oC冰水製冷電量

2349.06

2349.06

11615.37

10783.51

9449.72

8022.76

7819.59

9oC冰水製冷電量

3558.99

2681.05

14oC冰水製冷電量

301.01

37oC熱水

一次冰水泵電力

122.76

122.76

606.99

563.52

493.82

419.25

408.63

二次冰水泵電力

170.04

157.46

14oC冰水泵電力

31.46

熱水泵電力

24.79

24.79

287.23

47.57

200.07

133.51

17.37

MAU

472.47

472.47

氣流循環單元動力

4957.06

2598.05

4689.11

4212.42

3696.00

2901.51

1670.05

FCU

31.46

總計　

11655.18

8769.57

17198.70

15607.01

13839.61

11477.03

9915.64

本研究例舉了0%、25%、45%以及76%循環旁通量狀態下的能量消耗；由計算結果，充份顯示了旁通量越大，對於節能的成效越顯著，甚至在旁通量達76%時其耗電量較MAU+RCU的組合更低，而能更近一步接近MAU+RCU+FCU組合的水準。

理論上，RCU採行旁通循環風量的方式的確能夠省下大量電能，然而前面已提及在大規模外氣需求量下，設備選型布局以及旁通風門的控制靈敏度及準確性侷限了此一設計的可能性。

是故此一設計仍只適合在小面積規模、外氣需求量低、潔淨等級要求不高的潔淨廠房設計。

3、採用熱管（HeatPipe）對外氣空調箱的節能分析

對外氣空調箱而言，節能的手段除了降低再熱溫度外，採用熱管（HeatPipe）亦為一可行之方法。

熱管基本之概念為一以重力-毛細作用力輸送工作流體之封閉式熱交換設備，不須電力推動流體為其特點。

對外氣空調箱而言，熱管可取代一組高溫段預冷盤管及再熱盤管的組合，用以回收部份高溫外氣作為再熱之熱源，其概念如圖八所示。

圖八熱管運用於外氣空調箱之概念圖

為實際顯示熱管的節能效果，將本研究案例中之外氣空調箱安裝熱管之性能，經過重新計算後如附錄三所示，在與原有外氣空調箱性能比對後其比較如表三所示。

表三外氣空調箱安裝熱管前後耗能差異比較

單位:

KW

熱水泵所需電力

高溫冰水製備電力

高溫冰水泵所需電力

總電力需求

MAU

21.12

2681.05

160.12

2841.17

MAU

（安裝熱管）

0.00

2378.06

0.00

2378.06

從表三可清楚的發現，若採用熱管設計的外氣空調箱，其電力需求量為原設計的84%；若以運轉的觀點來看，其省下的463KW電力，若單位成本以1.5NTD/KWH、稼動率95%計算，每年所省下之電費可達NTD5,781,044之譜，再加上減少的熱水系統轉動設備保養費用，確實為一有效節能方式。

不過熱管之實際運用仍有其侷限性，分述如下：

-熱管為確保其熱力性能，於製作時即抽真空，倘若熱管組發生破損將失去功能且無法修復，需重新更換。

-缺乏大容量熱管之實績，且製作較為困難。

-無法於部份負載（Partial-Load）側針對得熱-棄熱作主動控制。

-初期購置成本偏高。

是故於外氣空調箱採用熱管來節能的設計，目前大多仍侷限在小容量（30,000CMH）以下的外氣空調箱為主。

為了消彌熱管無法主動控制以及熱管本身脆弱的缺憾，目前另外產生所謂的擬熱管（Quasi-HeatPipe）的設計概念，這種設計概念來自於工業用的封密式氣-氣熱交換器（Gas-GasHeater），以壓力（循環泵）取代重力-毛細作用力輸送工作流體的方式，也可達到相同的效果。

不過多了循環泵，故在節能要求上則不如真正的熱管，但其工作流體壓力輸送的優點，使得冷、熱盤管布置為任意而不受重力流布置所節制。

故此設計目前反較真正的熱管設計受歡迎。

4、顯熱比與熱負荷變化之分析

由於一般大規模的半導體及平面顯示器製造廠，熱負荷普遍上其顯熱因素（SHF）均接近100%，然而對於平面顯示器模組（LCM）、印刷電路板、電漿顯示器（PDP）、光纖電纜等製造廠，這些製程所需作業人員多、或生產區內有大量水氣蒸發，造成SHF降低，是故本研究也針對SHF與負載的變化作探討。

為配合實際的情況，特另列舉實際運轉的某小型LCM廠為案例，該潔淨廠房之規格如下

諸元

潔淨室面積

2,678m2

潔淨室高度

3.2m（Injection）

2.8m（Others）

作業區內容

Injection（10K）

導光板拋光區（10K）

成型點燈檢查區（10K）

更衣室（100K）

循環量

224,952CMH

熱排氣

21,400CMH（ΔT=2.2oC）

製程設備負載

290KW

本製程抽氣量極少，所有濕製程均於微環境下完成，是故製程區最大之潛熱幾乎是由人員來提供，本例將分別就30、100、150、300、500、700、900、1100、1500、2000人等狀況來模擬潛熱的增量變化。

在這裡要說明的一點是在本例尺寸下的廠房鮮少有300人以上同時作業的情況，故之後的人數僅是為說明潛熱增加造成的影響。

本例的計算方式一如前面的分析，所有的變化均列表如附錄四所示，而廠房顯熱比與熱負荷變化詳如圖九所示。

從圖九中可以發現，在SHF=0.926以上的情況，人員的潛熱負荷相較於總熱負荷顯得無足輕重，所以總熱幾乎保持常數，一旦SHF低於此則值熱負荷便產生急遽的變化，這顯示在本例中人員負荷占了舉足輕重的地位。

這項影響從外氣總量的計算也能夠看出來（圖十）；由先前外氣總計算的基準為室內所需量加上維持室內正壓量或人員換氣量取其大者（稱為外氣增量）之前提下，我們可以看到當SHF=0.926時不僅總熱負荷有了明顯變化，外氣增量也由原有正壓掌控（Dominate）轉變為人員換氣量掌控，更突顯了這一點。

圖九潔淨室熱負荷與顯熱因素（SHF）之變化

圖十潔淨室外氣補充量與顯熱因素（SHF）之變化

5、排氣能量之回收探討

在本研究之主要300mmDRAM製造廠案例中，不論維持正壓或人員所需之換氣需求量相較於其它製程排氣可說是少之又少（不超過新風總量之7%），是故龐大的外氣量將佔去全廠製冷量不小的部份（約70%），所以如何節省此部份的電能亦為值得思考的方向。

降低外氣空調箱出風溫度目前以為廣為眾所皆知方法，排氣減量雖也是方法之一，但受到製程本身的限制只能視為治標的手段。

是故，從排出的廢氣中找尋可回收的能量成為一可行之道。

從排出的廢氣中計算廢棄的製冷量508KW（約144RT），不過受限於溫度偏高（多在25oC以上），跟廠內大部份冷源動輒均在20oC以下的情況看來，排氣能量回收十分困難。

基本上一般排氣製程所排氣大部份對人體無害，故可作為中央設備廠房（CUB）作為機房設備部份的冷源，或者可拉回MAU機房與新風混合，兩者均可降低部份冰水主機的熱負荷；本例之一般排氣所排放之溫度為25.3oC，冷凍量為376KW（107RT），其出風條件與機房之空調室內系統的條件（機房設計溫度大多在26~27oC左右）類似，對此可作出以下的規劃，並使得冰水主機省下256KW的電力（以每冷凍噸需0.68KW之電力計算）。

-作為CUB機房冰水主機或潔淨壓縮空氣空壓機（CDACompressor）的空調供風或輔助供風源：

由於排氣源十分乾淨，甚至可延長CDA空壓機入口慣性過濾器的壽命。

-作為與MAU新風於機外預冷之冷源：

在與原有空調箱比較後之節能改善如表四所示。

表四外氣空調箱與排氣理論上混風所節約之能量

單位:

KW

高溫冰水泵所需電力

高溫冰水製備電力

總電力需求

MAU

160.12

3064.06

3224.18

MAU（與GEX混合）

100.12

1915.92

2016.04

由表四可以發現，兩者電力需求量相差達1208KW；若電價成本以1.5NTD/KWH、稼動率以95%計算，每年所省下之電費可達15,081,095NTD之譜，對節約電費將頗有助益。

不過建議設計者在先小心的確認排氣是否不會造成任何副作用後再行規劃為佳。

筆者實際上作過類似規劃，在該例中一般排氣可同時對MAU機房及CDA室供應26oC，RH=60~65%的排氣，對於該廠節能助益頗大。

（如圖十一及圖十二）。

6、排氣量減少之討論

潔淨室在製程作業的過程中必須要將廢氣排出，再加上會有一部分的循環空氣洩露或滲出牆外，因此就必須由外氣空調箱補進新鮮的外氣，但處理大量高溫高濕的外氣達到室內所要求的固定溫溼度，絕對是相當耗能的。

因此我們考慮將排氣量減少25%、50%及75%來相互比較其間對傑能會有什麼樣的效果。

表五排氣量的不同與耗能之比較

25%排氣量

FFU+

MAU

AxialFan+MAU

MAU+RCU

RCU

MAU+

RCU+FCU

RCU（BypassMode）

PowerConsumption

3073.07

4511.27

7571.72

17057.62

4577.38

11151.07

50%排氣量

FFU+MAU

AxialFan+MAU

MAU+RCU

RCU

MAU+RCU+FCU

RCU（BypassMode）

PowerConsumption

4409.6801

5847.879767

8901.77662

17063.235

5944.326798

11879.56646

75%排氣量

FFU+MAU

AxialFan+MAU

MAU+RCU

RCU

MAU+RCU+FCU

RCU（BypassMode）

PowerConsumption

5746.2877

7184.48738

10231.8336

17068.846

7311.27514

12608.06663

100%排氣量

FFU+MAU

AxialFan+MAU

MAU+RCU

RCU

MAU+RCU+FCU

RCU（BypassMode）

PowerConsumption

7152.208

8590.40818

11630.8

17074.457

8749.11007

13325.96672

由上表我們可以得知當我們減少排氣後，外氣的補給量也會減少。

MAU系統因為減少了高溫高濕的外氣處理量，引次在節約能源上有了非常顯著的效果。

而RCU的系統，因為還要和回風相混合，雖然在處理外氣的耗能降低了，但風車必須送出的風量還是相當的大，因此在節能上的效果非常的有限，而如果是RCU+BYPASS的模式下，則可以相對的節省了更多的能源。

但是RCU系統與NAU系統相互比較的話，MAU系統還是佔有較大的節能優勢。

經過前述的討論後，我們可以發現：

1.MAU加分散式循環系統（FFU、軸流風機）及冷卻系統（DCC）消耗動力為均偏低，特別以MAU+FFU+DCC的組合其消耗動力為最低。

2.RCU系統最耗能，對大規模及高循環次數之潔淨廠房設計不適用，但對造價較低，小規模、潔淨等級低之潔淨室設計則十分適合。

3.採取外旁通系統可有效降低RCU冷卻及再熱量進而節省電能。

4.熱管對MAU可有效減少其預冷及再熱所需能源。

5.當RCU系統對SHF<0.926以下之負荷情況其熱負荷將急遽上升。

6.若經仔細調查，部份排氣系統亦可自其中回收部份冷能，且對全廠節能助益斐淺。

7.若將排氣量減少，耗能也可以相對的減少。

且MAU系統會比RCU系統還要明顯。

7.3熱負荷的綜合分析＆計算

1.概括來源：

設備機台和廠商系統發熱量約以以下負載推估：

（1）機台發熱

（2）真空PUMP

（3）電力供應系統之發熱

（4）ExternalHeadGain

（5）FFUMOTOR

（6）LIGHTING

（7）MAUFAN

2.依熱負荷推斷FAB所需DryCoil冷凍能力，並作適當DryCoilArravge，以

某一晶圓廠SupportingBuilding無塵室熱負荷實例來作計算。

表一、RoomCoolingLoadCalculationDataByUser

ZONENO.

LOADING

KW

COIL

SETS

D/C

CAPACITY

（KW/SET）

SELECT

CAPACITY

（KW/SET）

1

CMP

430.96

45

9.6

<12

2

THINFIN