逆向思考之冰水系統熱交換器節能設計

王世民 1, 連上舜 2

1 台積電三廠 smwangl@tsmc.com 2 台積電三廠 sslien@tsmc.com

摘要

本篇探討冰水系統空氣側(air side)效能改善，其

中單台熱交換器冷凍能力就達 990RT，而熱交換器

熱轉換效率比機械轉換效率還低 30%以上，因此熱

交換器一般提升熱交換性能常用的方法不外乎增

加熱交換器的表面積、採用高導熱材料製作熱交換

器、提升工作流體的流量與採用高導熱的工作流體

等 4 大途徑。4.5℃/13.5℃板式熱交換器(HEX)效率

遞減，夏季單台已無法滿足現場負載，規劃年度歲

休(APM)將 13.5℃熱交換器整組換新。本施作工程

採用逆向思維（reverse thinking），在不犧牲總熱傳

係數(U)前提下，以提高熱傳面積(A)與降低板片阻

抗方式，將舊設備小溫差高阻抗汰換成新設備大溫

差低阻抗，經改善後 Cpk 從 0.81 提升到 1.77，每

年節省冰水用量，效益 NT$1.2M，回收年限 0.8 年。

計畫將此專案，垂直展開推廣到各系統去評估，將

良好經驗水平展開至各廠，提供一項理論與實務結

合之寶貴節能經驗。

1. 背景

隨著產品小型化與功能要求越來越高，散熱是

一個值得關注的課題。一般提升熱交換性能常用的

方法不外乎增加熱交換器的表面積、採用高導熱材

料製作熱交換器、提升工作流體的流量與採用高導

熱的工作流體等 4 大途徑。其中，增加熱交換器的

表面積會隨著產品小型化的需求以及加工技術而

受限；而目前主要使用銅、鋁製造的熱交換器已有

極佳的導熱性能；再者，若加大工作流體的流量將

會造成泵浦輸送耗功的增加與噪音等問題。

1.1 基本熱力熱傳原理

熱交換器的原理主要是利用熱幫浦將熱從低

溫的地方，送到高溫地方，藉由熱擴散與對流的方

式，將高溫處的熱量帶走。主要的熱交換循環，通

常工作流體(水或冷媒)是利用流體的高比熱與低

蒸發點的特性，吸收大量的熱能，藉此以降低環境

的溫度。

熱傳的模式包括傳導、對流與輻射，這幾種

熱傳模式又有各自不同的基本定律。

Qc(熱傳導)=k*△T/△X (Fourier Law) (1)

Qc(熱對流)=hA△T (Newton’s Cooling Law) (2)

管側的熱傳係數可假設工作流體均勻分布於

每一熱傳管中，用 Dittus-Beolter 方程式，其中 n=0.4

加熱用(管側流體溫度較高)；n=0.3 冷卻用(管側流

體溫度較低)。

Nu=0.023Re0.8Prn (3)

熱交換器之熱傳方程式一般可用下式表示，其

中 Q 為熱傳量，U 為總熱傳係數，A 為傳熱面積，

LMTD 為冷熱流體逆流，F 為其當其熱傳方式非逆

流時之溫差校正因子。

Q=UA*LMTD*F (4)

經簡單的熱傳理論分析可以發現到其型式為

一對數平均值，而一般就稱之為對數平均溫差(Log

Mean Temperature Difference)，簡記為 LMTD。

LMTD 之取法為先取冷熱流體在各端點(前或後)

之溫差，而後計算其對數平均(如圖 1)。

ba

bam

TTIn

TTLMTDT

/ (5)

圖 1 (a)平行流 (b)逆向流

(a) (b)

1.2 問題描述

4.5℃/13.5℃板式熱交換器(HEX)效率逐年遞

減，夏季單台熱交換器已無法滿足現場負載，規劃

APM 將 13.5℃熱交換器整組換新,避免影響無塵室

溫溼度。

本廠冰水系統運轉總費用為 NT$98M/Yr.，冰

水主機用電量佔 68%，泵浦風扇附屬設備佔用電

32%。利用 SIPOC 找出減少耗能的關鍵為冰水總

效能 KPI, 流量 Q, 溫差△T(如圖 2)。經溫差層別

分析，其中影響空氣側(air side)需求端，佔影響冰

水系統總耗能 65%，使用 80/20 柏拉圖解析發現

13.5熱交換器與MAU熱交換器佔空氣側影響比重

較為重要(如圖 3)。

InputsSupplier Process CustomerOutputs

冰水系統(Pump/水塔/冰機)

台電電力供應(kW)

冰水總效能KPI

流量 (Q)

熱負荷[Y(△T)]

冷房負荷(Qe)冰水主機

製造冷能(Qe)

Qe 圖 2 SIPOC 流程分析冰水耗能

5332

1980 19301022

330 40 300%

20%

40%

60%

80%

100%

0

2000

4000

6000

8000

10000冷房熱負荷冷房熱負荷RT

柏拉圖80/20法則

圖 3 冰水系統之空氣側分析

1.3 冰水系統之逆向思維

本施作工程案延續過去冰水系統節能案，採用

逆向思維（reverse thinking）來執行，確立降低冰

水泵浦耗電為主要目標。從硬體著手提升熱交換器

效率，硬體改善可從二項著手，第一由板片山形紋

挑選出低壓損板片，但又不犧牲原本 U 值(總熱傳

係數)；第二增加板熱數量，使溫差提升，但會提

高成本；但若節能效益能超過初設成本，就是屬於

划算可施作工程。

2. 節能評估與實驗分析

根據過去 13.5HEX(熱交換器)設計評估，在固

定熱傳量情況下，降低冷(cold side)/熱側(hot side)

冰水流量，也就降低泵浦耗電為主要目標。因此評

估著手將溫差拉大，溫差拉大也就必須將

LMTD(對數平均溫差)降低；降低 LMTD 必須提高

UA 值。

Q=UA*LMTD=mCp△T (6)

表 1 原板式熱交換器設計

Ti To Volume U A LMTD Qw Qw' U*A*LMTD

Hot side 19 13.5 544 989.42

Cold side 5.5 9.2 816 998.41

(AK20原始設計值, 板片數169片)

2770 141.7 8.87 2,993,900 2,993,900

2.1 實驗分析

對策 1：降低板片壓損

從熱傳方程式中發現，若要提升熱傳面積(A)，

勢必會影響總熱傳係數(U)。因此在不影響原板式

熱交換器效能，原板片山形紋角度降低 3 倍，可將

流體擾動降低，使壓損減小(如圖 4)，泵浦即可達

成節能成效。因此不同板片山形紋角度搭配勢必更

加重要，一來可維持高的總熱傳係數，又可使熱交

換器壓損最小，泵浦即可重新選用低揚程，馬達重

新選用 IE3 高效率馬達，達成雙重節能功效。

圖 4 不同板式熱交換器山形紋角度

對策 2：提升熱傳面積

在維持原總熱傳係數(U)條件下，板片依據既有

規格與現場空間限制，將板片擴充從 169 片擴充至

最滿 209 片，使熱傳面積提升 24%，冷側溫差變

大，冷側流速降低，達成節省泵浦出力費用。但前

提必須注意的是冰水主機備轉容量是否足夠，因為

在熱傳量不變，泵浦流量降低的熱負荷會轉化成為

冰水主機要克服所增加溫差，因此冰水主機負載會

提升，這點在冰水系統熱負荷轉移必須要去注意。

改善前：板片數量少

改善後：板片數量多

板片多

熱傳大

溫差大

效能升

圖 5 增加板式熱交換板片數量

2.2 節能評估

小角度→低阻抗

θ1 改善後

大角度→高阻抗

θ2

改善前

在固定熱傳量情況下，經過目前實際溫差反推

現在舊熱交換器冷側所供給流量，挑選新熱交換器

設計規格且擴充 24%熱交換器板片，評估經酸洗或

更換高效率型熱交換器回收年限是否划算(如表

2)。目前舊型熱交換器，總熱傳係數較低且板片數

量無擴充滿板(169 片)，運轉 20 年以上，無清洗紀

錄，板片長年積垢已經影響熱傳效能(如圖 6)，夏

季會有備台不足風險，長久間接影響冰水供給流量

增加，造成泵浦耗能提高(從設計溫差 3.7℃→3.1

℃即可得知)。

圖 6 舊熱交換器冷側積垢

預估新熱交換器提升熱傳效能，總熱傳係數(U)

不變，熱傳面積(A)提升 24%，壓損降低 50%，回

收年限大約可 2.1 年(不含熱側節能)；酸洗後舊熱

交換器，總熱傳係數(U)、面積(A)、設計流量(m)

及溫差(△T)仍維持原有設計值，回收年限大約 4.2

年(不含熱側節能)，總結更新成新型熱交換器整體

節能措施可大幅降低運轉成本，既可提升系統穩定

度。

表 2 評估舊熱交換器酸洗或更新

設備

項目新熱交換器

運轉流量 (CMH) 514 431 250

實際ΔT 3.1 3.7 12

用電量 (kW) 75.0 62.9 36.5

節能量 (kW) 12 39

節省效益 (NT$) 287,996 911,297

Initial cost (NT$) 1,200,000 1,920,000

Running cost (NT$) 1,774,595 1,486,599 863,298

Payback(Yrs.) 4.2 2.1

舊熱交換器

酸洗舊熱交換器

表 3 新板式熱交換器設計

Ti To Volume U A LMTD Qw Qw' U*A*LMTD

Hot side 22.1 13.5 350 995.37

Cold side 4.5 16.5 250 992.06 2764 175.2 7.17 3,005,700

案例五(T20新機設計值, 板片數209片)

2,984,436

2.3 熱交換器汰換工程

此工程安排於 APM 施工，從拆除舊熱交換器

到新熱交換器安裝定位、管路焊接、試水試壓及保

溫施作，施工難度在於必須 12 小時內完成。因此

先前工程規劃安排非常重要，才可如期完成。

圖 7 新熱交換器施工設計

新HEX送水及併入系統運轉

舊HEX拆除與新HEX安裝定位

圖 8 新熱交換器施工安裝定位

3. 結果與討論

配合水側節能措施，用以降低 HEX 壓損及增加

板片面積，將舊設備小溫差高阻抗汰換成新設備大

溫差低阻抗。冷側冰水用量降低 353CMH，冷側節

能約 NT$1.0M，溫差提升 11.3 ℃，壓損降低 50%；

熱 側 冰 水 用 量 降 低 52CMH ， 熱 側 節 能 約

NT$0.2M，溫差無明顯差異(如表 4)。

表 4 改善前後熱交換器量測數據

項目

狀態

流體

工作溫度

流量

(CMH)

開度

(%)

泵浦頻率

(Hz)

入口溫度

(℃)

出口溫度

(℃)溫差(℃)

壓損

(kg/cm2)

4.5 356 64 NA 4.81 7.92 3.11 1.8

13.5 169 NA 40 20.8 13.7 7.1 1

4.5 55 17 NA 4.77 19.22 14.45 1.8

13.5 117 NA 40 20.85 13.73 7.12 0.5

新熱交換器

(施工前)

新熱交換器

(施工後)

目標節能確立，必須估算是否投資划算。基本

冷側髒汙

上，設備加上施工單台總費用為 NT$900K，額外

擴充板片 40 片需再增加額外費用約 NT$60K，總

費用為 NT$960K；但是降低耗能可節省費用達

NT$1.2M，回收年限 0.8 年就可回收，實在是很划

算的工程(如表 5)。若冰水主機長年低載運轉，備

轉容量充足，經分析可提升些許冰機負載，換得冰

水泵浦備轉容量，更是節省冰水泵浦擴充費用。

表 5 熱交換器更新投資報酬效益分析

項目

型號板熱片數 NT$/片

板片擴充額外

投資成本(NT$)

設備+施工

投資成本(NT$)

降低耗能

(kW)

節能效益

(NT$/Yr.)

凈效益

(NT$)舊熱交換器 169

新熱交換器 209

差異 24%

1,252,213900,000 1,312,213551,500 60,000

4. 結論

將熱交換器汰換總結有以下三項優點，分別詳

列如下。

提高 HEX 可靠度，確保無塵室正常生產。

改善後 Cpk 從 0.81→1.77。

節省冰水用量，效益 NT$1.2M/Yr

(payback:0.8)。

APM改善前

改善後

圖 8 改善前後板式熱交換器 Cpk 提升

本系統 13.5℃冰水僅供給無塵室乾盤管(dry

coil)控溫使用，因此早期使用熱交換器搭配比例

閥來作為控制供給出水溫度，是非常穩定的設計

(除非比例閥故障)。畢竟，熱交換器是無動件，

沒有動件就不會有故障可能，唯一須注意是密閉

系統水質必須控制佳，避免大量補自來水並將水

中氧置換，避免影響管路與設備之結垢與腐蝕，

間接影響設備效率與管璧變薄之風險。

但是熱交換器之熱轉換效率卻只有 60%，相

較高溫冰水主機電能轉換成機械能之轉換效率可

達 90%，光是效率轉換就相差 30%，更不包含高

溫冰水主機本身效率就非常高，這也就是為什麼本

廠區冰水系統效率(kW/RT)無法跳躍式突破原因。

未來若有費用許可，將擴充高溫冰水主機，

舊廠冰水系統效率將可達到新廠水準。最後，成功

＝目標×方法，只要方向確定就有千百種方法可以

達到目標，而方法就在你我創意之中。

參考文獻

1. 王啟川，熱交換器設計(Ⅰ)，五南圖書，台北

2. Eric M. Smith, Thermal Design of Heat

Exchangers, WILEY.