淺談廠區照明節能實務

前言

在半導體產業廠房中，設備及廠務各類型的用電設備不斷的增加電力需求，而照明設備除了在夜間提供生活上的必須照度外，也在白天的半導體廠作息占了重要的地位，有了它才能維持廠房的24小時運作，根據廠區用電量統計，照明用電占廠區2.83%用電量，因此在經過詳細的評估後發展了「照明節能控制系統」，可達到依工作需求決定照度，在照度需求下有效地控制照明迴路，提高照明設備的使用效率，達到在對的時間與地點提供正確的照明。且在節能減廢思維下，針對廠區避難標示燈電池每年8.2%異常率，提出改善方法及未來新建廠時規劃建議，期許達到節能減廢效益。

照明節能規劃

談各廠區照明節能困境

各廠區常遇到廠區照明電壓等級與現行市場電壓不一的狀況。目前世界各地工廠照明系統普遍的電壓等級為380/220V，如 圖1。照明設備製造商如OSRAM、GE、PHILIPS等均有設計及生產各種燈管規格的產品，但本公司廠內照明電壓等級為480/277V，。然而，此電壓規格的問題為產品的普及性較差，在燈管的選用及購買會受到相當大的限制。隨著目前環保節能議題的勢力抬頭，各製造商陸續研發節能省電的燈具及設備，如紅外線感應控制、超音波感應控制、自動感應式調光燈管、省電LED燈管等，但由於廠內特殊電壓的照明系統，面臨到有照明節能的想法、但無產品可使用，須請廠商再特製化277V規格，導致節能成本增加，不符合經濟效益，大大降低節能可行性。針對兩種電壓配置方式的比較，考量照明產品的通用性以及改善專案材料購買的方便性，建議在未來建廠時，照明電壓等級採用通用的電壓等級380/220V。

照明節能手法介紹

撇除電壓因素，再根據國際照明委員會CIE (International Commission On Illumination)所提出照明節能原則如下：

• 依工作需求，決定照度標準
• 照度需求下，利用節能照明設計
• 眼色性考量下使用高效率燈具
• 採用無炫光高效率燈具
• 室內採用高反射材料
• 處理照明與空調之間熱
• 設置節能管理設備
• 配合利用人工照明與自然採光
• 定期清潔維護照明器具

參考CIE上述九大照明節能原則下，撇除半導體廠的環境限制，如廠房內不能採用自然採光外，新建廠房規劃時就有對於燈具、安定器、燈管選用有所規範，採用T5/T8高效率三波長燈管，其燈管效率達96~100 lm/W，並配合使用高頻電子式預熱型安定器使用，較傳統式安定器節省20%~25%用電量。依據日本三菱公司研究，採用高頻燈管與電子式安定器、晝光利用、初期照度調整、時間設定控制、感知控制等，可省下照明用電66.5%，如 圖2。扣除初期規劃節省的20~25%外，再搭配晝光利用、初期照度調整、時間設定控制、感知控制，省能比例可達42.5%，可見導入照明節能控制設備之重要。

自動照明節能系統規劃

由於系統未設置前，廠區為24小時100%照明，若要進行夜間照明節能，必需現場手動進行關燈，造成人力負擔又無法確認執行成效，因此廠區在現行的照明架構下，思考如何去達到節能的需求，且能滿足法規照度的要求，做到節能的需求。

節能區域

Dirty Sub-Fab為廠內維修保養的主要區域，估算可節能燈具數量為4,528盞，一年的節能效益為2,501,998kWH，在未節能前照明常常維持100%，當人員忘記隨手關燈時，就會造成能源浪費。Dirty Sub-Fab節能區域為1、2及地下1樓。

照度量測

本套系統主要是建立在當使用者有照明需求時，可以達到法規要求照度，因此照度量測主要是當照明節能25%、50%、75%時是否能維持非施工中的基本照度，量測方式及量測值如下。

量測點：每2.4公尺量測一點，共15點，如 圖3。

量測值：當照明節能50%時，三點平均照度>100lux，如 圖4。

硬體架構

硬體設計架構，如 圖5。其包含了既有LPB盤迴路改接及PLC控制盤。

既有LPB盤迴路改接，將迴路控制由現場開關，更改為PLC控制盤MC (magnetic contactor) B接點(normal close)控制，使用B接點控制，主要考量為當電力壓降或是MC異常時接點狀態為fail to close，避免照明全黑。

PLC控制盤：PLC + MC控制

PLC規格：DI / DO可擴充模組x7

MC規格：接點電流最大可承受22.5A，輔助接點2x NO/NC

通訊架構：廠內SI/DCS網路架構裡都為廠務各系統重要之SCADA，考慮風險分散及重新拉設光纖網路到值班室(FMCS room)又會造成建造成本增加，因此盤查了廠內各個監控系統後，選擇了PD (Partial Discharge)通訊網路，做為各站與FMCS通訊，如 圖6。

軟體架構

使用軟體：Intouch

其優點是具有圖形化用戶介面(GUI)，讓使用者可以非常易於使用及直視，且可以將照明節能系統整合至SI系統，不需再透過其他OPC軟體。

使用者介面規劃：主要分為首頁、照明控制、排程設定、通訊/警報狀態。

• 首頁：包含了整個控制區域的資訊，也就是PLC盤及即時的用電資訊，讓使用者可以快速的進入欲開關燈的區域，同時也設立緊急開關，若遇緊急事件時可以讓該區域照明達到100%，如 圖7。

  圖7、首頁畫面

  
• 照明控制：廠內照明設計為3N電(一般電)+1Ｕ/E電(緊急電)，照明節能系統主要是控制3迴N電；另1迴Ｕ/E電基於緊急狀況時，為確保基本照明，故不在此系統控制，維持25%常亮，在照明為50%時，其基本照度可以維持在100lux以上，因此節能區域平日維持為1N(AUTO)+1U(常亮)50%照明，如 圖8。當有照明需求時人員通報所在Phase/樓層/柱位，值班人員即可進入該畫面將照明打開，提供對的時間對的照明。

  圖8、照明控制畫面

  
• 排程設定：平日節能時段為07:00~19:00維持照明50%，假日則搭配萬年曆照明為25%，其他國定假日則搭配公司行事曆照明設為25%，於每年台積電行事曆公布後手動設定，如 圖9。

  圖9、排程設定

  
• 通訊/警報狀態：主要是於alarm table顯示目前的迴路的開關狀態，並進一步的將alarm分為group，避免有大量的警報出現時忽略了重要的警報，如 圖10。

  圖10、通訊/ 警報狀態

  

照明管理

由於本套照明節能系統，控制權在廠務的FMCS Room，因此在實施節能時，需先通知ISEP，進行全廠及承攬商宣導，廠務也於各樓梯及主要出入口設置告示牌，進行節能宣導。且於節能初期收集使用者回饋之訊息進行改善。

長期使用區域，如設備於無塵室的原物料(Parts)備品區：現場會勘調整燈具位置。

照明管理SCADA離值班電腦太遠，人員無法及時操作：調整照明SCADA至值班電腦前。

夜間加班時間無法配合19:00關燈時間：該區域延長關燈時間至21:00

節能確效分析

施作前以廠內之燈具盞數計算，預估每年照明節能為2,501,998度。系統建置後經由廠內ACB低壓盤Metter推估計算，照明50%、25%時一年總節能度數可達到3,148,3862度，如 圖11。

避難標示燈電池減廢

目前廠區消防照明設備自檢，年異常率約為8.2%，且因設備分散廠區各處，造成每年需花費大量人力進行更換，檢討發現避難標示燈異常主要是發生在電池，因此在降低維護費用及減少廢棄電池的需求下，針對既設廠內避難標示燈電池選用，在出口燈以及避難方向指示燈電池選用上，改採用鎳氫電池，其使用壽命可由3年延長至5年，減少維修成本。緊急照明的部分，電池的選用則可改採用閥調式鉛酸電池，使用壽命可由2年延長至5年，電池平均每年使用的單價由每年NT$50降為每年NT$24，節省了52%的電池材料費用；並且維修更換的人力也可減少，原本兩年需更換一次電池，變成五年才需更換一次電池，電池更換的人力節省了60%，更重要的是因壽命延長，也達成了電池減廢的功效。而新建廠則建議採用耐燃電纜加廠務UPS電力供應(電池集中管理)。如此一來，無需任何電池更換的人力需求。依據各類場所消防安全設備設置標準第235條，需採用耐燃電纜(FR) : 840℃/30分，原有XLPE電纜(40元/米) V.S新設之耐燃電纜(141元/米)，一個新建之單一廠區電纜長度約2.7萬米估算，需再花費272萬之建置費用，如 圖12。

結論與未來展望

照明節能系統於廠區共建置了PLC盤36組、照明SCADA 2組，由確效分析推估可看出確實可以達到節能效果，其R.O.I為每年0.836，每年可減少用電3,148,386度，雖然照明節能佔廠區的總用電相對照下為少量，但換個角度想當建造了這套節能系統，就好像建造了一棟房子，可以每年收租不用再付出多餘的費用，建議各廠可以一起討論出最佳的照明節能方案。

雖然照明節能系統可作到排程控制及提供對的時間、對的照明，但是基於好還要更好的前提下，提出以下幾點供未來建置人員參考，建立出更智慧的照明節能控制系統發展，及廠房照明規劃。

• 使用者可以更直覺化的操作，如使用觸控螢幕。
• 搭配紅外線感知器，設置於走道區，當有人員進入時再開燈。
• 分析各電盤開關時數，推估最佳運轉模式並計算節能成效，找出可再節能的潛在區域。
• 將開關燈的控制權交由現場人員，改用電話語音控制，不需透過值班人員，減少值班負擔。
• 檢討非黃光區的燈管採用，如評估使用LED燈。
• 考量照明產品的通用性以及節能材料購買的方便性，建議在未來建廠時，照明電壓等級採用通用的電壓等級380/220V。
• 避難標示燈，新建廠建議採用耐燃電纜加廠務UPS (電池集中管理)，降低維修人力需求及鉛酸電池用量。^[1][2][3]
• 目前廠內使用之燈管以T8為大宗，在環境保護前提下建議新建廠改用T5燈管，因T8使用液態汞常溫下以液態呈現，T5則使用汞合金常溫下為固態，當廢棄燈管破裂時，所造成的汞汙染機率大幅縮減。