半导体厂耗能指标及节能方案之研究

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1/13/20231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。1/13/20232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1/13/20233負荷計算1/13/20234一.CleanRoomArea：

11,182m2(8,717

m2MAINFAB) 二.Re.Humidity：

Photo:43±3%,Production:43±5% 三.Temperature： Photo:22±0.3℃,Production:22±2℃ 四.RoomPressurization：

Class1:5±1mmAq,Class1000:3±1mmAq SystemSpecificationCleanRoom1/13/20235constructionofFAB1/13/20236Fab內部負荷計算(設備部分)

1/13/20237Fab內部負荷計算1/13/20238Qe=Qacid+Qalkaline+

Qsol+Qgeneral=5,590+509+1,076+8,302=15,477(CMM)Qm=Qphoto+Qprod+

Qimp+Qsupp+Qgowning=3,518+6,000+3,218+2,915+816=16,467(CMM)Exhaust風量Fresh風量Fab內部負荷計算1/13/20239設備用電為7367kW=6,335,620kcal=2095.1RTINPUT:INTERNALLOAD:FFULOAD=160W*7,270=1,163.2kW=1,000,352kcal=330.8RTLIGHITINGLOAD=317.1kW=272,706kcal/hr=90.1RT

Fab內部負荷計算1/13/202310排氣負荷Σq=ρQC△T=1,304,078÷4.186(kJ/Kcal)÷860(Kcal/kW)qGENERAL=1.19*498,120*2.2=1,304,078kJ/hr=362.2kWqACID

=1.19*335,400*0.3=1,19737.8kJ/hr=33.26kWqALKALINE=1.19*30,540*0.3=10,902.78kJ/hrqSOLVENT=1.19*59,880*4.9=349,160.26kJ/hr=96.9kW

=3.02kW

OUTPUT:11/13/202311PCW(q)=18,700LPM

OUTPUT:2冷卻容量為18,700

LPM*3.2*60=3,590,400Kcal/hr=1,187.3RT

EXHAUST帶走的熱量=140.77RT

設備對FAB提供負荷=2,095.1–1,187.3–140.77=767.03RT

ΔT=3.2℃,IN=21.℃,OUT=17.8℃1/13/202312DRYCOIL帶走熱量(q):

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

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

=750.4RT

MAU提供

RT:

(無塵室溫度-出風口溫度)=1.19*16467*(41.46-34.75)*60

=7,889,240.8kJ/hr

=623.2RT

1/13/202313無塵室總負荷為1,373.6RT(MAU+DRYCOIL)

=1,373.6–767.03(設備)–90.1(照明)–330.8(FFU)無塵室人員,滲透負荷及其他負荷=185.67RT無塵室負荷1/13/202314設備發熱的空調能源

能源換算係數1/13/202315冷卻塔，冷水/冷卻水pump0.064KWH/kW合計

0.257KWH/kW每冷卻負荷(kW)所須要的電力能源(KWH)冷凍機

0.193KWH/kW冷卻負荷的電力能源1/13/202316內部負荷計算表◎

(circulatingAirSystem)

Drycoil24unitDrycoil(averageload)2,094kWh/DayDrycoil(averagevolume)41,167m3/hrFFU7,270UnitFFU(averageload)27,916kWh/DayFFU(averagevolume)900m3/hrFFU(staticpressure)153Pa1/13/202317內部負荷計算表EnergyConsumptionOfCleaning(FFU)

--

CirculatingTimes(Times/hr)--(1)MovingEnergy(kW)926.93(2)CoolingEnergy(kW)1,163.17(3)TotalConsumption(kW)(1)+(2)2,090.09(4)(6)/InternalLoads0.77fanefficiencyη=0.31/13/202318內部負荷計算表EnergyConsumptionOfFFUTypeForClass1and1000

CLASS1(0.1um)CLASS1000(0.1um)FFUinput(W)160160FFUquantity(SETS)31174153Floorarea(M2)23418841EnergyConsumption(kW/M2)0.2130.0751/13/202319排氣處理的能源

TYPEVOLUME(CMH)ENERGYCONSUMPTION(KWH/DAY)SYSTENSTATICPRESSURE(Pa)kWH/m3CMM/m2ACID335,4006,885-9800.00090.500GENERAL498,1208,599-1,0090.00070.742ALKALINE30,5401,843-8820.00250.046SOLVENT59,9183,087-3000.00210.0891/13/202320製程冷卻水的製造及運送能源EnergyconsumptionofPCW(flow)Chiller(1)CoolingLoads(kW)4,173.00(2)PumpEnergy(kW)447.21(3)TotalCoolingLoads(kW)(1)＋(2)4,620.21(4)CoolingEnergy(kW)1,071.39(5)EnergyConsumptionofPump(kW)447.21(6)(4)＋(5)1,518.6(7)EnergyofPerunit(6)/Volume(kW/m3)1.35

(8)EnergyofPerCoolingLoads(6)/(1)(kW/kW)0.36(9)PCWConsumptionofPerSquare(LPM/M2)1.67

1/13/202321PerSquareAreaEnergyConsumptionofFAB1Averagepowerconsumption(kW)16,793.42FABtotalarea(M2)11,182.03ProductionareaofFAB(M2)8,717.04(1)/(3)(kW/M2)1.55(1)/(4)(kW/M2)1.91/13/202322

Item

REMARKDevicecooling(kW/kW)

0.7750FFUFreshair(kW/m3)0.0042INCLUDINGFANPOWEREXHAUST(kW/m3)0.0007GENERAL

0.0021SOLVENT

0.0010ACID

0.0021ALKALINENitrogen(kW/m3)0.2209

Compressor(kW/m3)0.2250

PCW(kW/m3)1.3535CHILLERUPW(kW/m3)9.1502

CHILLER(kW/kW)0.1927

COOLINGTOWER+CHILLEDPUMP+COOLINWATERPUMP(kw/kw)0.0640

Energyconsumptionbenchmark

1/13/202323外氣處理節能設計1/13/202324外氣處理能源EnergyconsumptionofFreshAir

EnergyconsumptionofFreshAir(max)kW/m3LoadsEnergyperunitkWh/kWAverageLoadsPeryearTotalconsumptionofFreshAirkWh/m3Cooling0.01360.256710.00350Heating0.00320.014710.00005Humidity0.00240.02870.30.00002ConsumptionofPerSquare(CMM/m2)1.4726TotalAverageofyear0.00361/13/202325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1/13/202326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+QMAMOA+MAW+MW=MCC1+MCC2+MMA+MP

1/13/202327外氣空調箱(MAU)系統元件最佳化的選擇1/13/202328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100,000CMH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1/13/202329MAU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1/13/202330MAU冰水系統:單冰水及雙冰水外氣空調箱單/雙冰水溫度能量比較圖冰水溫度提高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%。1/13/202331MAU加熱系統:電熱及熱回收系統外氣空調箱加熱系統能量比較圖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%。1/13/202332外氣空調箱(MAU)系統元件最佳化的選擇外氣空調箱各組合系統整年總耗電能比較圖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。1/13/202333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:qinfiltration+qcleanroom+qFFU+qLighting+qpeople+q

其他

=qMAU+qDrycoil

調降出風口1℃的效益qMAU=ρQC△T=1.19*16,467*60=1,175,743.8kJ/hr

=1,175,743.8÷4.186(kJ/kcal)÷3024(kcal/RT)=92.8RT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=$13,313.4NTD1/13/202334外氣空調箱(MAU)

出風溫度外氣空調箱出風溫度變化能量比較圖出風溫度降低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。1/13/202335PCW節能設計1/13/202336製程冷卻水的節能

(1)Opensystemchangetoclosesystem冷卻容量為18,700

LPM*3.2*60=3,590,400KCAL/Hr冷卻水溫度差△T為3.2℃，揚程為56MOpensystem冷卻水量則為

(18,700L/min)。=1187.3RT每日總耗電量為10,733KWH

1/13/202337製程冷卻水的節能

(2)Closesystem每日總耗電量為6,816KWH

冷卻容量為14,640

LPM*4*60=3,590,400Kcal/hr冷卻水溫度差△T為4℃，揚程為34M冷卻水量則為

(14,640L/min)。=1161.9RT1/13/202338製程冷卻水的節能

(3)(10,733–6,816)*365*1.7NTD/KWH(2002年平圴購電成本)=NTD2,430,498PeryearOpensystemchangetoclosesystem節省電費:

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

1/13/202339EnergyconsumptionofPCW(new)(flow)Chiller(1)CoolingLoads(kW)4,174.8(2)PumpEnergy(kW)284.00(3)TotalCoolingLoads(kW)(1)＋(2)4,458.8(4)CoolingEnergy(kW)1,071.85(5)EnergyConsumptionofPump(kW)284.00(6)(4)＋(5)1,355.85(7)EnergyofPerunit(6)/Volume(kW/m3)1.44(8)EnergyofPerCoolingLoads(6)/(1)(kW/kW)0.32(9)PCWConsumptionofPerSquare

(LPM/M2)1.401/13/202340排氣處理節能設計1/13/202341Exhaust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，為達到降低運轉成本，必須配合實際狀況逐步調整造成安裝與實際運轉有很大的差距EXHAUST風量1/13/202342Exhaust靜壓調整

調整前:

酸性排氣的管末端靜壓值為86mmAq每日耗電量為6,885KWH鹼性排氣調整前的管末端靜壓值為86.1mmAq每日耗電量為1,843.2KWH。

排風量為5,590CMM排風量為509CMM1/13/202343Exhaust靜壓調整

調整後:

酸性排氣的管末端靜壓值為79mmAq每日耗電量為6,833.5KWH鹼性排氣調整前的管末端靜壓值為79mmAq每日耗電量為1,344.5KWH。

排風量為4,564CMM排風量為450

CMM1/13/202344改善效益:降低排氣量:ACID:(5,590-4,564)*60=61,560CMHAKALINE:(509-450)*60=3,540CMH2,395,159.2kW/年*0.65/1000=1,334.4噸/年

以MAU外氣平均耗能為0.0042kW/m3計算(61,560+3,540)*24*365*.0042=2,395,159.2kW/年折算二氧化碳減少量為:1/13/202345TYPEVOLUME(CMH)ENERGYCONSUMPTION(KWH/DAY)SYSTENSTATICPRESSURE(Pa)KWH/m3CMM/m2ACID273,8406,834-7440.00100.408GENERAL498,1208,599-1,0090.00070.742ALKALINE27,0001,334.50-7750.00210.040SOLVENT59,9183,087-3000.00210.089

ENERGYOFEXHAUST(NEW)

1/13/202346降低GENERALEXHAUST(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(GENERALEXHAUST)，則是將設備的發熱源帶出

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

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1/13/202347降低GENERALEXHAUST(2)

GENERALEXHAUST，則可節省大量能源。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GENERALEXHAUST所帶出的熱量每CMH為0.00072kW

，由此可知適度降低因降低GENERALEXHAUST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1,5185,088kW/