動態節能外氣空調箱

前言

台灣自1989年引進「智慧建築」之概念，台積電於2005年綠廠房思維興起，除了維持穩定及高品質供應的廠務系統發展，也一直朝著節能運轉發展，在廠房設計之初，即導入綠建築，建造了省水省電的晶圓製造工廠，從源頭上就開始做對的事。但在實際運轉上，還必須依照經驗與專業知識調整參數並累積數據，建造並導入智能系統才有辦法完成一連串的節能運轉的任務。

縱觀無塵室空調各系統組成中，外氣空調箱（MAU）設備元件最會影響潔淨室內條件的控制，其功能最主要在維持室內正壓、外氣微塵粒過濾及潔淨室內相對溼度的控制^[1]；其消耗之能源也最大，能量運轉大約耗冰水主機的噸位一半以上，如台積電2015耗電75.2億度電，廠務空調即佔了27%(19.6億度電)，因此在節約能源考量下可從MAU作改善。

MAU通常依據功能要求來設置風機、冰水盤管、熱盤管、濾網、加溼器、空調箱、送回風及旁通風門等；並經由風管將外氣送至潔淨室之回風管道或是回風層，與回風混合後再經乾盤管降溫冷卻由風車或是風扇過濾單元(FFU)送至潔淨室內完成潔淨空氣循環^[2]，如 圖2所示。

文獻回顧

「智慧建築」之概念應用於外氣空調箱

依照美國智慧建築學會(American Intelligent Building Institute, AIBI)的定義，「智慧建築」係指透過結構、系統、服務、管理等四個基本要素及其間相互關係優化設計提供一具備高效及成本經濟效益的建築空間環境。歐洲智慧建築聯盟(Intelligent Building Group, IBG)智慧建築定義係指創造一種可以使用戶發揮最高效率的建築，同時達到最低維護成本、有效地管理自身資源，提供快速反應，高效率和環境的支持力，使用戶能達到實現其業務之目的。

MAU之功能與架構^[3]

如 圖3所示，MAU主要引進外氣經過處理後，可提供無塵室穩定的溫溼度，並維持室內正壓，防止並除去空氣飄遊之微塵粒子及化學物質。傳統MAU固定設定值控制即可因應各種不同氣候外氣條件，包含溫度、絕對克數、焓值等，透過各道盤管控制設定，達到提供穩定供風予無塵室使用。因傳統控制上設定上皆為定值設定，但定值控制下，無法即時因應外氣狀況和現場負載進行最佳化設定控制。

在計算外氣空調箱耗電時，必須以能量及質量的平衡來分析；能量平衡如方程式(1)所示；其質量平衡如方程式(2)所示。

QOA+QFan+QAW+QHC+QW+QE=QCC1+QCC2+QMA ...... 方程式(1)

其中QOA表外氣能量、QFan表風車能量、QAW表空氣洗滌器加入之能量、QHC表預熱盤管能量、QW表加濕器加入能量、QE表箱體熱獲得、QCC1表預冷盤移出能量、QCC2表除濕盤管移出能量、QMA表空調箱出風能量。

MOA+MAW+MW=MCC1+MCC2 +MMA+MP ...... 方程式(2)

其中MOA 表外氣質量、MAW表空氣洗滌器加入之質量、MW表加濕器加入質量、MCC1表第一道冷盤移出質量、MCC2表第二道冷盤移出質量、MMA表空調箱出風質量、MP表微粒移除的總質量。

MAU 盤管之功能說明

• 預熱盤管：透過焓值設定，於外氣條件低溫低濕（絕對克數偏低）時，將外氣預熱至經過水洗加濕後可達設定絕對克數之條件，盤管使用為35℃溫水。
• 預冷盤管：透過溫度設定，將外氣預冷至設定條件後，進入水洗段清洗加濕降溫，使用12℃冰水。
• 除濕盤管：透過絕對克數控制，將經過水洗後之空氣，透過冷凝除濕將空氣絕對克數調節至符合無塵室需求條件，使用5℃冰水。
• 再熱盤管：透過溫定設定，將經過除濕盤管後之低溫空氣，再熱至符合無塵室需求條件之乾球溫度，使用為35℃溫水。

MAU以雙溫冰水設計^[4]

第一道預冷盤管，以較高溫之冰水供應；而第二道除濕盤管，則為低溫冰水供應，如此可提供CHU (Chilled Water Unit)系統冰水溫度，減少冰水主機耗電量，達到節能目的。由過往的5℃與9℃，演變至今的5℃與12℃。^[5] 圖4和 表1

MAU 溫溼度控制說明

MAU藉著以上四種不同的盤管，即能在不同氣候下維持無塵室換恆溫恆濕的環境，如 圖5所示。

在夏季時，MAU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，將會遇到第二道預熱盤管（空氣線圖位置2），由12℃冰水所控制之盤管，設置的用意是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℃冰水盤管的除濕冷卻盤管後（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），方才可以將空氣吹入無塵室內。

在冬季時，MAU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℃預熱盤管先將空氣進行加溫到達（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），方才可以將空氣吹入無塵室內。

計畫方法

冰水主機以監控及資料擷取系統（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）配合可程式化邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）和進行遠端監控及運轉資料收集；無塵室空調系統，則以分散式控制系統（Distributed Control System, DCS）進行控制監視。兩套系統為上下游關係，設計上彼此運轉不互相干涉，僅能依照初始設計進行控制 圖6。為了找出節能運轉可能性，將兩套系統以物聯網概念連結進行動態智慧自動控制。^[6]

導入物聯網概念，連結了冰水主機與無塵室空調運轉資訊與參數整合 圖7，包含空調箱與無塵室、外氣天氣資訊、雙溫冰水主機負載狀況條件，確認冰機運轉負載效率最佳區間，及找出無塵室空調MAU預冷盤管設定值變動最佳運轉點，最後才能進行整合發展出新的控制邏輯創造出智慧空調。

動態智慧化自動控制

如 圖8可看到12℃冰機在產生冰水的指標KW/RT明顯低於5℃，意指產生同樣冷凍噸的冰水，但是能耗較低，且12℃冰機60-80%負載時，效率最佳；5℃則是80%時最佳。新的控制邏輯主要強化了雙溫冰水使用量調配的概念（油電車驅動） 圖9，除了盡量使用高溫冰水進行預冷除濕，且讓冰水主機運轉在效率最佳點；再者，由無塵室空調循環中可發現降低MAU出風溫度，可減少循環冷盤管(DCC)冰水量，等於同時減少MAU再熱盤管35℃溫水用量及DCC的12℃冰水用量。但DCC反應著無塵室的熱負載，而無塵室熱負載是隨時在改變。因此最後藉著DCC的開度狀況直接動態改變MAU出風溫度，由最後發展出預冷盤管及再熱盤管動態改變設定值最佳化之全智能無塵室外氣空調箱。

結果與分析

如 圖10所示，動態改變外氣空調箱預冷盤管設定參數之結果，如 圖11約有1000冷凍噸由5℃轉移至12℃，且可發現於2014年並無此狀況，且系統可負荷下盡量使用12℃進行空調降溫除濕，計算節能成果，十二廠四/五期一年可省150萬度電；另外動態改變再熱盤管溫度設定後，十二廠四/五期一年則可省312萬度電。將節能成果送至公司內部提案系統發表，並完成IE公證節能效益。

結論

台積電2015耗電75.2億度電，廠務空調系統即佔了26%（19.6億度電），本文以物聯網連結相關資訊，導入智慧建築概念，並運用油電混合原理，最後發展出動態改變無塵室空調箱盤管設定參數之結果，改變了傳統固定值設定運轉之方式，將無塵室空調箱注入智能，進化為超完美動態智能空調箱 圖14，每年可節能1.5%，10年可15%，若推廣到十二吋廠廠務，則可產生更龐大之效果，促進環境永續經營，符合台積電公司環境保護政策。