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奇立巧扮無塵室幕後英雄 開創高效智能FFU應用新局

奇立實業張智凱協理,說明高效智能FFU之創新與應用

新竹訊

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。

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工研院綠能與環境研究所陳建舜,介紹工研院FFU測試實驗室

工研院綠能與環境研究所林玲如資深管理師,講解節能標章制度及其申辦程序

奇立實業吳堂嘉協理,分享FFU監控系統整改實務案例

奇立於活動現場展示單套圖控系統整合多品牌FFU實例,打破FFU產業多年來封閉慣性,獲得來賓熱烈的關注與迴響。

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。

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