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簡報大綱 R e p o r t O u t l i n e

空調系統節能實務分享

節能實務與能源管理策略 /空調

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簡報大綱 R e p o r t O u t l i n e

簡報大綱

R e p o r t O u t l i n e

TSMC Property

• 冰水設備節能實務

• 空調設備節能實務

• 製程排氣設備節能實務

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http://www.nordridesign.com/

TSMC Property

Energy

Saving 空調設備

排氣設備

冰水設備

━ MAU最佳冰水分配

━ 冬季MAU最佳化設定

━ AW 節能及冷凝水回收

━ 電腦機房空調改善

━ 無塵室洩漏改善

━ 泵浦變頻運轉

━ 全智能冰機系統

━ 水塔節能風扇

━ 冷凝器趨近溫度

━ 熱泵取代鍋爐

━ 有機廢氣處理設施廢熱回收

━ GER導入MAU&AHU

━ Chemical Tank/製程排氣減量

━ LSC RCW/HJ/N2 減量

━ LSC 智慧節能

冰水設備節能實務

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TSMC Property

冰水設備節能實務

━ 改善冰水系統運轉效率、最佳化控制，以達節能目的

━ 設備主要節能措施

● 冷卻水泵安裝變頻器，減少運轉能耗

● 冰水系統一、二次冰水泵安裝變頻器

● 冷卻水塔節能風扇

● 海棉球自動清洗系統運用

● 極化冷凍油運用

3

冷卻水溫(C)

系統效能(Kw/

RT)

冰機&冷卻水塔最佳化節能操作溫度

冰機耗能曲線

冷卻水塔耗能曲線

4

4

2

冷卻水塔 (變頻控制)

冰機

一次冰水泵

二次冰水泵

冷卻水泵

冷卻水塔

負載

冷凝器

2

1

2

3

4

冷卻水溫最佳設定點

系統運算找出冷卻水溫最佳設定點曲線點

冷卻水溫依鐘擺原理自我擺盪修正運轉至最低耗能點

1

4


TSMC Property

冰水設備

泵浦變頻運轉

━ 泵浦相似定律

● 流量（Q）的變化與轉速（N）成正比

● 壓力（H）的變化與轉速（N）成平方正比

● 電力（P）的變化與轉速（N）成三次方正比

Pump/Fan相似定律特性曲線

3

2

s

m

S

m

s

m

S

m

s

m

S

m

n

n

P

P

n

n

H

H

n

n

Q

Q

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TSMC Property

5.5℃ 6.0℃

R-123壓焓圖

冰水設備

5°C冰水溫度調升

━ 依實際需求而適當調整供應溫度以節省冰機之能源，由莫里爾曲線得知冰機每調升1°C可節能3%。

━ 5°C冰機出水溫設定現在為5.5°C，將溫度調整至6.0°C，調整後需檢查重要區域閥開度是否大於90%。

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kW 值與出水溫度

kW值

5冰機供應溫度水溫調整

3750

3650


TSMC Property

冰水設備

冰機N+1運轉模式最佳化

━ 由歷史資料數據化冰水流量，使冰機維持N+1 運轉，達成最佳化節能運轉模式。

━ 以De-couple流量對現場負載量及耗電量作Big data 資料分析

━ Benefit：找出Reflow最佳流量1,400 CMH。

Y=kW X=reflow

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TSMC Property

最佳節能控制程式 (KPI:0.58kW/RT)

Before(KPI:0.62kW/RT) 傳統控制點

冰水設備

四季交響曲自動變溫控制

━ 分析水塔散熱性能曲線找出最佳出水溫度之控制程式。

━ 依冰機莫里爾曲線&泵性能曲線，分析兩者耗能關係，找出最佳冰水供應溫度之控制程式。

UCP2UCP2

外氣焓值/ 濕球溫度

冰水主機

冰水泵冷卻水泵

冷卻水塔分析水塔散熱性能曲線找出『最佳出水溫度之控制程式』

依冰機莫里爾曲線&泵性能曲線，分析兩者耗能關係，找出『最佳冷卻水溫差之控制程式』

依冰機莫里爾曲線&泵性能曲線，分析兩者耗能關係，找出『最佳冰水供應溫度之控制程式』

廠區冷房負載

y = 0.0036x2 - 0.4489x + 13.151

(R² = 0.9992)

y = 0.1158x - 0.0036

(R² = 0.9997)

y = 4E-05x2 + 0.0039x +

35.405 (R² = 0.9996)

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TSMC Property

調整前 Avg. KPI 0.62 KW/RT

調整後 Avg. KPI 0.58 KW/RT

KW/RT 調整前後差異

冰水設備

全智能冰機系統節能

━ 全智能冰機系統依負載需求，自動調整冰水供應溫度及設備運轉數量。

● 5°C/12°C/35°C出水溫度自動調整

● 冰水主機依系統 Loading 單機頭自動起停機

● 冰水泵系統供應以壓差最佳化

━ 節能預估：6.4%

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TSMC Property

冰水設備

冷卻水塔節能風扇

━ 在相同水塔效率及風量之下，降低馬達輸出功(軸馬力)。

━ 更換節能風扇，降低軸馬力180HP→145HP。

━ 現行風扇葉片選用效率68.6% ，選用新式風扇效率82.8%(高效能塗布材料)，相同的頻率運轉耗電量降低18%。

● 建置成本：NT$ 800K/set， ROI = 2.7年

傳統風扇新式節能風扇

55Hz

節省 23kW (18.4%)

Before After

節能18.4%

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TSMC Property

冰水設備

冷卻水塔節能風扇

━ 比較表

水塔翼型葉片扭曲度差異

傳統葉片(曲度小) 節能葉片(曲度大)

高效率節能風扇效率>80%

扭曲度小扭曲度大

傳統葉片(曲度小) 節能葉片(曲度大)

傳統葉片節能葉片

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TSMC Property

冰水設備

冷卻水水質控制

━ 冷卻水水質影響冰機效率是不易觀察的潛在風險。

━ 開放系統易滋生藻類，造成冰機熱交換變差，耗電量增加，因生物膜熱傳導率僅銅管5%。

━ 長時間對銅管與冷卻水管路造成腐蝕，造成冰機及管路異常。

冷卻水水質管制條件

PH (水質酸鹼指標) 6.8 ～8.8

M-鹼度 ppm (水質酸鹼指標)

TSMC Property

冰水設備

海棉球自動清洗

━ 海棉球自動清洗系統 ACTS (Auto Clean Tube System)

● 將軟質海棉橡膠球以氣液壓控制動作推送進入熱交換器入口端，適

時有效的通過熱交換器之每一根銅管。

● 每20~30分鐘洗1次。

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TSMC Property

冰水設備


━ 海棉球自動清洗系統成果

━ 效益

● 安裝ACTS趨近溫度約降低1°C，冰機耗電量約降低 2.5%。

◆ 冷凝器清洗之費用約NT$ 20K/年。

● 海綿球每台200顆，一年補充兩次，費用NT$ 4K/年。

0

1

2

3

4

5

6

7

(Ap

pro

ach

Tem

p.(

oF

)

Time(day)

Chiller Approach Temp. Trend Chart

#1(w/i ATCS)

#2(w/i ATCS)

#3(w/o ATCS)

#4(w/o ATCS)

#5(w/o ATCS)

#6(w/o ATCS)

#7(w/i ATCS)

#8(w/i ATCS)

#9(w/i ATCS)

9CH Approach Temperature

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

3/9

3/1

0

3/1

2

3/1

3

3/1

5

3/1

7

3/1

8

3/2

0

3/2

1

3/2

3

3/2

4

3/2

6

3/2

7

3/2

9

3/3

0

4/1

4/2

4/4

4/5

4/7

'C

9CH-09

9CH-10

9CH-11

平均下降0.8‘C

Item 9CH-09 9CH-10 9CH-11 Remark

2010 Average (OC) 1.17 1.37 1.07

2011 ACTS Set up (OC) 0.33 0.43 0.23 Data collection from 2011 3/25 to 4/7.

Difference (OC) 0.84 0.94 0.84

Energy Saving Percrntage (%) 2.09% 2.38% 2.10% 1OC saving about 2.5% .

Saving Cost (NTD) 221,639 251,352 222,583Chiller fully power 755kW, 80%

1kWh=2 NTD

Total Saving Cost (NTD)Initial Cost about 1,300,000 NTD

Payback = 1.56 year695,575

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PM 保養



TSMC Property

冰水設備

熱泵種類

━ 熱泵加熱性能係數COP都大於3以上，能取代傳統電力、瓦斯、柴油熱水鍋爐加熱系統，節省運轉費用>50%。

━ 熱泵種類

● 空氣對水取熱型 (air-to-water)：大氣、冷房。

● 水對水取熱型(water-to-water)。

◆ 空調系統冷卻水(冰水機廢熱)，製程廢熱水(無塵室, 殺菌爐…)，空調冰水(冷房)。

● 地熱源型 (Ground-coupled)：地下水、地底。

空氣對水取熱型

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TSMC Property

冰水設備

熱泵取代鍋爐

━ 純水再生時使用熱水由電熱鍋爐製造，平均耗電量較高。

━ 熱泵因COP高(5.2)且冷側可供冰水使用，可達到節能之目的。

━ 每年節能：Boiler耗能-熱泵耗能+熱泵冷側節能。

鍋爐平均用電237kW 熱泵平均用電82kW

節能65%

X

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TSMC Property

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TSMC Property




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TSMC Property

Energy

Saving 空調設備

排氣設備

冰水設備

━ 空調箱最佳冰水分配

━ 冬季空調箱最佳化設定








━ 熱泵取代鍋爐

━ 有機廢氣處理設施廢熱回收


━ Chemical Tank/製程排氣減量

━ LSC RCW/HJ/N2減量


空調設備節能實務

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TSMC Property

空調設備

外氣空調箱最佳冰水分配

━ MAU(外氣空調箱)由12°C及5°C負擔除濕/降溫所需冷凍噸，因為12°C冰水製冷成本較低，加以調配後，降低5°C用量轉由12℃冰水負擔。

━ 冰水最佳配置：

● 12°C/5°C KW/RT → 0.46 VS. 0.56。

● MAU 5°C冰水↓、12°C冰水↑(效率較佳) 。

● 程式自動因應外氣焓值調節 12°C冰機用量。

5°C and 12°C冰水用量變化

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TSMC Property

空調設備

外氣空調箱溫度調降

━ 無塵室溫度主要經由乾盤管DCC(Dry Cooling Coil)作精準控制，視 DCC 的裕度進行MAU出口溫度調降，減少冰水負載。

━ 出口溫度調降23°C→17°C。

━ 每台焓差6.5 kJ/kg，節能計算：風量 * 焓差。

SP: 23℃ →17 ℃

RT=Q(m3/h)x1.2(kg/m3)x

ΔH(kJ/kg)/4.2(kJ/kcal)/3024

(kcal/RT)

NT$M/Y

kJ/kg

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TSMC Property

空調設備

冬季最佳化設定

━ 冬天寒流期間避免溼度過低，MAU需開啟第一道熱盤管預熱空氣，才能在經過AW後充分加濕。

━ 保持第2道冰水用量，降低第1道預熱溫度(焓值由36→32 kJ/kg)。

━ 維持MAU除濕與再熱盤管流量不變，維持溫溼度控制穩定。

━ 節能計算：運轉風量 * 焓差。

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TSMC Property

空調設備

冷凝水回收

━ 利用白努利原理回收MAU除溼盤管較潔淨之冷凝水至 AW Tank 內，減少DI Water 的用量。

● 冷凝水回收示意圖

━ Benefit & ROI

● 節電能: (台數)*水量(噸/天)*365(天/年)*DI水電費(kWh/噸)

● 節水: (台數)*水量(噸/天)*365(天/年)

● 建置成本: NT$17K/台，ROI = 0.7年

入風供

風 AW TANK

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TSMC Property

AMC(NH3) simulation Result MAU Power trend

空調設備

AW 變頻節能

━ AW(Air Washer) 安裝變頻器，可依外氣條件調整最佳化轉速。

━ 變頻減少管路壓損，保持 NH3去除率 > 90%。

━ 節能209KWH，ROI = 1.1年。

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TSMC Property

空調設備

電腦機房空調(Row cooler)

━ 目前為冷熱通道設計(如下圖) 匹配及平衡各區負荷平均每台可省 3~5%冰水開度，且增加冷熱通道隔間。

━ 每台Row cooler 70kW；約可省 3kW冷凍能力。

━ 節能計算 : 依照電腦機房流量計，前後差值作驗證。

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冷通道熱通道熱通道

Row cooler


TSMC Property

空調設備

電腦機房空調改善(PAH)

━ 廠內電腦機房空調設計為迴風控制，無法真實反映機櫃端實際需求溫度，易造成空調浪費的現象。

━ 修改機房出風控制，增設溫度監控 (20°C即可)。

━ 節能計算：風量*焓差，ROI = 1.3年。

出風溫度調升

冷熱通道模擬

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TSMC Property

灌漿牆與梁、柱接合處之裂縫 Deck板溝槽與牆板未氣密

空調設備

建築物空調洩漏改善

━ 在晶圓廠潔淨室需要保持正壓，所以建築物的氣密性顯得重要，一旦有縫隙都會造成多餘耗電與濕度異常。

━ 常見幾種洩漏的狀況：鋼承板Deck、鋼構/RC縫隙。

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TSMC Property

━ 兩種偵測器輔助抓漏：紅外線熱顯像儀及溫溼度計。

紅外線熱顯像儀溫濕度計

距離遠 , 範圍廣 , 速度快近距離 , 範圍小 , 耗時

單價數萬元~數十萬元單價數萬元

溫差大區域溫差小區域 27

空調設備

建築物空調洩漏改善


TSMC Property

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TSMC Property

Energy

Saving 空調設備

排氣設備

冰水設備

━ MAU最佳冰水分配

━ 冬季MAU最佳化設定








━ 熱泵取代鍋爐 ━ 有機廢氣處理設施廢熱回收


━ 製程排氣減量

━ LSC RCW/HJ/N2 減量


製程排氣設備節能實務

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TSMC Property

━ 提升VOC (Volatile Off Compound) 系統之節能效益，增設第三道熱交換器用以回收煙囪排放之熱氣做為燃燒器預熱用，降低天然氣用量以節省運轉氣費。

━ 改善後每年共節省15~20% 瓦斯量。

━ ROI：約2~3.5年(視天然氣價格)。

11.14元/M3@ (3.2.2017)

排氣設備

有機廢氣設施廢熱回收

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TSMC Property

排氣設備

GER導入MAU & AHU

━ GER(General Exhaust Reuse) 設計為一般環境空間排氣或機櫃散熱所需之排氣。

━ 經量測排氣溫度25~28°C，排氣品質達ppb 等級，確認可回收再利用。

━ 經過前處理後，將其導入非無塵區域進行再利用，可直接減少降低MAU & AHU之冰水使用量，藉以達到節能目的。

━ 節能：NT$ 3M/年

WWT AHU

Sub-Fab AHU

OA

RA

RA

GER

Header

OA

1F

B2F

開Tee

25~28°C

HPM MAU

4F

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TSMC Property

━ 減少排氣風車之耗電量與製程排氣風量，並減少昂貴的潔淨室空調補氣。

● 符合SEMI規範並調整及進行最低值之合理化。

● 減少不影響製程運作之Exhaust靜壓(排氣量)。

● Chemical box & Gas box及氣瓶櫃進行Seal。

━ 節能：製程排氣減量4.2%。

排氣設備

製程排氣減量

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Chemical VMB (SEX) Gas Cabinet (SEX) Chemical MDU (AEX, SEX)


TSMC Property

━ LSC 設計用RCW(Recycle Cooling Water) 冷卻循環水，以帶走爐內高溫，在不影響 LSC機台運轉的狀況下可減少RCW進水流量，降低RCW Pump 轉速達成節能效益。

━ 節能：LSC RCW Pump 節電 2.3%。

1123111212

11197

11150

1110811091

11083

11059

11007

10900

11000

11100

11200

11300

w227 w228 w229 w230 w231 w232 w233 w234 w235

P3/4 PCW 總

流量

流量(CMH) 機台數(Set)

A減量 B減量

31143109

3105

30903087

30823079

3061

3043

3000

3050

3100

3150

w227 w228 w229 w230 w231 w232 w233 w234 w235

P3/4 PCW

總用電量

機台數(Set)用電量(KW)

A減量 B減量

總流量用電量

排氣設備

Local scrubber RCW 減量

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TSMC Property

排氣設備

管路加熱帶最佳化

━ 維持管路的溫度，製程所產生的廢氣生成物不易沉積或堵塞。

━ 針對不易阻塞的管路加熱帶調低溫度或關閉，易阻塞的加厚保持溫度。

━ 實際量測可以節省 20%電能。

15mm

30mm

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TSMC Property

Main tool

Controller

LSC(省N2/NG/O2)

Dry Pump

Server Wafer

排氣設備

LSC智慧節能

━ 利用機台Run wafer空檔，提供信號給Local scrubber及真空 Pump，其Utility (氮氣/天然氣/氧氣) 即停止供應，可節省LSC utility ~15%。 (此節能系統已考量安全模式，當信號異常時立即回復正常燃燒模式)

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