冰水系統之節能探討

圖1. FAB14P3耗電量分布

VPF與Decouple系統之比較

所謂Decouple系統，乃冰機蒸發器側之水量固定前提下，將冰水泵分成一次、二次兩級，如圖2所示。

圖2 Decouple冰機系統架構

Decouple系統中之二次泵，採用VFD變流量之設計，可根據使用端用量提供對應之冰水量，以節省二次泵的能耗。一次泵與冰機則是一對一伴隨啟停之聯鎖關係。雖然此系統架構下，二次側的能耗降低了，但設備的初設成本增加，且機房的Foot Print需求變大了。^[1]

除此之外，Decouple系統尚有一個無法克服之缺陷，即”低溫差綜合症”，所謂低溫差綜合症即進出蒸發器端之冰水溫差低於原冰機之設計溫差，造成冰機永遠無法達到設計之滿載量，以致於需投入更多的冰機及冰水泵。以下列熱交換量基本公式來看，可清楚說明其關係Q=(m)(Cp)(△T)。

其中Q代表熱交換量，m為冰水流量，Cp為冰水比熱，△T為冰水進出水溫差。為維持使用端固定之熱交換量Q，低溫差△T勢必造成提升冰水流量m。一般造成低溫差△T的主要原因，為使用端之盤管（或板熱）設計不正確或表面fouling影響熱交換所導致。面對此一問題，Decouple系統只能被迫無法到達設計負載量前，投入更多的冰機及冰水泵來cover低溫差綜合症。

“低溫差綜合症”可在VPF系統中獲得解決，所謂VPF（Variable Primary Flow），如圖3所示，即一次泵變流量系統，選擇使用可變流量運轉之冰機，搭配冰水泵以變頻方式控制出水流量，當部分負載情形下，可調降冰水泵及冰機本身運轉點，從而達到”按負荷需求流量運轉”之目的。

圖3 VPF冰機系統架構

泵轉速以末端壓差△P作為回授控制訊號，增減以維持固定壓差，確保末端使用點之冰水流量，毫無疑問，需搭載變流量之冰機，隨變化的流量追逐負載。為保護冰機在變流量下，能維持最低冰水流量，避免結冰損壞冰機，故於主管處增設bypass valve（couple）以調節冰機所需之最低冰水流量。^[2]

VPF冰機系統之節能契機

在探討VPF冰機系統之節能契機前，可先從整個系統組成架構之方向去思考，依其系統架構可層別為以下4大項，（1）冰機本身（2）冰水泵（3）冷卻水泵（4）冷卻水塔，從而分別進行節能契機之探討。在此不特別針對系統設備規格選用進行探討，因為於系統設計階段，已對此透過嚴謹的計算考量，選擇適當的匹配規格，系統能力一般皆能達到目的。相對的，於系統建置完畢後，操作上是否在最佳狀態，經年累月的能耗，反倒是值得探討的節能契機。

A. 冰機加減機時機

冰機在不同負載下，會有不同的運轉效率，需找出該冰機之最佳運轉效率點，於適當時機搭配加減機，維持冰機於高效率運轉區間，以F14P4冰機為例，5oC採用Trane 2600 RT變流量冰機，12oC採用Trane 3200 RT變流量冰機；透過冰機設備商Trane之模擬程式所產生之負載曲線，可找出5oC及12oC冰機最佳運轉點，如圖4及圖5所示。

由圖4可發現，5oC冰機之高效率運轉區間介於70%~100% load，最佳效率運轉點為80% load。

圖4 F14P4 5oC冰機負載曲線

由圖5可發現，12oC冰機之高效率運轉區間介於60%~80% load，最佳效率運轉點為70% load。

圖5 F14P4 12oC冰機負載曲線

B. 冰水泵/冷卻水泵運轉點

冰水/冷卻水泵於VPF系統中，可透過變頻控制下，於不同的轉速提供對應之揚程及流量，運轉操作上具有相當之彈性；但因泵本身之運轉效率，會隨著不同的轉速而有差異，在長遠節能的考量下，仍須將轉速調控在較佳效率之運轉區間內。以F14P4冰機系統為例，5oC/12oC冰水及冷卻水泵採用Armstrong 4300 series，依原廠提供之效率曲線，可找出較佳效率之運轉區間，如圖6~9所示。

圖6 F14P4 5oC冰水泵效率曲線(Armstrong 4300 series)

圖7 F14P4 12oC冰水泵效率曲線(Armstrong 4300 series)

圖8 F14P4 5oC冷卻水泵效率曲線(Armstrong 4300 series)

圖9 F14P4 12oC冷卻水泵效率曲線(Armstrong 4300 series)

C. 冷卻水水溫最佳化

冷卻水溫對VPF冰機系統整體效率而言，為一個最佳化之課題。可由冷凍循環圖10可發現，當冷卻水溫度(冷凝溫度)增加，壓縮機壓縮功增加而冰機效率隨之減少；相反的，當冷卻水溫降低，壓縮機壓縮功減少則冰機效率越好。但卻無法無限制降低，原因是提高水溫Cooling tower之Loading會相對提高，兩者間須取得系統整體之運轉平衡點，如圖11所示。

圖10 冷凍循環圖

圖11 冷卻水溫對冰機系統最佳化示意圖

欲達成最佳化控制，冷卻水設定溫度應隨外氣濕球溫度重置(Reset)。一般冷卻水塔合理的趨近溫度為3℃(冷卻水水溫-外氣濕球溫度)，實際上需參考Cooling Tower原廠所提供之效率曲線查表所得，如圖12所示，隨當下之外氣濕球溫度，查表設定冷卻水溫，其目的在使冷卻水塔的散熱能力完全發揮，同時避免趨近溫度過低而消耗太多的風車耗電。

圖12 F14P4 Cooling Tower效率曲線圖

VPF冰機系統之節能控制策略

由於先進製程之演進，無塵室溫控範圍越來越精準，溫度值稍有飄動即影響生產線之品質，故負責生產冰水之VPF冰機系統，在控制策略上，除了須配合節能上考量之外，尚需符合系統之穩定度，避免干擾運轉廠。

由上節(三、VPF冰機系統之節能契機)所述，可輔助最佳化的節能控制策略，以達到長期節能之目的：

1. 依負載調控冰機之加減機，讓冰機位於較佳之運轉區間。
2. 依負載調控冰水泵之加減機，讓冰水泵位於較佳之運轉區間。
3. 冷卻水泵雖是VFD變頻，但不建議投入自控，因冷卻水溫以Cooling Tower調控為主軸，為避免控制變數過多，將邏輯複雜化，冷卻水泵以手動微調至高效率運轉區即可。
4. Cooling Tower之節能最佳化，可分為2個Phase，其一為建廠初期，負載未穩定時，以外氣濕球及冷卻水溫之趨近溫度微控，可達到一定之節能效果。其二為後期滿載時，穩定負載輸出，可微調水溫，小幅升高或下降，加總當下冰機及Cooling Tower之總耗能，以找出最佳化之運轉冷卻水溫。

結論與建議

以tsmc F14P4冰機房之設備規格為例，依節能契機之深入探討下，已得到(1) 5oC冰機之高效率運轉區間介於70%~100% load，最佳效率運轉點為80% load；12oC冰機之高效率運轉區間介於60%~80% load，最佳效率運轉點為70% load。(2)冰水泵及冷卻水泵的最佳運轉點，及(3)最佳化節能控制策略，可作為成廠區之運轉參考。

由於本文所探討之結論，主要說明節能之方法論，有待實際運轉調校後驗證其效果，建議在滿載後，且經歷冬夏不同季節負載條件，持續調校並紀錄，即可獲得完整之運轉狀況，進而驗證最佳化之節能運轉條件。