奇立巧扮無塵室幕後英雄 開創高效智能FFU應用新局
- 周建勳
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綜觀整座電子工廠的耗能，潔淨空調系統用電量往往佔比甚大，動輒三到四成之譜，無塵室須24小時全天侯連續運轉；若深入細究無塵室的電能消耗結構，不可諱言，負責濾除室內微塵粒的風機濾網機組(Fan-Filter Unit；FFU)，佔了相當顯著的一塊，因此業主若欲推動無塵室的節能改善，毫無疑問FFU將是重點項目之一。
在此前提下，FFU整機效率的高低，成為極其關鍵的觀察指標。多數廠房所裝設的FFU數以千計、甚至萬計，量體相當大，若能將低效率產品換置為高效率產品，進而將單機效率提升5%、10%甚至更多，換算成為一年電費支出的節省，都是十分可觀的數字。
此外若以供電方式加以區分，FFU可分交流式(AC)、直流式(DC)等兩大類型，其中後者可透過監控電腦集中控制，及顯示風機運行狀態，儘管初始投資成本相對於AC FFU高，但由於節能係數較為優異，故不管從投資報酬率或回本年限來看，DC FFU反倒更具誘因。
以DC FFU而論，業界平均的整機效率大約落在47%水準，但令人驚艷的，現今市場上已出現效率超過60%的機種，便是由奇立實業(TOPWELL)所推出的FFU產品，且箇中無論是馬達、風扇、箱體、控制基板或監控系統，都出自於該公司的自主研發與生產，是全球除了數德系大廠外、第二家擁有整機開發實力的業者。
如今奇立不以節能效率為自滿，進一步結合大數據、工業4.0等先進技術思維，打造出FFU業界獨有的智慧化模組，使用戶首次可以隨時監測FFU電流、風量及濾網壓損。
基於這些研發成就，奇立在日前特別舉辦「高效智能FFU之應用暨節能標章推展」研討會，並邀集工研院綠能與環境研究所共襄盛舉，闡釋節能標章的市場推展現況，齊力開創高效智能FFU新篇章。
高效FFU x 即時監控反饋，實現最佳化運轉
奇立實業協理張智凱率先登場，以「高效智能FFU之創新與應用」為題發表演說。他指出，環顧廠務系統，冰水機(Chiller)向來被為最大的耗電量體，但從某8代廠實際案例來看，廠內共計10台冰水機，冷凍噸(RT)自1,700到3,100不等，總計耗電量為14,550kW，反觀6.5萬台FFU(含2.5萬台AC FFU、4萬台DC FFU)，總耗電則為14,650kW，與冰水機旗鼓相當；顯見FFU同樣堪稱能耗殺手，只是因為單機耗電量較小而為人忽略，事實上仍蘊含莫大的節能改善空間。
回顧FFU效能演進史，2009年時，AC/DC FFU效率都低於46%；2012年，DC FFU效率攀高到46~51%，加上電源品質改善，就此躍居市場主流；2015年，DC FFU效率提高至56%，並結合開放式監控系統；到了2018年，奇立FFU整機效率升高至60~62%。由前述脈絡來看，FFU大抵維持每隔3年增5%的成長軌跡，但奇立預計在2019年推出效率達66%的新機種，首度打破先前的定律。
談及如何提升FFU節能效益，張智凱建議，可優先將AC FFU換置為DC FFU，如此每台能耗約下降40W，假設以25,000台規模計算，一年可節約8,760,000kw-hr電力度數，相當於省下2,386萬元電費；儘管每台DC FFU平均比AC FFU貴3,000元，2.5萬台便是7,500萬元價差，看來數字頗為驚人，但其實靠著3.14年累積節約的電費，此價差便可完全弭平，黃金交叉過後，DC FFU便會展現更顯著的長線投資價值。
沿用先前8代廠6.5萬台FFU之例，若轉換為奇立66%高效能FFU，每年可節約的電力度數更高達37,230,000kw-hr，等同於每年省下1.09億元電費支出。
張智凱也分享如何選擇最合適的FFU。首先端看靜壓條件是否符合需求，他表示有些用戶會要求FFU全靜壓須達320pa以上高水準，但此舉彷彿「每天開頂級跑車只接送小孩上學」，未必恰當，比較合理的做法，是針對不同區域全靜壓進行區分，並分別訂定常時運轉點與最大運轉點，尤其必須要求FFU在常時運轉點有較高效率，以確保FFU於上線後，便可在高效能的區間運轉。
其次需要有完整的規範要求，範圍涵蓋箱體結構、材質、效率、噪音、振動、諧波、功率因數、軸承壽命(溫升)、安規、軸電流抑制、反應時間… 等等所有面向。再者須要求供應商提整機測試報告，尤應切記風機馬達效率未必等於整機效率，而且僅標示單一運轉點的資料，也不等於整機測試報告。
最後則是透過「總體擁有成本」(TOC)選用FFU，不應只考量設備單機的購置成本，另須從10~15年長線時間軸，估算運轉成本、維護成本；舉例來說，假設有A、B兩款FFU產品，整機效率分別是45%與50%，售價各為8,500元、9,000元，表面看來A款較便宜值得選用，但透過另一角度來檢視，到了第3年，高效的B款的TOC開始小於低效的A款，之後B顯得愈來愈便宜。換言之，如果一開始選擇低效機種，第3~15年的TOC反倒偏高。
「高效之外，更要智能，」張智凱說，奇立援引工業4.0大數據概念開發智能模組，可安裝於FFU內，直接利用FFU的電源、RS-485網路架構進行運作，負責把監測資訊上傳至SCADA，至於可呈現的資訊，包含FFU風量、FFU濾網壓損、FFU即時耗電量、FFU全靜壓、溫濕度等，並透過AI輸入，將廠內Particle Counter、振動計、氣體偵測…等等輸入至FFU SCADA，除可進行無塵室內大數據蒐集、分析、比對，更可透過相同時間軸之交叉分析，立即判斷製程或環境問題發生的原因；此外，透過即時運轉訊息反饋，除可實現無塵室運轉可視化之外，藉由大數據的蒐集與分析，更可以強化無塵室運轉風險管理，實現自動維保提醒、協助年度計畫擬定、運轉策略管理等智能化工廠的目標。他並預告，從2019年起智慧模組將成為奇立FFU的標配，協助用戶掌握即時耗電、風量、壓損等相關數據。
整體來說，FFU最佳化運轉的要件取決於3大項目，包括了訂定適切的規範、選擇高效智能的FFU、即時運轉條件反饋與監控，當上述三大要件得以滿足，結合大數據分析與應用，擬定無塵室運轉策略即可實現最佳化的FFU運轉條件。
工研院FFU測試實驗室，可測風機性能與濾網
來自工研院綠能與環境研究所的陳建舜，介紹工研院的送風機、化學濾網等FFU相關的測試實驗室。他表示，FFU由保護網、馬達、葉片、機殼、控制器與濾網等元件組成，其中濾網所能過濾的主要氣體，包含甲苯、異丙醇、二氧化硫、硫化氫、氨與二甲基硫。
工研院採用的送風機性能測試方法，以美國AMCA210、歐盟ISO 5801為主，端看廠商的需求；若談到FFU之節能標章能源效率基準，則以AMCA210的Fig. 15系統進行測試。
陳建舜指出，在不同溫度、濕度與壓力下，空氣的物理特性不盡相同，為了保持量測一致性，必須先對空氣所處的環境進行規範，才足以正確掌握空氣的各項物理特性；一般而言，常用的空氣狀態有「標準狀態」、「基準狀態」兩種。
送風實驗室產出的報告內容，會顯示當時測試的風量，靜壓、動壓、全壓、空氣密度及全壓電效率，接下來經過轉換，產生標準狀態頁面，後續附上一張標準狀態繪出之綜合圖表，內含P-Q曲線，風機耗電量與轉速。
一般壓力可利用裝有水的彎管中顯示高度，此高度為管內壓力與大氣壓間之差；當空氣在風管流動時，會在管路中產生不同壓力，分為靜壓(Ps)、動壓(Pv)與全壓(Pt)三種。從垂直於管壁的孔中測出的壓力，將之導至一個U型管裝置，可測出該管路的靜壓，利用皮氐管面對風向測得的壓力導入U型管，則獲得全壓，動壓則等於全壓與靜壓之差。依據前述方法，送風機的全壓定義為風機出口、入口的全壓差值，風機靜壓為風機的全壓減去動壓。
陳建舜接著介紹化學濾網實驗室。首先針對「空降氣態分子污染物」(AMC)做說明，乃是空氣中氣態分子，能與基材表面發生化學反應或吸附沈積、並形成薄膜的化學污染物質，分為酸性、鹹性、凝縮性、摻雜等物質類別；該實驗室內建AMC控制技術架構，可針對AMC執鸻微量分析。
有關化學濾網AMC移除原理，主要基於氣體分子吸附過程，氣體分子從氣流中擴散至吸附劑的外表面或孔洞外部，繼而進入孔洞內部並吸附於吸附劑表面，再進行表面擴散至更深層之內孔洞表面，最終AMC會在固體表面進行吸附、觸媒反應、離子交換反應。
透過工研院化學濾網性能測試系統，可執行初始去除效率、飽和吸附容積、壓阻曲線、VOCs釋氣分析、發塵量、濾網後流速分佈等多種測試項目。至於標準氣體配置系統，則利用氣體鋼瓶、溶劑曝氣並搭配質量控制器來做調配，可精準控制測試系統內測試氣體濃度至ppb等級。
總結來說，綜觀化學濾網性能測試系統的測試能力，溫度範圍為10°C~35°C，溼度範圍35~95% RH，風量範圍為面風速0.3~2.5 m/s，測試物種含括異丙醇、甲苯、鄰苯二甲酸二乙酯、氨、硫化氫、二氧化硫、硫酸二甲酯，供風氣流之潔淨度大於0.3μm。
FFU及FCU等工業產品，可望納入節能標章認證
工研院綠能與環境研究所資深管理師林玲如，介紹節能標章相關政策推展現況。台灣設備器具能源效率管理架構，涵蓋強制性的容許耗用能源基準(MEPS)、能源效率分級標示，及自願性質的節能標章制度。其中MEPS旨在禁止低能源效率、高耗能產品之進口或國內販售；能源效率標示可提供消費者產品耗能、能源效率資訊，以利消費者選用節能產品；節能標章可引導廠商研發生產高能源效率產品，並透過簡易圖案之辨識，鼓勵消費者優先選用高效率產品。
設備器具推動產品之篩選原則大致包含5項，首先以全國規模來看，選定總耗能相對較大的產品；第二在住家、辦公室或商業場所使用量較大的產品，或增長較快的產品；第三為高能源效率技術已成熟，但未獲市場普遍採用的產品；第四消費者能在合理的期間內，回收因提升能源效率所增加之產品購買成本；最後為耗能、功能可被量測及認證的產品。
林玲如指出，根據前述原則，已成功推動家用電器、燃氣器具、交通工具、商用設備等51項節能標章認證產品；而工業產品雖暫未納入節能標章管理，但未來規劃加入FFU、FCU(小型送風機空調)等耗能大且普及率高的產品項目。
截至2018年11月26日，節能標章認證共計309家品牌、6,938款有效產品，另依據2018年第3季獲證廠商季報統計，各項產品的標章使用枚數，累計達2.39億枚。
論及節能標章申請流程，係以節能標章線上申辦系統為入口，廠商一旦與執行單位(工研院)簽訂節能標章使用契約，便可經由專人輔導啟用這套系統，包括提出新案申請或證書展延；提出後，工研院原則上在1個月內完成申請資料初審(經審定須進行補正的廠商，應在接獲通知的3個月內補件)，爾後經驗審會複審通過，即獲發節能標章使用證書。
經由系統整改，老舊FFU死棋變活局
本次研討會的壓軸議程為「FFU系統整改(整合改造)實務案例分享」，由奇立實業協理吳堂嘉擔綱主講。他表示，FFU長期處在封閉世界，其他系統要想與FFU整合，難度相當高，導致用戶一旦遭遇「FFU既有廠商不提供服務」、「FFU監控系統故障」、「FFU增減或移位監控系統卻無法更新」、「別的系統都可整合、唯獨FFU監控系統不行」，及「FFU故障卻無廠商可維護」等問題，就會陷入孤立無援窘境。
有鑑於此，奇立決定跳脫業界慣性，採取開放兼容的策略來設計TOPWELL FFU產品及FFU監控系統，力求讓原本無解的難題出現轉機。自此之後，用戶可利用TOPWELL FFU監控系統、或任何大眾化圖控介面軟體，透過開放式通訊協定，集中監測跨廠牌的FFU設備，完全打破傳統封閉格局，讓用戶不再進退失據；更有甚者，即便用戶端的FFU已故障且沒有廠商提供維護，亦可委由奇立提供高效率馬達扇葉修改服務，一經修改，不僅能繼續運轉，而且效率更高。
「奇立可根據客戶需求，提出完美套餐，」吳堂嘉說，無論客戶既有FFU的電氣規格為何(含單相、三相、電壓、功率)、尺寸規格為何(含2X4、4X4或其他尺寸，加上運轉能力及效率分析)、通訊規格為何(含RS-485、LONWORKS、BITNET或其他通訊界面，甚至無通訊界面)，也不管資料收集方式、監控系統軟體架構，皆可進行整改。
有關FFU監控系統的整改步驟，假使既有FFU相關資料完整，則完全不需更動原本FFU硬體及線路，只要更新為奇立的Gateway，再更新圖控系統，很快就大功告成，爾後便以新圖控軟體加上電腦做為FFU監控系統，並透過Ethernet收集資料、透過RS-485進行FFU通訊。
萬一既有FFU相關資料不完整、或使用特殊通訊協定，奇立亦可妥善處理，一樣是三部曲，首先更新為奇立的FFU控制器，接著同樣執行Gateway與圖控系統的更新，再加上FFU馬達及風扇的更新，即可完成整改程序。
經過整改後，圖控系統與Gateway之間會進行100Mbps雙向通訊，由Gateway扮演底層FFU與上位圖控系統之間的橋樑，每台Gateway至多串接378台FFU，它一方面藉由RS-485網路(9,600bps)、以6 Loop(每Loop含63筆資料)同步執行FFU狀態資料的彙集，另一方面經由Ethernet將所得資訊上傳圖控系統，也負責將上位電腦所下達的命令佈達到FFU控制器。
截至今日，奇立已參與多個FFU監控系統的整改實際案例。譬如某南科光電廠採用已停產日系FFU達5,000台，無奈既有Gateway故障無法修復，加上監控系統老舊、無廠商可提供更新，於是奇立協助轉換Gateway、圖控軟體，原有的FFU硬體與線路不動，迅速化解僵局。
此外另一南科光電廠採用「八國聯軍」達2萬台FFU，監控系統已達4套，原系統廠商都已退出市場，故廠務單位期望能化零為整，藉由簡單化、單一化架構進行維護管理，為此奇立協助整合其間帶有通訊協定的部份，使之順利加入新的集中化監控系統架構，至於特殊廠牌的損壞部份則逐年汰換，據此滿足客戶期望。
不僅如此，包括某中科半導體廠監控系統故障、造成資料無法上傳美國總部，某竹科光電廠原監控系統資料更新速度慢，某南科光電廠被網路風暴、既有FFU控制器維修昂貴、FFU資料無法上傳FMCS等問題所苦惱，通通都在奇立的整改下重見天日。
