半導體廠耗能指標及節能方案之研究
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半導體廠耗能指標及節能方案之研究. 指導教授 : 胡石政 博士. 簡介. 台灣高科技產業,以半導體晶圓製造及光電產業為主,高科技. 產業之能源需求量相當龐大。. 希望建立半導體廠耗能指標 , 與各相關半導體廠做相對應比較. 建立更良好的能源使用模式,在能源使用上更有效率. 潔淨室最佳化設計包含系統節能的設計. 潔淨室最佳化設計包含系統節能的設計,一個節能化的潔淨室設計雖然有些會增加初設成本的支出,但總體而言,經過了二、三年運轉後其減少的電費,往往可大於當初初設成本的費用;其潔淨室的節約能源技術主要項目約分為十八類:

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Presentation Transcript

簡介

  • 台灣高科技產業,以半導體晶圓製造及光電產業為主,高科技

產業之能源需求量相當龐大。

  • 希望建立半導體廠耗能指標,與各相關半導體廠做相對應比較

建立更良好的能源使用模式,在能源使用上更有效率


潔淨室最佳化設計包含系統節能的設計

  • 潔淨室最佳化設計包含系統節能的設計,一個節能化的潔淨室設計雖然有些會增加初設成本的支出,但總體而言,經過了二、三年運轉後其減少的電費,往往可大於當初初設成本的費用;其潔淨室的節約能源技術主要項目約分為十八類:

  • (一)、冰水主機系統 (二)、冰水系統(三)、冷卻水系統

  • (四)、外氣空調箱(五)、排氣系統(六)、照明系統

  • (七)、電力系統 (八)、儲冰系統 (九)、吸收式冰水主機

  • (十)、C / R內循環送風系統 (十一)、微環境系統

  • (十二)、終級過濾器最省能配置 (十三)、MAU出風口位置選擇

  • (十四)、檢討排氣系統洩漏旁通問題 (十五)、空調箱再熱

  • (十六)、外氣引進控制 (十七)、空調負荷確定

  • (十八)、人員、設備操作維護之管理



System Specification Clean Room

一. Clean Room Area :

11,182 m2 ( 8,717m2 MAIN FAB)

二. Re. Humidity : Photo : 43±3% ,

Production : 43±5%

三. Temperature : Photo : 22±0.3℃ ,

Production : 22±2℃

四. Room Pressurization :

Class1 : 5±1mmAq , Class1000 : 3±1mmAq



Fab內部負荷計算(設備部分)


Fab內部負荷計算


Fab內部負荷計算

Exhaust 風量

Q e = Q acid + Q alkaline +Q sol + Q general

= 5,590 + 509 + 1,076 + 8,302

= 15,477 (CMM)

Fresh 風量

Q m = Q photo + Q prod +Q imp + Q supp + Q gowning

= 3,518 + 6,000 + 3,218 + 2,915 + 816

= 16,467 (CMM)


Fab內部負荷計算

INPUT:

設備用電為7367kW = 6,335,620 kcal =2095.1 RT

INTERNAL LOAD:

LIGHITING LOAD =317.1kW =272,706kcal/hr =90.1 RT

FFU LOAD =160W * 7,270 =1,163.2 kW =1,000,352 kcal =330.8 RT


OUTPUT:1

排氣負荷Σq =ρQC△T

  • q GENERAL = 1.19* 498,120 * 2.2 =1,304,078 kJ/hr

=1,304,078 ÷ 4.186 (kJ/Kcal) ÷ 860 (Kcal/kW)

= 362.2 kW

  • q ACID = 1.19* 335,400 *0.3 =1,19737.8 kJ/hr

= 33.26 kW

  • q ALKALINE = 1.19* 30,540 *0.3 =10,902.78 kJ/hr

= 3.02 kW

  • q SOLVENT = 1.19* 59,880 *4.9 =349,160.26 kJ/hr

= 96.9 kW


OUTPUT:2

PCW (q) =18,700 LPM

Δ T = 3.2℃, IN=21. ℃ , OUT = 17.8 ℃

冷卻容量為18,700 LPM *3.2*60

= 3,590,400 Kcal/hr =1,187.3 RT

EXHAUST帶走的熱量 = 140.77 RT

設備對FAB提供負荷= 2,095.1 – 1,187.3 –140.77

= 767.03 RT


DRY COIL帶走熱量(q):

q =1.19 * 109,050 * (41.87- 40.65) * 60

=9,499,127.4 kJ/hr = 2,269,261.2 kcal/hr

=750.4 RT

MAU提供RT:(無塵室溫度-出風口溫度)

=1.19* 16467 * (41.46- 34.75)* 60

= 7,889,240.8 kJ/hr= 623.2 RT


無塵室負荷

  • 無塵室總負荷為1,373.6 RT(MAU + DRY COIL)

  • 無塵室人員,滲透負荷及其他負荷

=1,373.6 – 767.03(設備) – 90.1(照明) – 330.8(FFU)

= 185.67RT


能源換算係數

  • 設備發熱的空調能源


冷卻負荷的電力能源

每冷卻負荷(kW)所須要的電力能源(KWH)

冷凍機0.193 KWH / kW

冷卻塔,冷水/冷卻水pump 0.064 KWH / kW

合計0.257 KWH / kW


( circulating Air System )

Dry coil

24

unit

Dry coil (average load)

2,094

kWh/Day

Dry coil (average volume)

41,167

m3/hr

FFU

7,270

Unit

FFU (average load)

27,916

kWh/Day

FFU (average volume)

900

m3/hr

FFU (static pressure )

153

Pa

內部負荷計算表


Energy Consumption Of Cleaning (FFU)

--

Circulating Times (Times / hr)

--

(1)

Moving Energy (kW)

926.93

(2)

Cooling Energy (kW)

1,163.17

(3)

Total Consumption (kW) (1) + (2)

2,090.09

(4)

(6) / Internal Loads

0.77

fan efficiency η=0.3

內部負荷計算表


Energy Consumption Of FFU Type For Class 1 and 1000

CLASS 1 (0.1 um)

CLASS 1000 (0.1 um)

FFU input (W)

160

160

FFU quantity (SETS)

3117

4153

Floor area (M2)

2341

8841

Energy Consumption (kW/M2)

0.213

0.075

內部負荷計算表


TYPE

VOLUME (CMH)

ENERGY CONSUMPTION (KWH/DAY)

SYSTEN STATIC PRESSURE (Pa)

kWH/m3

CMM/m2

ACID

335,400

6,885

-980

0.0009

0.500

GENERAL

498,120

8,599

-1,009

0.0007

0.742

ALKALINE

30,540

1,843

-882

0.0025

0.046

SOLVENT

59,918

3,087

-300

0.0021

0.089

排氣處理的能源


Energy consumption of PCW

(flow)

Chiller

(1)

Cooling Loads (kW)

4,173.00

(2)

Pump Energy (kW)

447.21

(3)

Total Cooling Loads (kW) (1)+(2)

4,620.21

(4)

Cooling Energy (kW)

1,071.39

(5)

Energy Consumption of Pump (kW)

447.21

(6)

(4)+(5)

1,518.6

(7)

Energy of Per unit (6)/ Volume (kW/m3)

1.35

(8)

Energy of Per Cooling Loads (6)/(1) (kW/kW)

0.36

(9)

PCW Consumption of Per Square (LPM /M2)

1.67

製程冷卻水的製造及運送能源


Per Square Area Energy Consumption of FAB

1

Average power consumption (kW)

16,793.4

2

FAB total area (M2)

11,182.0

3

Production area of FAB (M2)

8,717.0

4

(1) /(3) (kW/ M2)

1.5

5

(1) /(4) (kW/ M2)

1.9


Item

REMARK

Device cooling (kW /kW)

0.7750

FFU

Fresh air (kW / m3)

0.0042

INCLUDING FAN POWER

EXHAUST (kW / m3)

0.0007

GENERAL

0.0021

SOLVENT

0.0010

ACID

0.0021

ALKALINE

Nitrogen (kW / m3)

0.2209

Compressor (kW / m3)

0.2250

PCW (kW / m3)

1.3535

CHILLER

UPW (kW / m3)

9.1502

CHILLER (kW/kW)

0.1927

COOLING TOWER + CHILLED PUMP +COOLIN WATER PUMP (kw/kw)

0.0640

Energy consumption benchmark



Energy consumption of Fresh Air

Energy consumption of Fresh Air(max) kW / m3

Loads Energy per unit kWh/kW

Average Loads Per year

Total consumption of Fresh Air kWh/m3

Cooling

0.0136

0.2567

1

0.00350

Heating

0.0032

0.0147

1

0.00005

Humidity

0.0024

0.0287

0.3

0.00002

Consumption of Per Square (CMM / m2)

1.4726

Total

Average of year

0.0036

外氣處理能源


外氣空調箱MAU最佳化設計

潔淨評估比較如下:

(一)、風機位置:鼓風式及抽風式

(二)、冰水系統:單冰水及雙冰水

(三)、加熱系統:電熱及熱回收系統

(四)、出風溫度


外氣處理能源

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;

能量平衡及質量平衡如下方程式所示:

QOA+QFan+QAW+QHC +QW+QE =QCC1+QCC2+QMA

MOA+MAW+MW=MCC1+MCC2+MMA+MP


外氣空調箱(MAU)系統元件最佳化的選擇


外氣空調箱(MAU)系統元件最佳化的選擇

能量平衡及質量平衡如下方程式所示:同樣的外氣空調箱100,000 CMH出風風量,其風車進風風量可減少49.18 %((145584-97587) / 97587 * 100 % = 49.18 %),這對風車馬力隨著風車風量成正比關係來講,所減少的風車馬達購買成本及外氣空調箱的外觀尺寸將相形變小。

外氣空調箱各組合系統日平均風量比較圖


MAU風機位置:鼓風式及抽風式

  • 空調箱風機採抽風發熱可不成為盤管負荷並為再熱熱源。

  • 每年可節約電力達750,000kWH (1,500,000元) 。

  • 每年節約達17%。

外氣空調箱風機位置能量比較圖


MAU冰水系統:單冰水及雙冰水

  • 冰水溫度提高1℃ 主機效率可提高6%。

  • 可減少的冰水主機購買成本。

  • 每年可節約電力達97,000kWH (194,000元) 。

  • 每年節約達2.3%。

外氣空調箱單/雙冰水溫度能量比較圖


MAU加熱系統:電熱及熱回收系統

  • 採冰水主機冷凝溫度回收供加熱使用,不須燃料或電力。

  • 可減少鍋爐購買成本。

  • 每年可節約電力達957,000kWH (1,914,000元) 。

  • 每年節約達29%。

外氣空調箱加熱系統能量比較圖


外氣空調箱(MAU)系統元件最佳化的選擇

總耗電能隨著系統剛開始採用鼓風式單冰水電熱水鍋爐加熱系統慢慢改成最後的抽風式雙冰水冰機熱回收加熱系統而減少,其耗電量亦隨著外氣溫度的升高而提升。

外氣空調箱各組合系統整年總耗電能比較圖


節能方面

降低外氣空調箱出風溫度的效益

已知無塵室的負荷為:

q infiltration + q clean room + q FFU + q Lighting + q people + q其他= q MAU + q Dry coil

調降出風口1℃的效益

q MAU =ρQC△T = 1.19 *16,467 * 60= 1,175,743.8 kJ/hr

=1,175,743.8 ÷ 4.186 (kJ/kcal) ÷ 3024 (kcal/RT) = 92.8 RT

先前計算每冷卻負荷所須要之電力能源是0.257 ,

換算一日節省的電費為:

= 92.8( RT )*3,024(kcal/RT) ÷860(kcal/kW)*1.7(平均購電成本)*24 = $13,313.4 NTD


外氣空調箱(MAU) 出風溫度

  • 出風溫度降低1℃一年可減少加熱量300,000kW-hr(36.2%)。

  • 出風溫度降低1℃一年可減少乾盤管能力300,000kW-hr。

外氣空調箱出風溫度變化能量比較圖


PCW節能設計


製程冷卻水的節能(1)

Open system change to close system

Open system

冷卻水溫度差△T為3.2℃,揚程為56M

冷卻水量則為(18,700 L/min)。

冷卻容量為18,700 LPM *3.2*60 = 3,590,400 KCAL/Hr

=1187.3 RT

每日總耗電量為10,733 KWH


製程冷卻水的節能(2)

Close system

冷卻水溫度差△T為4℃,揚程為34M

冷卻水量則為(14,640 L/min)。

冷卻容量為14,640 LPM *4*60 = 3,590,400 Kcal/hr

=1161.9 RT

每日總耗電量為6,816 KWH


製程冷卻水的節能(3)

Open system change to close system

節省電費:

(10,733 – 6,816) * 365 * 1.7 NTD/KWH (2002年平圴購電成本)

=NTD 2,430,498 Per year

節約電力折算二氧化碳減少量:

(10,733 – 6,816) * 365*0.65/1000=929.3噸/年


Energy consumption of PCW(new)

(flow)

Chiller

(1)

Cooling Loads (kW)

4,174.8

(2)

Pump Energy (kW)

284.00

(3)

Total Cooling Loads (kW) (1)+(2)

4,458.8

(4)

Cooling Energy (kW)

1,071.85

(5)

Energy Consumption of Pump (kW)

284.00

(6)

(4)+(5)

1,355.85

(7)

Energy of Per unit (6)/ Volume (kW/m3)

1.44

(8)

Energy of Per Cooling Loads (6)/(1) (kW/kW)

0.32

(9)

PCW Consumption of Per Square (LPM /M2)

1.40



Exhaust靜壓調整

  • 設備在安裝時往往將EXHAUST所需風量的安全係數加大,

造成安裝與實際運轉有很大的差距

  • 為達到降低運轉成本,必須配合實際狀況逐步調整

EXHAUST風量


Exhaust靜壓調整

調整前:

  • 酸性排氣的管末端靜壓值為86 mm A q

排風量為5,590 CMM

每日耗電量為6,885KWH

  • 鹼性排氣調整前的管末端靜壓值為86.1 mm A q

排風量為509 CMM

每日耗電量為1,843.2KWH。


Exhaust靜壓調整

調整後:

  • 酸性排氣的管末端靜壓值為79 mm A q

排風量為4,564 CMM

每日耗電量為6,833.5KWH

  • 鹼性排氣調整前的管末端靜壓值為79 mm A q

排風量為450 CMM

每日耗電量為1,344.5KWH。


改善效益:

  • 降低排氣量: ACID: (5,590-4,564)*60 = 61,560 CMH

AKALINE: (509-450)*60 = 3,540 CMH

  • 以MAU外氣平均耗能為0.0042kW/m3計算

(61,560+3,540)*24*365*.0042=2,395,159.2 kW/年

折算二氧化碳減少量為:

2,395,159.2 kW/年*0.65/1000=1,334.4噸/年


TYPE

VOLUME (CMH)

ENERGY CONSUMPTION (KWH/DAY)

SYSTEN STATIC PRESSURE (Pa)

KWH/ m3

CMM / m2

ACID

273,840

6,834

-744

0.0010

0.408

GENERAL

498,120

8,599

-1,009

0.0007

0.742

ALKALINE

27,000

1,334.50

-775

0.0021

0.040

SOLVENT

59,918

3,087

-300

0.0021

0.089

ENERGY OF EXHAUST (NEW)


降低GENERAL EXHAUST(1)

  • 酸,鹼性及有機溶劑等排氣系統,是考量設備與人員作業安全

  • 一般排氣(GENERAL EXHAUST),則是將設備的發熱源帶出

  • 由於外氣是經過冷卻除溼,加溼,加熱等的大量能源處理後

,方可供生產使用,如果只因為將機台的發熱排出室外

而增加的外氣空調箱的處理風量,則不符合能源的使用效率


降低GENERAL EXHAUST(2)

  • 上述的資料可計算出外氣空調箱,平均處理1CMH的外氣

大約耗能為0.0042kW ,而GENERAL EXHAUST所帶出

的熱量每CMH為0.00072kW,由此可知適度降低

GENERAL EXHAUST,則可節省大量能源。

  • 因降低GENERAL EXHAUST而對無塵室增加的負荷,

則可藉由降低MAU的出風溫度來補償。

預估可減少二氧化碳量為:

498,120*(0.0042 -0.00072)*24*365=1,5185,088 kW/年

1,5185,088 kW/年*.65/1000 = 9,870.3噸/年


SOLVENT熱能回收: (1)

VOC系統分為

1.排氣風車

2.吸附槽內裝特殊沸石(ZEOLITE)之吸附槽

3.燃燒爐

一.為直接將生產線所排出之有機溶劑氣體,經沸石吸附槽吸附後

排出乾淨空氣。

二.為將吸附槽中吸附飽合之高濃度有機物質(濃縮24倍),利用

200℃高溫空氣脫附出高濃度有機物質,與瓦斯混合燃燒後

排放至大氣中,在燃燒溫度大於650℃時即可去除VOC


SOLVENT熱能回收: (2)

改善前狀況:

將吸附槽中吸附飽合之高濃度有機物質,脫附後溫度為39℃

與瓦斯混合燃燒到725℃後排放至大氣中,由於經熱交換器後

排放到大氣的溫度仍高達492℃

而脫附後的氣體,與新鮮空氣熱交換後溫度降為39℃,

仍需加熱到725℃後,其中溫差達686℃,造成大量的能源浪費


SOLVENT熱能回收: (3)

改善前狀況:


SOLVENT熱能回收: (4)

改善後狀況:

避免上述的能源浪費,在脫附後與燃燒爐之間加裝一座

熱交換器,來提升脫附後的溫度,以達到節省能源的目的

改善後排氣溫度由492℃降至292℃,而進入燃燒爐前

的溫度由39℃提升到410℃。

熱量節能:

Waste heat Q = Ma* CP*(Ti-To)

Q=67 m3/min*1.2kg/ m3*0.247Kcal/kg℃*60min/hr *(410℃- 39℃)

=442,056.8 kcal/hr


SOLVENT熱能回收: (5)

液態天然氣(propane)比重:1.56

液態天然氣:24,320 kcal/m3 =15,589 kcal/kg

液態天然氣單價:16.6元/kg

液態天然氣用量:442,056.8 kcal/hr / 15,589 kcal/kg = 28.3 kg/hr

節省費用:28.3kg/hr *24hr*16.6元/kg *30(天) = 338,241.6元/月

折算二氧化碳減少量為:

442,056.8 kcal/hr*24*365/860=4502811.1KW/年

4502811.1KW/年*0.65/1000=2926.8噸/年


SOLVENT熱能回收: (6)

改善後狀況:


報告結束

敬請指教


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