高科技厂房排气系统节能

■ 工业技术研究院环境与安全卫生技术发展中心 / 黄建平■

高科技厂房排气系统节能

在现有的半导体与光电等产业之高科技厂房中，其厂务系统内之制程排气系统通常具有相当的复杂性与极大的变动性，往往建厂时期的初始设计值或是某个时间内的现场量测值常常无法代表现有排气系统运转的特性，因此，造成排气系统的不良运转与能源浪费。本文将描述如何有效利用制程排气监测系统的安装，以掌握整体运转现况，进而采用正确的控制模式与适当的调整方式来修正系统的运转状况，最后达到有效节省能源的目的。

半导体与光电厂的制程具有阶段性扩充产能、随订单变化制程、连续生产及高度控制制程环境的特性，从开始量产到产能满载的排气需求变化很大，排气系统的性能对产品质量有相当程度的影响。目前在科学园区内，几乎各厂都是以产能达到满载时的排气需求来设计排气系统，产能未达满载时就藉由变频器改变马达电源的频率，调节风机叶轮的转速至满足生产所需排气量，同时尽量节省能源。

然而许多案例显示，排气系统的性能与安全问题一直困扰着厂方，不论是无法达到设计风量，或是因为制程需求不同而排气分布不理想造成排气量过大与不足，亦或是付出庞大的运转维护成本等问题。另外，在建厂二至三年之后，因管路及设备的老化、长时期的腐蚀与粉尘累积阻塞，以及产能扩充机台增加的情形下，常发生机台或处理设备的风量或静压不足，引起机台或设备当机，产生安全卫生或是产品良率的问题，严重的则会在管内或Local Scrubber内起火引起火灾爆炸危害，使得风险性相对提高。

故整体来说，半导体与光电厂的排气系统最关心的就是安全与效率的问题，如何让排气系统能在安全状态下高效率运作是每个半导体厂殷切盼望的。基于以上的种种问题，解决之道除了利用量测的方法来加以分析调整外，最有效的方法仍是利用排气监控系统来实时监测与控制，毕竟藉由量测的方法来判定排气系统的运转状态只是一时之间的情形，而且量测的工作不仅费时又费力，高处的量测作业更具有危险性，因此对于变幻莫测的半导体与光电厂之制程排气系统，利用可随时掌握状况的监控系统才是所有问题的解决之道。

要达到排气系统节能可以从降低风机运转压力、降低风机运转风量及提高风机运转效率三个方面着手。在排气系统运转中，其电能的消耗若排除处理设备的耗能外，真正会导致能源消耗的地方也只有排气系统的风机本身，所以若要达到节能的目的就必须了解风机耗能的原理。通常风机的效率可以由下列的经验公式一窥端倪：

从以上的说明可知，若要降低风机运转时的消耗电量，则必须有效降低风机的运转马力数，而降低风机的运转马力数则有以下三个方法：

一、降低风机运转压力

风机运转的目的除了要提供一定的风量外，最重要的就是要克服排气系统中所有组件的压损，包含机台的入口损失、输送管路的摩擦损失、处理设备的压损、风机本身的系统效应以及废气排放烟囱的摩擦与出口损失等。而要降低风机运转的压力时，就必须藉由正确且精细的设计以及优良的施工质量，才可有效达到低压损的运转目标。但是该部份的方法应在建厂初始设计时就考虑到，若是到了实际运转阶段才考虑到要降低运转的压损时，则所花费的修改成本通常极为庞大，除非在已影响到制程或安全等情况下且别无他法时，才可采用此法，而且应在修改前作详细的量测、评估与设计，以免花了钱亦得不到预期或明显的效果。由于此方法属于建厂时的设计或修改管路时的考虑，因此本文中不再多作介绍。

二、降低风机运转风量

排气风机的风量规格通常在建厂初期即根据机台的需求风量加总后决定，为了确保实际运转后不会有风量不足的问题，所以必定会取相当的安全系数，例如1.10、1.15、1.20或更高，然而这也导致厂务人员在实际运转后采用极为保守的控制方式。但排气风量过高造成的能源浪费不只是排气风机本身的电能消耗过多而已，因为排气的风量过多时，相对地空调侧所需的补充外气亦需大量的加入，以维持无尘室内的正压要求，但因为无尘室温湿度的严格要求，补充外气便需经过相当耗能的处理后才可送至无尘室中，而这些处理、输送等设备所须消耗的能源保守估计约为单纯排气风机耗能的二十倍左右。因此，如何降低风机运转风量将是排气节能最重要的方法，而其详细的运作模式将在后续的内容中加以叙述。

三、提高风机运转效率

虽然风机的选用在建厂初期的设计阶段即会经过一定的程序来决定，包括风机的设计运转压力与设计运转风量，然而设计的优劣、制程的变动、产量的扩充等因素都会直接或间接影响到风机实际的运转点，即使在变频器的控制下，其与原始的设计运转点或系统特性曲线都可能有大幅度的偏移。尤其当多台风机并联时，因为风箱(Header)前后之排气管路与风机配置情形的差异，导致每台风机的抽气量与运转压力都不相同，此时若利用相同的频率运转，则各台风机的

运转效率必定会有相当的差异性，同时也会导致部分的风机运转效率偏低，造成能源的浪费。因此，若要避免此种现象产生，则有效的风机运转监测与适当的风机控制模式便成为最重要的议题，相关的理论与详细的实施方法将于后续内容中叙述。

制程排气整合系统的主要目的在使厂内排气系统达到安全、效能提升与扩充容易的目的，进而促使制程良率提高与整体运转成本下降。工研院现有发展中的制程排气设计与监控整合系统整体架构大致可分为管路监控、风机监控、管路设计及装机查核四个部分，其程序整体架构可参考图1所示，而硬件的架构则可参考图2所示，相关说明如下。

图1. 排气设计与监控整合系统架构

图2.排气监测系统硬件架构

一、管路监控系统

含一次配与二次配之管路流量(动压)、静压、温度及浓度等之监测，可有效判断机台或管路异常状况以及提供排气系统分析的重要数据。另外，针对重要的机台或所有的管路系统，皆可以藉由风门角度的控制来达到流量的调整与能源的节省。因此，藉由管路监控系统的有效运作将可达到风量降低的目的。

管路监控系统主要包含了机台侧二次配管静压与温度监测、次主管尾端静压监测或上游端静压与流量监测以及主管静压监测等。在次主管的静压与流量监测主要目的有二：一为有效获知该次主管之粉尘堵塞情形，另一为建立管路静压背景值以作为日后机台扩充之参考与风门调整之依据；而主管路的静压监测布点则有助于整体系统的情势分析，能更精确的获得系统阻塞位置。本监控系统的主要画面可参考图3所示。