全新角度檢視水側熱回收 - 全熱回收抗寒大作戰

前言

台灣為高濕度之海島型氣候變化國家，無塵室利用外氣空調箱(Make-up Air Unit, MAU)的35℃溫水、12℃冰水、5℃冰水盤管及加濕器運用來控制無塵室內溫溼度；在面臨外氣嚴峻氣候考驗下，要不間斷提供又穩定之35℃溫水是一大門學問。

無塵室溫水系統

中央空調系統簡介

目前半導體廠房皆使用中央空調系統，中央空調系統顧名思義就是將各所需空調區域利用空調箱等設備不斷熱交換將熱量集中，如 圖1所示，並藉由風車動力、冰水盤管熱交換、冰水泵浦傳動、冰水主機轉動進行熱交換轉換、冷卻水泵浦傳動，將房間內熱能最後藉由冷卻水塔散熱至大氣中。

因應廠區內不同溫度需求分兩種12℃及5℃出水溫度冰水主機系統，各系統所供應區域不同也有不同熱負載的來源，如 圖2所示，12℃冰水主機主要供給無塵室、製程冷卻水散熱等顯熱變化之系統所需，5℃冰水主機主要供給MAU冷卻除濕、一般空調、變電站空調、CCD ROOM、走廊公共空間空調等區域；至於35℃溫水系統主要提供除濕後再熱盤管所使用。

冷卻水側部分，以12℃及5℃冰水主機系統分別配置冷卻水管路，分配給予冷卻水塔藉由散熱風車進行散熱，如 圖3所示。

以往老舊半導體廠房使用鍋爐系統來供應溫水需求，如今節能減碳意識抬頭，新廠房以12℃冰水主機，如 圖4所示，將所產生之熱能增設板式熱交換器將熱量轉移產生35℃溫水，來提供廠內溫水所需，可減少了鍋爐所需電費，又可將廢熱有效再利用回到廠內溫水所需，達到節能減碳又環保雙贏之局勢。

MAU設備供風介紹

圖4為介紹水側架構，接著介紹為何無塵室可以做到恆溫、恆濕度條件，由下方MAU設備內盤管與空氣曲線圖，如 圖5所示說明。

MAU夏季供風介紹(1→2→3→4)

台灣的夏季為高溫潮濕狀態，設計條件為35℃、80%RH，台灣夏季的天氣狀態（空氣線圖位置1）。當空氣進入到MAU箱體後，將會遇到第二道12℃預冷盤管(Pre-cooling coil)（空氣線圖位置2），由12℃冰水所控制之盤管，設置目的為先將外氣進行溫度的調降，避免使用過多的5℃冰水。當通過12℃冰水所控制的盤管會來到加濕器，在此利用霧化的水氣將空氣中的相對濕度提升至95%。再來經過5℃冰水的除濕冷卻盤管（Dehumidified cooling coil）後（空氣線圖位置3），準確地將外氣的狀態調整至8.8℃、95% RH的狀態。最後再經由35℃溫水再熱盤管(Re-heating coil)將低溫的潔淨空氣加熱至所需要的溫度（空氣線圖位置4），才可將空氣供入無塵室內。

MAU冬季供風介紹(5→6→3→4)

當冬季來臨的時候，外氣設計條件為4.5℃、28%RH，為乾冷的狀態（空氣線圖位置5），當MAU吸入戶外的乾冷空氣後，需要利用第一道35℃預熱盤管（Pre-heating coil）先將空氣進行加溫（空氣線圖位置6），因經過加濕器所製造出來的水氣進行加濕（空氣線圖位置3），準確地將外氣的狀態調整至8.8℃、95% RH的狀態。最後再經由35℃溫水再熱盤管將低溫的潔淨空氣加熱至所需要的溫度（空氣線圖位置4），方才可以將空氣供入無塵室內。

目前溫水系統循環過程

由上述可知，在冬季外氣低溫條件下，無塵室所需要的溫水量非常可觀，目前廠區內溫水系統供應則是利用12℃冰水主機冷卻水系統提供由 圖6所示，溫水側部分（淺藍色路徑A→E），A為MAU溫水回水(23℃)經過溫水泵浦(B)產生溫水流動力，C為板式熱交換器（簡稱板熱）負載側入水口，經過熱交換器熱能交換產生35℃溫水(D)，再供應無塵室MAU提供溫水所需(E)。

運轉手法再進化─全熱回收溫水循環過程

在十四廠七期建廠完成初期剛好是11月中旬冬季，12℃冰水需要大量吸收熱量才能轉換供應35℃溫水，外氣溫度偏低又加上屋內設備在設置中、無運轉狀態（輕負載），僅有照明、變電站等基本用電量，一方面12℃冰水無法大量吸收熱源，二方面又加上需要大量供應35℃溫水狀態，因而轉向思考如何將5℃冷卻水熱源也加入35℃溫水供應。在不斷思考及實驗下，發現了新運轉手法，如 圖7及 圖8所示。。

溫水側部分與改善前運轉手法相同，唯一不同的是打開了未啟動12℃冰機之TCV07(11)溫控閥，如 圖9所示，就可以將5℃冷卻水熱源也加入35℃溫水供應。循環方式（橘色路徑9→12）為原本將要去水塔散熱之溫水(7)與5℃冷卻水之出水溫水(8)混和成35℃以上溫水(9)，藉由原本未開啟之TCV07(11)溫度調控，可將5℃冷卻水熱源也加入35℃溫水供應，再藉由RF(1)共通管方式回歸到5℃冷卻水回水形成一個循環系統，如此一來，12℃也不會因為開啟了TCV07(11)因而造成水量不足之情況。

原先在寒流期間外氣只要低於18℃以下，因12℃冰機負載過低，就無法產出35℃溫水，造成溫水失控，間接影響無塵室溫溼度變化。但運轉手法進化之結果發現，12月份下旬幾波寒流皆可溫定控制提供穩定之溫水，如 圖10所示。

冷卻水側部分（藍色路徑1→8）冷卻水塔回流水(1)與板熱回水(6)混水，由冷卻水泵(2)產生12℃冰水主機產生冷卻水流動力，接著經過12℃冰水主機冷卻水側(3)出口可產生35℃溫水出水，利用板式熱交換器(4)進行熱交換，由圖TCV07控制閥(5)控制板熱負載側出口溫度(TT04)為35℃溫水，再回流至冷卻水泵；因TCV07為35℃溫水溫度控制閥，若到達溫度時，部分的水量(7)會流至冷卻水塔散熱，成為12℃冰水主機產生冷卻水循環系統。

結果與分析

此種操作手法的改變，可由 圖3與 圖8整體冷卻水昇位圖比較可知。改善前，5℃冰機冷卻水與12℃冰機冷卻水分別至冷卻水塔內散熱，將熱量排至屋外，水溫於冬季時無法有效回收熱量再利用；改變運轉手法原理則是利用流體力學之─柏努力定律(Bernoulli Equation)概念：

柏努力定律

=位能+動能+壓力能

動能定值、壓力管損定值，改善前位能為52m，利用於RF層共通管路連通影響(35.2m)位能減少，光位能差就有1.68kg/cm²，而板熱壓損為0.5kg/cm²，相較之下就可將5℃冰機冷卻水熱能藉由共通管路連通回流12℃冰機冷卻水出水管至供35℃溫水之使用。

由於35℃溫水回收能力與12℃冰水輸出能力息息相關，在能量守恆的前提下35℃溫水回收能力最大值將與12℃冰水輸出能力相當。當12℃冰機的熱完全被回收至35℃溫水後若仍不足，依本文運轉手法，便可進行5℃冰機的熱回收。由於35℃溫水需求能力、12℃冰水輸出能力及5℃冰水輸出能力三者關聯性，故製作三者與外氣焓質之趨勢圖以說明全熱回收之現象。

如 圖11所示。焓值低於35Kj/Kg時，35℃溫水能力需求變大，若35℃溫水需求量大於12℃冰機冷凍能力時，35℃溫水會失控不穩，由圖可明顯看出此運轉手法可以將5℃及12℃所吸收之熱量全部轉移至35℃溫水所使用，延續35℃溫水量。

有了此經驗，在今年霸王級寒流來臨前，我們有因應措施：

減少熱能損失

主要關閉水塔風扇及水量，因5℃及12℃冷卻水將會經過冷卻水塔灑水後再回到冰機，若可減少散熱損失即可增加35℃溫水量。

熱能集中供應

關閉單冷12℃冰機及降低冷卻水泵頻率:關閉單冷冰機主要在於低負載冰機關閉，集中熱能於有搭配熱交換器冰機與熱交換，產生更多35℃溫水量；再者降低冷卻水泵頻率則是降低水流量產生更高溫度，可提供35℃溫水溫度。

增加熱能轉換

全熱回收操作手法─開啟未使用之熱交換器TCV07，如此一來可將5℃及12℃冰機熱能轉換為35℃溫水供使用。

將本次寒流資料作分析，如 圖12所示，目前廠內用量分析：12℃冰機能源用量於PCW及無塵室環境的負載約6,000RT，在外氣焓值35kJ/kg時，MAU第一道預冷盤管可說是無使用狀態；5℃冰機能源用量於目前一般區空調用量約5,000RT~2,000RT之間，隨著外氣變化偏小幅度降低；35℃溫水需求量於外氣焓值30kJ/kg時變大，對空氣加熱狀態，若外氣焓值持續降低至10kJ/kg時，將會是12℃熱能百分百給予35℃溫水，此時為全熱交換手法使用時機點。當然這不是唯一數據參考，也是會隨著廠區設備機台使用量而調整，但可讓廠務知道當下廠區用量及使用全熱回收時機點。

結論

在室內較小熱負荷及外氣低溫條件下皆可使用這運轉手法，原本廠區所有熱負載分配至5℃及12℃冰機給予冷卻，僅有12℃冰機之熱源轉換35℃溫水使用，5℃冰機之熱源直接排至大氣，而研究發現開啟未開機運轉之TCV07溫度控制閥，以自動調溫方式，可將5℃冰機之熱源也轉換為35℃溫水使用。本文也發現到可藉由歷史資料分析結果，當未來遇到寒流時，可預測12℃冰機之熱源達到外氣最低溫度限值，可穩定供應35℃溫水，預先做準備。