以計算流體力學模擬煙囪對外氣空調箱進氣品質的影響

前言

近年來半導體工業的產品元件線寬已躍入奈米級要求，產品必須仰賴高精密的設計與製造，也意味其產品元件易受到環境品質所影響，一般在半導體潔淨室常見的環境污染以空氣分子污染物(AMC)為主，已有不少案例證實其對晶圓缺陷(Defect)的直接關聯，包含腐蝕、成形異常或電性異常等問題。

半導體廠生產和製程之工作環境一般皆須在潔淨室(Cleanroom)中進行，以數十種的氣體、化學原料處理，並透過不同的製程設備進行生產，因此造成後端廢氣中的污染物種類繁雜。目前對於腐蝕性、易燃性、毒性的製程排氣先依照不同性質，在製程設備後端就地處理一次之後，再以中央廢氣處理系統進行二次處理，然後由製程排氣煙囪排入大氣中，以達到污染防治功能。而潔淨室主要新鮮空氣來源為外氣空調箱(Make-up Air Unit, MAU)吸入口，其設置位置通常為屋頂處或建築物側牆，因此容易受到製程排氣煙囪之排氣擴散所影響，當煙囪排出廢氣時，經由大氣擴散及外氣空調箱的吸引力，重新導入潔淨室內產生二次污染，可能使得潔淨室內空氣品質不良，直接或間接導致產品良率下降。

本研究目的主要是對新建廠房周遭環境的空氣品質進行數值模擬分析，結合當地大氣資料，觀測其數值模擬結果，以評估在不同季節風向及新建廠房自身排氣，對鄰近廠區空氣品質的影響，並考量附近其他污染源，加以評估其單位排放物對新建廠房FAB棟及CUP棟的外氣空調箱吸入口濃度影響程度，以提供潔淨室污染防治設計參考。

文獻回顧

對於高科技廠房，污染物之擴散行為一直是重要課題。由於大氣穩定度影響到煙柱往下游的擴散行為，Liu et al.^[1]嘗試利用CFD進行分析，發現對於不穩定分層大氣環境(Unstable Stratified Atmosphere)中的煙柱而言，傳統高斯擴散模式所無法預測出的煙柱下降與上升軌跡皆可藉此模擬得出。近年來，建築風場常以CFD模式來解析，Nelson et al.^[2]提出將CFD應用於建築氣流場的預測，Murakami et al.^[3]開始應用CFD數值模擬來分析建築物外部風場及室內外氣流。Theurer et al.^[4]指出，污染物擴散行為會受到地形、障礙物與建築物的形狀、排列方式、污染源排放位置等影響。李沁怡等人^[5]比較高斯擴散模式與FLUENT之計算結果，發現對於較為複雜的建築擴散模擬結果而言，CFD更符合實際狀況，如污染物依風向擴散以及在建築物周圍堆積與繞流等現象；計算流體力學與高斯擴散模式主要的差異如 表一^[6]。

常見的流體問題，可分為黏性之層流以及紊流兩大類，實際情況則以紊流現象較為普遍。至今對於紊流生成問題之發展研究而論，可分為兩大派：一為流體變亂是由於微小的擾動，且足以按照指數方式發展，形成紊流；另一則相信在層流中一般微小之擾動還不至於擴散，當加入適當大小之擾動時則立即開始變亂，或因周界擴散而生成正壓力波時，使得微小擾動振幅增大而形成紊流。

紊流所有的性質都會隨時間與空間的方向，在一個平均值上下迅速而不規則的變動，所以大多數學者皆認同在紊流的理論分析中，可將瞬時量視為時間平均部分與擾動部分之和。Hinze^[7]書籍內提到Reynolds即以此觀念代入Navier-Stokes方程式，並取其時間平均，整理可得雷諾平均方程式(Reynolds Average Equation)，如下列公式：

其中對流項所產生的六個雷諾應力(Reynolds stress)，造成方程式個數少於變數個數的現象，只擁有四個傳遞方程式（連續方程式及三個不同方向之雷諾平均方程式），但欲求解十個未知變數（平均壓力、三項平均分速及六個雷諾應力）的情況。為了解決這個問題，便需要仰賴紊流模式的引入。

鑒於近年來學者們對於紊流模式的努力，已有許多不同的紊流模式產生，其主要可分為三種型態：零方程式模式(Zero-equation Model)、單方程式模式(One equation model)與雙方程式模式(Two equations model)。而在雙方程式模式方面，紊流效應是以等方向性之渦流或紊流係數來表示，並以紊流動能值與紊流動能擴散率值來計算。Jones et al.^[8]所提出的標準模式是最為人所熟悉的模式之一。其半經驗模式公式是基於流場為完全紊流和忽略分子黏性效應的假設而導出，因此標準模式應只適用於完全紊流流場型式。但由於此模式對許多不同的紊流流場型式，仍有尚可接受的準確性，並具有簡單、經濟效應等優點，故可解釋此模式在流場和熱傳模擬應用的普遍性。

除此之外，都市風場受到風速、風向及建築群的幾何外型與配置等眾多因素的交互影響之下，形成複雜的氣流運動，造成戶外風場評估的困難度上升，以下詳述建築物周圍氣流特性如 表二^[9]。

計畫方法

建立範疇邊界與網格的模型，並收集新建廠廠區及其鄰近建築物相對位置、尺寸、空氣污染物排放資料與竹科地形，運用其條件建立一穩態CFD網格模型，輔以實際運轉廠區外氣風向資料，分析空氣污染物擴散結果。本研究之基本假設分別如下：

• 空間為三維直角座標系統。
• 假設模擬空間內之空氣為不可壓縮流體：由於模擬空間內部之流體流速遠低於音速數個級值(Order)，故可將流體視為不可壓縮，亦即空氣密度恆為固定值。
• 流體性質在數值計算之有限體積內為均質性(Homogeneous)，即流體壓力、溫度、密度在有限體積內皆相同。
• 利用標準k-ε紊流模型來解析。

模擬模型以A廠房之上視平面圖右上角端點為幾何模型之中心，模擬其長寬各1公里之範圍為模擬範疇（如 圖一所示），其內容包含：

• 新建廠廠區排放：氨氮廢水處理廠排氣、緊急發電機排氣、煙囪排氣。
• 各鄰近廠區：A、B、C廠區煙囪排氣。
• 附近廠：友廠-1、友廠-2、友廠-3、友廠-4等。

本研究數值模擬幾何外型之建築群是依據規劃中的半導體廠房所建構，該半導體廠用途為晶圓代工，主要模擬區域尺寸大小為長：755m、寬：600m、高：120m，如 圖二所示。其大氣邊界層設定為邊界層至建築物群距離約5-6倍之長度。

外氣空調箱吸入口分別位於新建廠FAB屋頂層（離地約35公尺高度）處左右兩側，以及CUP棟側牆（離地約25公尺高度）處，共有5個外氣空調箱進氣口，如 圖三。為使建築物區域有更精確結果，將之進行局部加密，其加密部分為新建廠、A廠區、B廠區、C廠區、及鄰近的四座友廠，網格尺寸小於3m×3m×3m。而大氣邊界層部分從中心至邊界，以密至疏方式建立網格，最大尺寸為50m×50m×50m。

根據實際運轉廠區實測資料，擷取近3年（2011年至2013年）廠區周遭之冬、夏季盛行風向、風速與其平均溫度，及夏季之滯留風做為模擬條件。於滯留風情況下給予地面一高於季節均溫的溫度，觀測其大氣流動情形，並比較不同風向及風速所影響的結果。 表三、圖四為其冬、夏季盛行風及夏季靜風資料。

結果與分析

本研究主要是以數值方法去模擬實際半導體廠的製程排氣狀況，探討最常發生於廠區之氣象對其新建廠MAU的影響，取三種不同的風向、風速，分別為夏季盛行風、冬季盛行風及夏季靜風條件下，以及選取對新建廠影響較大的兩風向，將其MAU3與MAU4進氣口由外側改為內側時之情況，來預測外氣空調箱吸入口污染物─TVOC分佈的情形，對其結果加以分析討論，並給予簡單之建議。由於計算區域為三維空間，因此採用特定切面之方式針對特定面進行濃度場之觀察，分別為新建廠CUP進氣口Y=25及X=320之切面、以及FAB的MAU2與MAU4進氣口Y=35及Z=85之切面，以觀測污染物在進氣口位置的吸入情形。情境選取可由 表四得知。

情境一:
夏季盛行風之TVOC擴散情形

觀測其流線圖中氣流流動路徑，以分析與辨別污染物擴散路徑的趨勢與正確性。 圖五為夏季盛行風之全廠區流線圖，可由 圖五（左）得知，氣流在新建廠FAB右下角及與CUP連接的空橋後有一建築物尾流產生的渦流，若有污染物流經會使其在此盤旋累積，造成濃度上升；而 圖五（右）可看出有部分氣流沿著FAB的幾何形狀而被導引至MAU3的位置，再被其進氣口吸入，此狀況使進氣口產生污染。

由夏季盛行風情形下污染物濃度擴散情形的切面圖（如 圖六）可看出，A廠區、B廠區及友廠-1所排放的TVOC往右上方其他廠區之方向擴散，而C廠區與新建廠排放的污染物則是沿著新建廠FAB被導引至MAU3的位置，進而造成污染。

圖七（左）為CUP棟進氣口的中心切面X=320m，冷卻水塔所排放之TVOC往F12P7 FAB上方擴散，有小部分則被CUP棟的進氣口吸入。 圖七（右）為MAU2和MAU4進氣口切面圖，FAB排放之污染物往上方擴散，有些TVOC被進氣口吸入。 

情境二-
冬季盛行風之TVOC擴散情形

觀測其流線圖以分析其擴散路徑， 圖八為冬季盛行風之全廠區流線圖，雖FAB與C廠有些許渦流產生，但因新建廠FAB右上側無煙囪排放污染物，氣流不易造成FAB屋頂的MAU進氣口污染；而 圖九則可看出新建廠屋頂煙囪的排放會使氣流往CUP棟流動，並對其造成污染。

情境三-
夏季靜風之TVOC擴散情形

為了進一步了解TVOC在夏季靜風情況下的擴散情形，可由流線圖中氣流流動路徑，來分析污染物的擴散路徑趨勢圖， 圖十為夏季靜風之全廠區流線圖。

圖中顯示在靜風情況下擴散主要是因煙囪向空中出風後向四周擴散，又由於夏季靜風狀況下地表溫度會高於氣溫，當空氣受熱膨脹上升，空出的位置由周圍的空氣流入補充，隨後上升的空氣冷卻、溫度降低，通常無法在原處沉降，而是四散沉降，進而形成對流。 圖十一為全廠區之高度切面圖，污染物經由煙囪向上排放後四散，水平擴散較少，可看出污染物對新建廠MAU影響極小。

在三種季節風向的模擬下，將新建廠各MAU進氣口吸入平均濃度作一彙整（如 圖十二），可知夏季盛行風對MAU3及MAU4的影響最大，對MAU2所造成的污染程度最小；冬季盛行風幾乎不會使新建廠FAB的MAU造成污染，但對於CUP棟的MAU進氣口影響程度則是三種風向裡最大者；夏季靜風的部分同樣也是CUP棟MAU進氣口的污染程度大過於新建廠MAU進氣口，但對於CUP棟MAU進氣口的影響較冬季盛行風小。總體而言，對新建廠屋頂的四個MAU影響最大者為夏季盛行風，而CUP棟MAU部分則為冬季盛行風。

情境四-
夏季盛行風下，外氣進風口位置更改(modified case)後濃度比較

此小節為分析其外氣空調箱進氣口位置更改後，是否會有利於改善各外氣空調箱進氣口的污染物吸入濃度，其污染物釋放位置先前相同，僅將MAU3與MAU4的進氣口位置由外側改至內側，其餘進氣口則維持不變，並以影響較大的夏季盛行風與夏季靜風為基礎來進行分析討論，更改位置如 圖十三所示。

比較兩種進氣口位置之污染物擴散路徑，觀測其流線圖來比較兩者氣流流線差異，由 圖十四可看出左方是氣流於外側接近牆面位置被設立於外側的MAU3與MAU4吸入，而右方是受風向影響被位於內側MAU3及MAU4吸入，其餘部分則差異不大，路徑皆繞過建築物上方的幾何外型，之後順著新建廠FAB牆面流動污染物擴散路徑相似。

夏季盛行風之兩種進氣口位置濃度比較，圖十五可看出新建廠自身排放的污染物對MAU的影響，兩種情境下污染物均延盛行風擴散，污染源所排出的TVOC擴散路徑相似。

圖十六為不同MAU位置之各進氣口吸入平均濃度的比較，可知當MAU3與MAU4吸入口變更為內側時，TVOC濃度值略低於原設計，而MAU1、MAU2及CUP在兩個位置的濃度值差異並不大，總體而言，兩者於夏季盛行風情形下對MAU影響程度相似。

情境五-
夏季靜風下，外氣進風口位置更改後濃度比較

夏季靜風之兩種進氣口位置濃度比較，圖十七可知變更後的MAU吸入口污染物濃度較原設計高，顯示污染物的擴散受變更後的MAU3與MAU4影響，原設計下新建廠FAB排放的污染物往CUP棟下方擴散，吸入口變更為內側後則受MAU3與MAU4進氣口氣流的牽引而在上空盤旋。

圖十八為不同MAU位置之各進氣口吸入平均濃度的比較，在夏季靜風情形下MAU3與MAU4於內側位置的吸入濃度大於外側位置甚多，此結果不利於降低MAU進氣口的吸入濃度，因此不建議將MAU3與MAU4進氣口位置更改至內側。

結論

本研究探討廠房的外氣空調箱在不同風向及不同進氣口位置配置下對進氣口吸入TVOC濃度之影響，經由模擬與上述之討論得出以下結論與建議：

本研究案例中，夏季盛行風情況下污染物的擴散對MAU3及MAU4的影響最大，對MAU2所造成的污染程度則最小；冬季盛行風對新建廠的MAU進氣口影響程度極低，但對於CUP棟的MAU進氣口污染物吸入濃度則是三種風向裡最大者；夏季靜風情況下，CUP棟MAU進氣口污染程度大於FAB的MAU進氣口，對於CUP棟MAU進氣口影響小於冬季盛行風。

對於新建廠屋頂設置的MAU1、MAU2、MAU3及MAU4影響最大者為夏季盛行風，CUP棟MAU進氣口影響最大者為冬季盛行風，結果顯示進氣口位置的污染程度會受季節風向影響。

更改MAU3與MAU4位置後，夏季盛行風對於污染物吸入濃度能小幅改善，而夏季靜風會造成污染程度的上升，並不利於改善進氣口污染之問題。因此可考慮將外氣吸入口作一活動式百葉，依照季節風向變化，更改其吸入口位置。

新建廠區可利用本研究之模式，預測不同廠房的設計時，其污染物排放對外氣空調箱進氣口影響，也可用於預測鄰近廠區煙囪之污染物排放對其所造成之污染程度。