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簡報大綱 R e p o r t O u t l i n e
空調系統節能實務分享
節能實務與能源管理策略 /空調
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簡報大綱
R e p o r t O u t l i n e
TSMC Property
• 冰水設備節能實務
• 空調設備節能實務
• 製程排氣設備節能實務
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TSMC Property
Energy
Saving 空調設備
排氣設備
冰水設備
━ MAU最佳冰水分配
━ 冬季MAU最佳化設定
━ AW 節能及冷凝水回收
━ 電腦機房空調改善
━ 無塵室洩漏改善
━ 泵浦變頻運轉
━ 全智能冰機系統
━ 水塔節能風扇
━ 冷凝器趨近溫度
━ 熱泵取代鍋爐
━ 有機廢氣處理設施廢熱回收
━ GER導入MAU&AHU
━ Chemical Tank/製程排氣減量
━ LSC RCW/HJ/N2 減量
━ LSC 智慧節能
冰水設備節能實務
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TSMC Property
冰水設備節能實務
━ 改善冰水系統運轉效率、最佳化控制,以達節能目的
━ 設備主要節能措施
● 冷卻水泵安裝變頻器,減少運轉能耗
● 冰水系統一、二次冰水泵安裝變頻器
● 冷卻水塔節能風扇
● 海棉球自動清洗系統運用
● 極化冷凍油運用
3
冷卻水溫(C)
系統效能(Kw/
RT)
冰機&冷卻水塔最佳化節能操作溫度
冰機 耗能曲線
冷卻水塔 耗能曲線
4
4
2
冷卻水塔 (變頻控制)
冰機
一次冰水泵
二次冰水泵
冷卻水泵
冷卻水塔
負載
冷凝器
2
1
2
3
4
冷卻水溫最 佳設定點
系統運算找出冷卻水溫最佳設定點曲線點
冷卻水溫依鐘擺原理自我擺盪修正運轉至最低耗能點
1
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TSMC Property
冰水設備
泵浦變頻運轉
━ 泵浦相似定律
● 流量(Q)的變化與轉速(N)成正比
● 壓力(H)的變化與轉速(N)成平方正比
● 電力(P)的變化與轉速(N)成三次方正比
Pump/Fan相似定律特性曲線
3
2
s
m
S
m
s
m
S
m
s
m
S
m
n
n
P
P
n
n
H
H
n
n
Q
Q
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TSMC Property
5.5℃ 6.0℃
R-123壓焓圖
冰水設備
5°C冰水溫度調升
━ 依實際需求而適當調整供應溫度以節省冰機之能源,由莫里爾曲線得知冰機每調升1°C可節能3%。
━ 5°C冰機出水溫設定現在為5.5°C,將溫度調整至6.0°C,調整後需檢查重要區域閥開度是否大於90%。
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kW 值與出水溫度
kW值
5冰機供應溫度 水溫調整
3750
3650
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TSMC Property
冰水設備
冰機N+1運轉模式最佳化
━ 由歷史資料數據化冰水流量,使冰機維持N+1 運轉,達成最佳化節能運轉模式。
━ 以De-couple流量對現場負載量及耗電量作Big data 資料分析
━ Benefit:找出Reflow最佳流量1,400 CMH。
Y=kW X=reflow
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TSMC Property
最佳節能控制程式 (KPI:0.58kW/RT)
Before(KPI:0.62kW/RT) 傳統控制點
冰水設備
四季交響曲自動變溫控制
━ 分析水塔散熱性能曲線找出最佳出水溫度之控制程式。
━ 依冰機莫里爾曲線&泵性能曲線,分析兩者耗能關係,找出最佳冰水供應溫度之控制程式。
UCP2UCP2
外氣焓值/ 濕球溫度
冰水主機
冰水泵 冷卻水泵
冷卻水塔 分析水塔散熱性能曲線找出 『最佳出水溫度之控制程式』
依冰機莫里爾曲線&泵性能曲線,分析兩者耗能關係,找出『最佳冷卻水溫差之控制程式』
依冰機莫里爾曲線&泵性能曲線,分析兩者耗能關係,找出 『最佳冰水供應溫度之控制程式』
廠區冷房負載
y = 0.0036x2 - 0.4489x + 13.151
(R² = 0.9992)
y = 0.1158x - 0.0036
(R² = 0.9997)
y = 4E-05x2 + 0.0039x +
35.405 (R² = 0.9996)
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調整前 Avg. KPI 0.62 KW/RT
調整後 Avg. KPI 0.58 KW/RT
KW/RT 調整前後差異
冰水設備
全智能冰機系統節能
━ 全智能冰機系統依負載需求,自動調整冰水供應溫度及設備運轉數量。
● 5°C/12°C/35°C出水溫度自動調整
● 冰水主機依系統 Loading 單機頭自動起停機
● 冰水泵系統供應以壓差最佳化
━ 節能預估:6.4%
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TSMC Property
冰水設備
冷卻水塔節能風扇
━ 在相同水塔效率及風量之下,降低馬達輸出功(軸馬力)。
━ 更換節能風扇,降低軸馬力180HP→145HP。
━ 現行 風扇葉片選用效率68.6% ,選用新式風扇效率82.8%(高效能塗布材料),相同的頻率運轉耗電量降低18%。
● 建置成本:NT$ 800K/set, ROI = 2.7年
傳統風扇 新式節能風扇
55Hz
節省 23kW (18.4%)
Before After
節能18.4%
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冰水設備
冷卻水塔節能風扇
━ 比較表
水塔翼型葉片扭曲度差異
傳統葉片(曲度小) 節能葉片(曲度大)
高效率節能風扇效率>80%
扭曲度小 扭曲度大
傳統葉片(曲度小) 節能葉片(曲度大)
傳統葉片 節能葉片
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冰水設備
冷卻水水質控制
━ 冷卻水水質影響冰機效率是不易觀察的潛在風險。
━ 開放系統易滋生藻類,造成冰機熱交換變差,耗電量增加,因生物膜熱傳導率僅銅管5%。
━ 長時間對銅管與冷卻水管路造成腐蝕,造成冰機及管路異常。
冷卻水水質 管制條件
PH (水質酸鹼指標) 6.8 ~8.8
M-鹼度 ppm (水質酸鹼指標)
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TSMC Property
冰水設備
海棉球自動清洗
━ 海棉球自動清洗系統 ACTS (Auto Clean Tube System)
● 將軟質海棉橡膠球以氣液壓控制動作推送進入熱交換器入口端,適
時有效的通過熱交換器之每一根銅管。
● 每20~30分鐘洗1次。
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冰水設備
海棉球自動清洗
━ 海棉球自動清洗系統成果
━ 效益
● 安裝ACTS趨近溫度約降低1°C,冰機耗電量約降低 2.5%。
◆ 冷凝器清洗之費用約NT$ 20K/年。
● 海綿球每台200顆,一年補充兩次,費用NT$ 4K/年。
0
1
2
3
4
5
6
7
(Ap
pro
ach
Tem
p.(
oF
)
Time(day)
Chiller Approach Temp. Trend Chart
#1(w/i ATCS)
#2(w/i ATCS)
#3(w/o ATCS)
#4(w/o ATCS)
#5(w/o ATCS)
#6(w/o ATCS)
#7(w/i ATCS)
#8(w/i ATCS)
#9(w/i ATCS)
9CH Approach Temperature
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
3/9
3/1
0
3/1
2
3/1
3
3/1
5
3/1
7
3/1
8
3/2
0
3/2
1
3/2
3
3/2
4
3/2
6
3/2
7
3/2
9
3/3
0
4/1
4/2
4/4
4/5
4/7
'C
9CH-09
9CH-10
9CH-11
平均下降0.8‘C
Item 9CH-09 9CH-10 9CH-11 Remark
2010 Average (OC) 1.17 1.37 1.07
2011 ACTS Set up (OC) 0.33 0.43 0.23 Data collection from 2011 3/25 to 4/7.
Difference (OC) 0.84 0.94 0.84
Energy Saving Percrntage (%) 2.09% 2.38% 2.10% 1OC saving about 2.5% .
Saving Cost (NTD) 221,639 251,352 222,583Chiller fully power 755kW, 80%
1kWh=2 NTD
Total Saving Cost (NTD)Initial Cost about 1,300,000 NTD
Payback = 1.56 year695,575
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PM 保養
海棉球自動清洗
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冰水設備
熱泵種類
━ 熱泵加熱性能係數COP都大於3以上,能取代傳統電力、瓦斯、柴油熱水鍋爐加熱系統,節省運轉費用>50%。
━ 熱泵種類
● 空氣對水取熱型 (air-to-water):大氣、冷房。
● 水對水取熱型(water-to-water)。
◆ 空調系統冷卻水(冰水機廢熱),製程廢熱水(無塵室, 殺菌爐…),空調冰水(冷房)。
● 地熱源型 (Ground-coupled):地下水、地底。
空氣對水取熱型
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TSMC Property
冰水設備
熱泵取代鍋爐
━ 純水再生時使用熱水由電熱鍋爐製造,平均耗電量較高。
━ 熱泵因COP高(5.2)且冷側可供冰水使用,可達到節能之目的。
━ 每年節能:Boiler耗能-熱泵耗能+熱泵冷側節能。
鍋爐平均用電237kW 熱泵平均用電82kW
節能65%
X
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TSMC Property
• 冰水設備節能實務
• 空調設備節能實務
• 製程排氣設備節能實務
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TSMC Property
Energy
Saving 空調設備
排氣設備
冰水設備
━ 空調箱最佳冰水分配
━ 冬季空調箱最佳化設定
━ AW 節能及冷凝水回收
━ 電腦機房空調改善
━ 無塵室洩漏改善
━ 泵浦變頻運轉
━ 全智能冰機系統
━ 水塔節能風扇
━ 冷凝器趨近溫度
━ 熱泵取代鍋爐
━ 有機廢氣處理設施廢熱回收
━ GER導入MAU&AHU
━ Chemical Tank/製程排氣減量
━ LSC RCW/HJ/N2減量
━ LSC 智慧節能
空調設備節能實務
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空調設備
外氣空調箱最佳冰水分配
━ MAU(外氣空調箱)由12°C及5°C負擔除濕/降溫所需冷凍噸,因為12°C冰水製冷成本較低,加以調配後,降低5°C用量轉由12℃冰水負擔。
━ 冰水最佳配置:
● 12°C/5°C KW/RT → 0.46 VS. 0.56。
● MAU 5°C冰水↓、12°C冰水↑(效率較佳) 。
● 程式自動因應外氣焓值調節 12°C冰機用量。
5°C and 12°C冰水用量變化
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空調設備
外氣空調箱溫度調降
━ 無塵室溫度主要經由乾盤管DCC(Dry Cooling Coil)作精準控制,視 DCC 的裕度進行MAU出口溫度調降,減少冰水負載。
━ 出口溫度調降23°C→17°C。
━ 每台焓差6.5 kJ/kg,節能計算:風量 * 焓差。
SP: 23℃ →17 ℃
RT=Q(m3/h)x1.2(kg/m3)x
ΔH(kJ/kg)/4.2(kJ/kcal)/3024
(kcal/RT)
NT$M/Y
kJ/kg
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空調設備
冬季最佳化設定
━ 冬天寒流期間避免溼度過低,MAU需開啟第一道熱盤管預熱空氣,才能在經過AW後充分加濕。
━ 保持第2道冰水用量,降低第1道預熱溫度(焓值由36→32 kJ/kg)。
━ 維持MAU除濕與再熱盤管流量不變,維持溫溼度控制穩定。
━ 節能計算:運轉風量 * 焓差。
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空調設備
冷凝水回收
━ 利用白努利原理回收MAU除溼盤管較潔淨之冷凝水至 AW Tank 內,減少DI Water 的用量。
● 冷凝水回收示意圖
━ Benefit & ROI
● 節電能: (台數)*水量(噸/天)*365(天/年)*DI水電費(kWh/噸)
● 節水: (台數)*水量(噸/天)*365(天/年)
● 建置成本: NT$17K/台,ROI = 0.7年
入風 供
風 AW TANK
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AMC(NH3) simulation Result MAU Power trend
空調設備
AW 變頻節能
━ AW(Air Washer) 安裝變頻器,可依外氣條件調整最佳化轉速。
━ 變頻減少管路壓損,保持 NH3去除率 > 90%。
━ 節能209KWH,ROI = 1.1年。
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空調設備
電腦機房空調(Row cooler)
━ 目前為冷熱通道設計(如下圖) 匹配及平衡各區負荷平均每台可省 3~5%冰水開度,且增加冷熱通道隔間。
━ 每台Row cooler 70kW;約可省 3kW冷凍能力。
━ 節能計算 : 依照電腦機房流量計,前後差值作驗證。
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冷通道 熱通道 熱通道
Row cooler
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空調設備
電腦機房空調改善(PAH)
━ 廠內電腦機房空調設計為迴風控制,無法真實反映機櫃端實際需求溫度,易造成空調浪費的現象。
━ 修改機房出風控制,增設溫度監控 (20°C即可)。
━ 節能計算:風量*焓差,ROI = 1.3年。
出風溫度調升
冷熱通道模擬
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灌漿牆與梁、柱接合處之裂縫 Deck板溝槽與牆板未氣密
空調設備
建築物空調洩漏改善
━ 在晶圓廠潔淨室需要保持正壓,所以建築物的氣密性顯得重要,一旦有縫隙都會造成多餘耗電與濕度異常。
━ 常見幾種洩漏的狀況:鋼承板Deck、鋼構/RC縫隙。
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━ 兩種偵測器輔助抓漏:紅外線熱顯像儀及溫溼度計。
紅外線熱顯像儀 溫濕度計
距離遠 , 範圍廣 , 速度快 近距離 , 範圍小 , 耗時
單價 數萬元~數十萬元 單價 數萬元
溫差大區域 溫差小區域 27
空調設備
建築物空調洩漏改善
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簡報大綱
R e p o r t O u t l i n e
TSMC Property
• 冰水設備節能實務
• 空調設備節能實務
• 製程排氣設備節能實務
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Energy
Saving 空調設備
排氣設備
冰水設備
━ MAU最佳冰水分配
━ 冬季MAU最佳化設定
━ AW 節能及冷凝水回收
━ 電腦機房空調改善
━ 無塵室洩漏改善
━ 泵浦變頻運轉
━ 全智能冰機系統
━ 水塔節能風扇
━ 冷凝器趨近溫度
━ 熱泵取代鍋爐 ━ 有機廢氣處理設施廢熱回收
━ GER導入MAU&AHU
━ 製程排氣減量
━ LSC RCW/HJ/N2 減量
━ LSC 智慧節能
製程排氣設備節能實務
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TSMC Property
━ 提升VOC (Volatile Off Compound) 系統之節能效益,增設第三道熱交換器用以回收煙囪排放之熱氣做為燃燒器預熱用,降低天然氣用量以節省運轉氣費。
━ 改善後每年共節省15~20% 瓦斯量。
━ ROI:約2~3.5年(視天然氣價格)。
11.14元/M3@ (3.2.2017)
排氣設備
有機廢氣設施廢熱回收
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排氣設備
GER導入MAU & AHU
━ GER(General Exhaust Reuse) 設計為一般環境空間排氣或機櫃散熱所需之排氣。
━ 經量測排氣溫度25~28°C,排氣品質達ppb 等級,確認可回收再利用。
━ 經過前處理後,將其導入非無塵區域進行再利用,可直接減少降低MAU & AHU之冰水使用量,藉以達到節能目的。
━ 節能:NT$ 3M/年
WWT AHU
Sub-Fab AHU
OA
RA
RA
GER
Header
OA
1F
B2F
開Tee
25~28°C
HPM MAU
4F
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TSMC Property
━ 減少排氣風車之耗電量與製程排氣風量,並減少昂貴的潔淨室空調補氣。
● 符合SEMI規範並調整及進行最低值之合理化。
● 減少不影響製程運作之Exhaust靜壓(排氣量)。
● Chemical box & Gas box及氣瓶櫃進行Seal。
━ 節能:製程排氣減量4.2%。
排氣設備
製程排氣減量
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Chemical VMB (SEX) Gas Cabinet (SEX) Chemical MDU (AEX, SEX)
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TSMC Property
━ LSC 設計用RCW(Recycle Cooling Water) 冷卻循環水,以帶走爐內高溫,在不影響 LSC機台運轉的狀況下可減少RCW進水流量,降低RCW Pump 轉速達成節能效益。
━ 節能:LSC RCW Pump 節電 2.3%。
1123111212
11197
11150
1110811091
11083
11059
11007
10900
11000
11100
11200
11300
w227 w228 w229 w230 w231 w232 w233 w234 w235
P3/4 PCW 總
流量
流量(CMH) 機台數(Set)
A減量 B減量
31143109
3105
30903087
30823079
3061
3043
3000
3050
3100
3150
w227 w228 w229 w230 w231 w232 w233 w234 w235
P3/4 PCW
總用電量
機台數(Set)用電量(KW)
A減量 B減量
總流量 用電量
排氣設備
Local scrubber RCW 減量
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排氣設備
管路加熱帶最佳化
━ 維持管路的溫度,製程所產生的廢氣生成物不易沉積或堵塞。
━ 針對不易阻塞的管路加熱帶調低溫度或關閉,易阻塞的加厚保持溫度。
━ 實際量測可以節省 20%電能。
15mm
30mm
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Main tool
Controller
LSC(省N2/NG/O2)
Dry Pump
Server Wafer
排氣設備
LSC智慧節能
━ 利用機台Run wafer空檔,提供信號給Local scrubber及真空 Pump,其Utility (氮氣/天然氣/氧氣) 即停止供應,可節省LSC utility ~15%。 (此節能系統已考量安全模式,當信號異常時立即回復正常燃燒模式)
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