簡報大綱 R e p o r t O u t l i n e

台積公司 空調系統運轉最佳化策略

TSMC Property

前言

━ 空調系統在節能策略上一直是關鍵角色。 一般半導體廠

廠務用電佔全廠用電47% ，其中又以空調設備系統耗電

為最大宗佔廠務用電 60%, 是最有投資效益的範疇。

2

TSMC Property

廠務空調系統設備

━ 廠務空調設備 : 不外乎冰水主機、冷卻水塔、冰水系統、空調箱、

製程排氣系統等設備, 其中冰水系統占最大宗耗能。

3

耗能占 42%

TSMC Property

━ 空調系統節能策略三大面向 : 設計面/運轉面/管理面

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Energy

Saving 設計

管理

運轉

━ 雙溫冰水設計

━ 一次變流量系統

━ 熱回收系統直接供應

━ 5C 冰水回水再利用

━ 依季節變化調整參數 (四季交響曲)

━ 冰機最佳運轉效率控制

━ C/T運轉最佳化控制

━ 能源管理系統建立

━ ECF 自動化報表

━ 節能案例分享及管理

空調系統操作節能策略

TSMC Property

━ 空調節能設計面

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空調系統操作節能策略

Energy

Saving 設計

管理

運轉

━ 雙溫度冰水設計

━ 一次變流量系統

━ 熱回收系統直接供應

━ 5C 冰水回水再利用

━ 依季節變化調整參數 (四季交響曲)

━ 冰機最佳運轉效率控制

━ C/T運轉最佳化控制

━ 能源管理系統建立

━ ECF 自動化報表

━ 節能案例分享及管理

TSMC Property

━ 冰機冷卻水系統運轉最佳化設計與冰機全熱直接回收設計。

━ 二重冰水冷卻系統 (5℃低溫冰水/12℃高溫冰水)。

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台積電冰水系統演進Roadmap

tsmc Phase Project

Chiller Plant kW/RT

TSMC Property

━ 雙溫冰水主機

━ 單冰水溫度（5℃）的系統 (早期設計_~2000)

━ 由於部分設備適合水溫較5℃為高，5 ℃的冰水必須先經加熱，而後才能使用。

━ 將冰水系統以5℃及9℃ 雙冰水溫度系統 (早期設計_2001~2007)

━ 9℃離心式冰水主機的效率比5 ℃者高約10% 。

━ 若冰水系統以5 ℃與9 ℃的雙冰水溫度系統設計，將廠中部分設備改以9 ℃者取代，則可達到節省主機耗電的目的 。

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冰水系統節能設計

TSMC Property

━ 雙溫 5°C/9°C 變更為 5°C/12°C(新廠設計_2008~迄今)

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冰水系統節能設計

━ 冰機運轉負載與效率迴歸分析

━ Case 6 運轉費用最低 但選用MAU第一道冰盤管管排數已達極致且空氣側風車運轉費用增加。

━ Case 5 - 冰機運轉運用節省 7.95%, 7.3GWH/yr. (比較base)。

System Characteristic Total KWHEnergy

Saving %

Case 1

(base)5℃ 92,082,702 -

Case 2 5℃+ 9℃ 90,229,660 2.01%

Case 3 5℃+ 10℃ 90,481,576 1.74%

Case 4 5℃+ 11℃ 87,329,715 5.16%

Case 5 5℃+ 12℃ 84,765,166 7.95%

Case 6 5℃+ 13℃ 83,880,816 8.91%

TSMC Property

━ 冰水系統改為一次變流量系統(新廠設計_2008~迄今)

━ 初設成本節省 25M NTD, 節省運轉成本約4.2M NTD(170萬度電/年) 。

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冰水系統節能設計

9CHR 5CHR

5CHS

35WWR

35WWS

5CWR 5CWS9CWR9CWS

冷卻水塔冷卻水塔

熱交換器

單冷式冰水主機 單冷式冰水主機

雙冷卻器熱回收冰水主機

9CHS

90HWS

90HWR

熱水或蒸氣鍋爐

二次泵浦 二次泵浦

一次泵浦

一次泵浦一次泵浦

一次泵浦

一次泵浦

一次泵浦

主次流量系統

一次冰水泵浦定頻

二次冰水泵浦變頻

冷卻水泵浦定頻

溫水泵浦變頻

冷卻水塔變頻

12CHS

12CHR 5CHR

5CHS

35WWR

35WWS

5CWR 5CWS12CWR12CWS

冷卻水塔冷卻水塔

熱回收熱交換器

熱回收熱交換器

單冷式雙壓冰水主機 單冷式雙壓冰水主機

熱回收雙壓冰水主機

一次變流量系統設計

冰水泵浦變頻

冷卻水泵浦變頻

溫水泵浦變頻

冷卻水塔變頻

傳統冰水設計 冰水一次變流量冰水設計

TSMC Property

━ 取消鍋爐以熱回收設計替代(新廠設計_2008~迄今)

━ 減少初設成本與運轉所需之耗能。將冰水主機廢熱回收，大幅免除熱水鍋爐之設置及耗能。初設建置的成本雖然高達5,600萬，但是每年節省運轉電力就有3,210萬度電 (ROI < 1 yr.)。

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冰水系統節能設計

37WWS

12CWR 12CWS

冷卻水塔

熱交換器

單冷式冰水主機

雙冷卻器熱回收冰水主機

12CHS

90HWR

二次泵浦

一次泵浦

37WWR

90HWS

12CHR

12CHS

12CHR

35WWR

35WWS

12CWR 12CWS

冷卻水塔

熱回收熱交換器

熱回收熱交換器

單冷式雙壓冰水主機

熱回收雙壓冰水主機

熱回收雙壓冰水主機

As Is To Be

TSMC Property

━ 35℃熱回收由冰機直接供應 (新廠設計_2016)

━ 降低冰水主機高壓段需求壓力，減少壓縮功。

━ 預估整體 5℃/12 ℃ 冰水系統節能 6.21%, 節能 6,804 MWh。

冰水系統節能設計

壓縮機節能

降低冷卻水溫節能

節能機會

TSMC Property

━ Cascade Cooling for CCD HVAC(新廠設計_2016)

━ 使用5 ℃ 冰水回水再利用，可將溫差由5.2 ℃ 提升至7.9 ℃ ，可減少Pump及冰機耗功，提高冰水系統效率。

冰水系統節能設計

5CHR (average)

10C 1,055 L/s

5CHR

678 L/s

5C

HR

10C

5C

HR

18C

37

7 L

/s

5CHR

12.9C

VFD

5CHS

5C 1,055 L/s

冰機

泵浦

冰機

泵浦

負載

端

負載

端

5C

HR

5C

5C

HR

11C

37

7 L

/s

5CHR

10.2C

5CHS

5C 1,432 L/s

冰機

泵浦

冰機

泵浦

負載

端

負載

端

As Is To Be

CCD CCD

5CHR (average)

10C 1,055 L/s

TSMC Property

━ 空調節能運轉面

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空調系統操作節能策略

Energy

Saving 設計

管理

運轉

━ 依季節變化調整參數 (四季交響曲)

━ 冰機最佳運轉效率控制

━ C/T運轉最佳化控制

━ 雙溫度冰水設計

━ 一次變流量系統

━ 熱回收系統直接供應

━ 5C 冰水回水再利用

━ 能源管理系統建立

━ ECF 自動化報表

━ 節能案例分享及管理

TSMC Property

━ 5 ℃冰水主機冰水溫度調升 (冰水調高溫度省能 )

━ 隨著蒸發溫度的上升，蒸發器壓力與冷凝器壓力差距小，冷媒蒸汽由蒸發壓力壓縮至冷凝壓力所需壓縮功降低，單位質量壓縮熱較小。

━ 35 ℃熱回收冰機溫水溫度調降 (溫水調低溫度省能 )

━ 較低的冷凝溫度，蒸發器壓力與冷凝器壓力差距小，冷媒蒸汽由蒸發壓力壓縮至冷凝壓力所需壓縮功降低，單位質量壓縮熱較小。

冰水主機運轉效率改善

(kJ/kg)

(5.5OC)

(5OC)

kPa

(kJ/kg)

kPa (35OC)

(33OC)

莫里爾曲線

TSMC Property

━ 冰水出水溫度隨季節調控(四季交響曲)

━ 隨著季節變化調整冰水系統供應溫度，達到節能的成效，依冰機特性，由莫里爾曲線得知冰機調升1℃，節能2~4%。

━ 應用此節能觀念，實測單一FAB冰水系統節能效益約>3% 。

冰水系統最佳化運轉

Chiller

Saving 2~4%

TSMC Property

━ 冰水主機自動加減機(維持冰機最佳效率運轉)

━ 依據冰機最佳運轉效率，控制冰機運轉台數，將冰機運轉負載控制在70~85%間。

━ 相同外氣焓值下，平均用電量差異約省1,000KW 。

冰水系統最佳化運轉

負載率

冷卻進

水水溫

冰機選

機條件

運轉

出水溫kW/RT kW kW/RT kW kW/RT kW kW/RT kW kW/RT kW kW/RT kW kW/RT kW kW/RT kW kW/RT kW

32.4oC 0.631 1,641 0.615 1,439 0.612 1,272 0.622 1,132 0.645 1,006 0.678 882 0.607 632 0.636 496 0.719 374

32oC 0.593 1,542 0.580 1,357 0.577 1,200 0.583 1,062 0.600 936 0.631 821 0.574 597 0.594 463 0.671 349

30oC 0.564 1,467 0.552 1,293 0.547 1,138 0.552 1,004 0.565 881 0.595 773 0.546 568 0.561 437 0.629 327

28oC 0.537 1,397 0.525 1,230 0.518 1,078 0.524 953 0.536 836 0.560 728 0.518 539 0.532 415 0.591 308

26oC 0.499 1,167 0.493 1,026 0.499 908 0.509 794 0.532 691 0.493 513 0.506 395 0.561 292

24oC 0.473 1,107 0.469 976 0.475 864 0.484 756 0.505 657 0.469 488 0.481 375 0.533 277

22oC 0.451 1,055 0.446 927 0.450 819 0.459 717 0.479 622 0.446 464 0.457 356 0.506 263

冰水溫

5oC

溫差 8oC

冷卻水

溫 32oC

溫差6oC

定流量

5oC

耗電率

冰機效率

2,600 2,340 2,080 1,820 1,560 1,300 1,040

20%

780 520

60% 50% 30%100% 90% 80% 70% 40%

5 ℃ Chiller

最佳效率70~85%

最佳運轉 區間

TSMC Property

━ 傳統C/T風扇運轉模式

━ 固定溫差法（濕球溫度+3℃）：冬季時水溫偏低而多耗功。

━ 冷卻水塔風扇運轉最佳化

━ 依據不同外氣濕球溫度，自動計算C/T出水溫度，降低風扇運轉能耗，達到最佳節能控制。

冰水系統最佳化運轉

大氣濕球溫度與趨近溫度之關係曲線

TSMC Property

━ 空調節能管理面

18

空調系統管理節能策略

Energy

Saving 設計

管理

運轉

━ 雙溫度冰水設計

━ 一次變流量系統

━ 熱回收系統直接供應

━ 5C 冰水回水再利用

━ 四季交響曲

━ 冰機最佳運轉效率控制

━ C/T運轉最佳化控制

━ 能源管理系統建立

━ ECF 自動化報表

━ 找尋最佳節能點

TSMC Property

━ ISO 50001能源管理

━ 依據ISO 50001能源管理系統，將能源管理法標準以系統化的方式進行管理，提供能源基線及能源績效指標，協助執行能源管理績效的量測。

空調系統管理節能策略

•分析過去現在能源消耗

•鑑別重大能源消耗區域

4.4.3 能源

審查

•做為能源績效比較的對象

•能源基線可逐年調整

4.4.4 能源

基線

•短期與長期消耗比較

•每年與年度目標比較

4.4.5 能源

績效指標

•績效指標量測與分析

•實際與預期能源消耗比較

4.6.1 監督

量測分析

•能源管理法（含施行細則）

•其他承諾事項

4.4.2 法規

與其他要求

TSMC Property

━ 能源轉換係數指標 (Energy Conversion Factors, ECF)

━ 利用ECF值可便利地用來計算設備耗能。

━ 能提供相對的等級比較，藉此找出差異，提供改進的依據。

━ ECF值隨著產業及運轉需求而有所不同，應適時修正。

空調系統管理節能策略

SEMI-S23 ECF轉換係數指標(Ref. 8”wafer Fab in Japan )

TSMC Property

━ 建立自動化ECF報表

━ 將各系統SCADA運轉參數(如壓差、溫差等)於SI系統進行彙整收集，再由SI系統建置統一公式計算，讓系統ECF指標自動產生。

空調系統管理節能策略

21 21

ECF 公式 Align & Tag 收集

SI tag configure

SI Report

資料校正 ECF Sponsor

ECF 平台

ECF Item ECF 公式及tag sample

ECF 報表產出

TSMC Property

空調系統管理節能策略

22

━ ECF 能源效率指標監控管理

━ (能源轉換係數) 持續監控管理，讓系統效能維持在最佳運轉效率區。

System ECF unit Phase M601 M602 M603 M604 M605 M606 M607 M608 M609 M610 M611 M612 AVG

與上月比較

名稱：UPW kWh/M3 A 4.2516 4.3940 4.0055 4.0959 4.0183 4.3512 4.3062 4.2903 4.2703 4.3406 4.3733 4.2757 4.2452 -2.23%

B 4.1258 4.5716 4.3299 4.4716 4.5781 4.4796 4.5361 4.5095 4.5391 4.4078 4.4035 4.3961 4.4502 -0.17%

名稱：PCW kWh/M3 P12 0.7503 0.7517 0.7508 0.7482 0.7442 0.7469 0.7478 0.7475 0.7488 0.7486 0.7545 0.7537 0.7490 -0.11%

P34 0.7492 0.7446 0.7471 0.7458 0.7480 0.7496 0.7495 0.7459 0.7469 0.7420 0.7452 0.7443 0.7467 -0.11%

名稱：5C CHILLER kWh/RT P12 0.7611 0.7723 0.6843 0.6871 0.7157 0.7342 0.7350 0.7230 0.6730 0.7079 0.6858 0.6734 0.7163 -1.81%

P34 0.7132 0.7218 0.7483 0.7377 0.7499 0.7589 0.7643 0.7528 0.7404 0.7401 0.7068 0.7344 0.7395 3.91%

名稱：12C CHILLER kWh/RT P12 0.6121 0.6119 0.6514 0.6805 0.6782 0.7073 0.7035 0.7298 0.7223 0.6951 0.6718 0.6657 0.6785 -0.91%

P34 0.5871 0.6124 0.5935 0.5723 0.5679 0.5671 0.5734 0.5642 0.5623 0.5663 0.5753 0.5757 0.5765 0.07%

名稱：35C CHILLER kWh/RT P12 0.0345 0.0322 0.0330 0.0348 0.0338 0.0345 0.0347 0.0342 0.0341 0.0342 0.0329 0.0341 0.0339 3.53%

P34 0.0233 0.0211 0.0234 0.0245 0.0243 0.0246 0.0247 0.0244 0.0241 0.0241 0.0243 0.0240 0.0239 -1.20%

名稱：MAU system kWh/CMH P12 0.0024 0.0024 0.0021 0.0021 0.0021 0.0021 0.0021 0.0021 0.0020 0.0021 0.0021 0.0024 0.0022 15.35%

P34 0.0022 0.0022 0.0022 0.0021 0.0021 0.0021 0.0022 0.0021 0.0021 0.0021 0.0021 0.0023 0.0021 11.19%

名稱：GEX system kWh/CMH P12 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 0.0035 -0.02%

P34 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 -0.21%

名稱：SEX system kWh/CMH P12 0.0049 0.0049 0.0049 0.0050 0.0050 0.0050 0.0050 0.0050 0.0050 0.0050 0.0049 0.0049 0.0050 -0.37%

P34 0.0049 0.0048 0.0049 0.0049 0.0048 0.0049 0.0049 0.0049 0.0049 0.0048 0.0049 0.0049 0.0049 0.26%

名稱：AEX system kWh/CMH P12 0.0067 0.0066 0.0067 0.0067 0.0067 0.0068 0.0068 0.0068 0.0067 0.0067 0.0067 0.0067 0.0067 -0.21%

P34 0.0043 0.0041 0.0043 0.0041 0.0044 0.0043 0.0042 0.0042 0.0043 0.0043 0.0043 0.0043 0.0042 -0.33%

名稱：VEX system kWh/CMH P12 0.0050 0.0050 0.0050 0.0050 0.0050 0.0050 0.0050 0.0049 0.0050 0.0051 0.0051 0.0051 0.0050 -0.01%

P34 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.0032 0.29%

0.0024 0.0024

0.0021 0.0021 0.0021 0.0021 0.0021 0.0021

0.0020 0.0021 0.0021

0.0024 0.0022 0.0022 0.0022

0.0021 0.0021 0.0021 0.0022 0.0021 0.0021 0.0021 0.0021

0.0023

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

M601 M602 M603 M604 M605 M606 M607 M608 M609 M610 M611 M612

P12

P34

MAU

產能需求變化 不同 phase 同步

TSMC Property

━ 冰水系統最佳效率

━ 以 ECF 整體系統最佳效率之運轉點適量供應，取代各別設備思維，控制適量之冰水及冷卻水，以達到最佳節能之目的。

管理節能策略 - 最佳運轉甜蜜點

冷房負荷

冷凝器

冰水泵浦

冷卻水泵浦

冰水主機

冷卻水塔

冰水主系統示意圖

二次泵浦(變頻)

(變頻)

冰水溫度

耗電率

主機耗電 水泵耗電

整體耗電

最佳冰水溫度

冷卻水溫度

最佳效率