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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:孫鴻德
研究生(外文):Hung-Te Sun
論文名稱:台灣高科技廠節能技術之分析
論文名稱(外文):Status Analyses on Energy Conservation Technologies for High-Tech Fab of Taiwan
指導教授:陳士麟陳士麟引用關係
指導教授(外文):Shi-Lin Chen
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:213
中文關鍵詞:廠務系統運轉最佳化綠色科技廠房
外文關鍵詞:Facility system optimizationGreen Fab
相關次數:
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摘 要
高科技廠之能源使用量盛大,一棟12吋晶圓廠契約容量約為60~120 MW、一棟8.5代面板廠契約容量約為100~ 150MW,相當於一個小城鎮的用電量,廠務設施、製程機台各佔了55%、45%的用電;概分為四個部分進行探討。
一、廠務系統與節能技術說明,對空調、電力、空壓等節能技術原理與能源效率予以探討,包含空調之空氣側、水側節能措施;電力的功率因數補償、減少線損,照明效率提昇;空壓的降低入口溫度,多機連鎖控制等進行分析。
二、既設廠房之節能現況,包含汰換效率較差的空調、照明設備,UPS經濟運轉模式,空調水側運轉最佳化改善採ESCO方式導入及節能績效檢測之分析,製程設備機台開機率與產能利用率搭配的運轉最佳化進行探討。並以近年執行案例予以說明。
三、新建綠色廠房之節能規劃,美國LEED與台灣EEWH綠建築評估系統兩個之差異及如何規劃與導入,包含建築外殼、空調系統、照明系統之節能,廠務最佳供應模式及高效率之節能設備之選用,使用綠色能源及低能耗之設備。並以台灣近三年獲獎之經典案例進行說明。
四、節能績優廠商之執行案例進行節能技術收集、分類,彙整其執行改善措施後,予以歸納、探討,並找出特殊作法及未來科技廠之節能執行方向,以達成企業永續發展的長遠目標。



Abstract
High-tech Fab energy use grand, a 12-inch Foundry Fab contract capacity of about 60 ~ 120 MW, a 8.5-generation TFT Fab contract capacity is about 100 ~ 150MW, equivalent to a small town with electricity, Fab facility, each machine processes 55%, 45% of the electricity; shall be divided into four parts to explore.
1 Facility system and Energy conservation, and air conditioning, electricity, compressed air and other energy saving technologies and energy efficiency principles to be explored, including air conditioning of the air side, water side energy conservation measures; electricity power factor compensation, reducing line losses, the efficiency of lighting upgrade; Air inlet temperature reduction, multi-machine control chain analysis.
2 Both set up Fab's energy status, including the replacement of less efficient air-conditioning, lighting equipment, UPS economic operation mode, air conditioning, water side of the operation optimization ESCO importing and energy-saving performance testing energy saving improvement analysis, process equipment, machine operation rate and capacity operation with optimal efficiency to explore. And to perform the case in recent years are described.
3 The new Fab's green energy plan, and the U.S. LEED & Taiwan EEWH Green Building Rating System and how the differences between two planning and import, including the building shell, air conditioning system, lighting system energy saving, Facility and the best mode of supply, high efficiency energy saving equipment selection, use of green energy and low energy consumption equipment. And Taiwan in recent years with award winning classic case of a description.
4 The blue chip companies implement energy saving case for energy conservation technology to collect, classify, archive their implementation of improved energy efficiency measures, to summarize, discuss, and identify special practices and technologies of the future plant's energy executive direction, in order to achieve long-term sustainable development of enterprises goals



目 錄
中文摘要 I
abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XIV
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2研究內容與貢獻 4
1.3章節概述 7
第二章 台灣高科技廠之廠務供應系統架構與節能技術原理 12
2.1前言 12
2.2半導體晶圓代工及封裝測試廠之製程簡述 12
2.3科技廠製程所需之設施條件 20
2.4廠務系統架構及節能技術的基本原理 22
2.4.1廠務系統整體架構說明 23
2.4.2製程設備廠務設施用電特性 32
2.4.3無塵室及空調系統之節能技術 35
2.4.4電力及照明與其它廠務供應系統 47
第三章 台灣高科技廠節能技術現況 69
3.1前言 69
3.2 電力系統及照明之節能手法 69
3.3廠務空調及排氣系統節能模式 76
3.4製程設備運轉最佳化 86
3.5案例介紹 90
3.5.1台灣積體電路(股)公司 90
3.5.2友達光電(股)公司 94
3.5.3 聯華電子(股)公司 96
3.5.4日月光半導體(股)公司 廠際節能競賽 104
第四章 台灣新建綠色建築(含科技廠房)之節能規劃 109
4.1 前言 109
4.2 綠建築系統簡介與科技廠之導入 110
4.3 廠務最佳供應模式及高效率之節能設備之選用 117
4.4廠務空調系統與無塵室建廠之設計原則 119
4.5 案例介紹 123
4.5.1 台灣積體電路(股)公司 123
4.5.2 友達光電(股)公司 133
4.5.3 台達電子(股)公司 137
4.5.4 成功大學孫運璿綠建築研究大樓 140
第五章 2010年台灣節能績優科技廠商之執行項目分類及資料檢索 149
5.1 前言 149
5.2節能網站之資料檢索 149
5.3節能績優科技廠之執行項目分類及資料歸納 152
5.4節能規劃導引原則 177
第六章 結論與展望 179
6.1 結論 179
6.2未來展望 183
參考文獻 186
附錄A 熱泵之原理與節能 189
附錄B 變頻器之原理與型式 192
附錄C 專有名詞說明 195
附錄D 能源資訊之單位網址 197

圖目錄
圖1.1-1節約減碳可阻止全球暖化及海平面上昇 1
圖1.1-2 我國2010年能源供應結構所佔比例 2
圖1.1-3台電歷年裝置容量與尖峰及平均負載圖 3
圖2.2-1半導體製程之簡介 13
圖2.2-2各式各樣的半導體產品 15
圖2.2-3 IC封裝流程圖 15
圖2.2-4完成一條金線之銲線動作 17
圖2.2-5銲線完成後之晶粒與導線架 18
圖2.3-1 SMIF Pod與製程設備關係圖 21
圖2.4-1廠務系統供應、運轉、排放示意圖 22
圖2.4-2晶圓廠之配電單線系統圖 24
圖2.4-3潔淨室之氣流方式:(A)層流式(均勻流式);(B)紊流式(非均勻流式);(C)混合式 26
圖2.4-4隧道型式之無塵室 27
圖2.4-5空調由空氣、冰水、冷卻水三大系統所組成 28
圖2.4-6空調系統各單元之耗能圖 29
圖2.4-7酸/毒性、鹼性、有機及一般性廢氣 31
圖2.4-8製程設備運轉用電量變化 33
圖2.4-9廠務設施之運轉用電量變化 34
圖2.4-10半導體封裝廠為例之用電佔比 35
圖2.4-11典型潔淨室空調系統循環示意圖 35
圖2.4-12傳統外氣空調箱 36
圖2.4-13熱回收外氣空調箱 36
圖2.4-14典型潔淨室空調系統循環示意圖 37
圖2.4-15典型檔板控制可變風量系統示意圖 38
圖2.4-16平板式(叉流式)與轉輪式之全熱交換器 38
圖2.4-17熱管式熱交換器 38
圖2.4-18典型檔板控制可變風量系統示意圖 39
圖2.4-19變頻控制可變風量系統示意圖 40
圖2.4-20加開外氣空調箱之改善前後圖 41
圖2.4-21單溫及雙溫冰水系統圖 41
圖2.4-22不同冰水溫度下的主機耗電狀況 42
圖2.4-23二次側水泵變頻控制系統示意圖 43
圖2.4-24冰水系統於不同冰水溫度下的耗電狀況 43
圖2.4-25一般冰機與熱回收冰機之比較示意圖 44
圖2.4-26冰水系統於不同冷卻水溫度下的耗電狀況 45
圖2.4-27電感性負載電流關係圖 48
圖2.4-28功率三角形 48
圖2.4-29 SEMI F47-0200壓降幅度與時間 51
圖2.4-30 S-UPS系統單元圖 52
圖2.4-31 D-UPS(動態)機組部位說明 53
圖2.4-32正常運轉模式 53
圖2.4-33緊急運轉模式 54
圖2.4-34緊急運轉模式轉速及頻率變化圖 55
圖2.4-35照明整體名稱示意 56
圖2.4-36照明電光轉換三元素 57
圖2.4-37光源體種類 57
圖2.4-38螢光燈技術之規格 58
圖2.4-39直管螢光燈燈具元素 61
圖2.4-40空壓機及乾燥機之系統圖 62
圖2.4-41 CDA總運轉成本分析 63
圖2.4-42 CDA能源費用分析 63
圖2.4-43壓縮空氣原理 63
圖2.4-44多機連鎖控制的節能效益 65
圖2.4-45離心式與螺旋式之排氣壓力與耗電比較 66
圖2.4-46容調、加卸載與變頻控制之耗電比較圖 66
圖2.4-47空壓系統運轉控制最佳化 67
圖2.4-48免漏與一般快速接頭之分析 68
圖2.4-49無耗氣式自動卻水器動作分解圖 68
圖3.2-1 UPS 400kVA 系統方塊圖 70
圖3.2-2雙迴路電源與靜態轉換開關圖示 71
圖3.2-3戶外照明直反射示意圖 72
圖3.2-4道路照明步行眩光防制 72
圖3.2-5設計不當與建議燈具 73
圖3.2-6城市光廊 73
圖3.2-7照明管理系統與晝光利用節能效果 74
圖3.2-8各類燈具之光源發光效率 75
圖3.2-9利用空間燈光控制及自然採光達到期望照度 76
圖3.3-1冰水系統性能評比圖 77
圖3.3-2依泵浦及風扇相似定律 78
圖3.3-3一般科技廠空調系統圖 79
圖3.3-4空調系統冰水一次泵、冷卻水泵、冷卻水塔風扇加裝變頻器 80
圖3.3-5空調系統加設系統最佳化軟體 81
圖3.3-6各設備節能前後用電量變化 83
圖3.3-7友達L5A 節能成效與驗證方式 84
圖3.5-1用電量及單位晶圓耗電量趨勢圖 91
圖3.5-2天然氣用氣量及單位晶圓耗氣量趨勢圖 91
圖3.5-3總用水量及單位晶圓耗水量趨勢圖 93
圖3.5-4半導體廠各系統用電分布狀況 97
圖3.5-5 聯電 8E 廠各系統用電分布狀況 98
圖3.5-6潔淨室氣流循環與能量平衡圖示意圖 100
圖3.5-7節能宣導 105
圖3.5-8契約容量與電費之關係圖 107
圖4.2-1依得分高低共分下列四種等級圖 113
圖4.3-1晶圓廠之配電、變壓、緊急電力、D-UPS供電示意圖(1) 117
圖4.3-2晶圓廠之配電、變壓、緊急電力、D-UPS供電示意圖(2) 118
圖4.4-1三層及單層式潔淨室剖面圖 119
圖4.4-2離心式冰水主機之組成 120
圖4.4-3電腦伺服器主機房實體及最佳氣流通道散熱圖 122
圖4.5-1高、中壓電力電容器盤 124
圖4.5-2電燈拉線式開關 124
圖4.5-3馬達加設變頻器進行變流量控制 124
圖4.5-4雙溫度冰水系統與降低冰水主機備用機組 125
圖4.5-5熱回收主機之熱水供應流程圖 126
圖4.5-6熱泵主機及冷氣端送風口 127
圖4.5-7一般廢熱排氣回收 127
圖4.5-8混合型路燈 128
圖4.5-9太陽能熱水器 128
圖4.5-10空橋LED照明 128
圖4.5-11台積電Fab14 P3 LEED-NC黃金級認證的建築物 129
圖4.5-12滴灌及免沖水小便斗 131
圖4.5-13防水膜、PS隔熱板、不織布與隔熱磚保護面完成面 132
圖4.5-14氣驅式風力發電系統 133
圖4.5-15一般排氣回收系統 133
圖4.5-16製程設備熱能回收系統 134
圖4.5-17太陽能面板與軸流式風機路燈 135
圖4.5-18台達電子台南廠 137
圖4.5-19善用樓梯技巧自然採光 138
圖4.5-20外牆自然採光稜角遮陽 138
圖4.5-21天窗引入自然光反射入中庭 138
圖4.5-22屋頂設置太陽光電 138
圖4.5-23生物多樣性之生態池 139
圖4.5-24孫運璿綠建築研究大樓建築外觀圖 141
圖4.5-25奈米光觸媒使用範例戶外裝修及洗手台與外牆石材表面 142
圖4.5-26屋頂植栽增加生物多樣化及隔熱節能 142
圖4.5-27可隨季節調動角度之太陽能光電板 143
圖4.5-28不同開窗率與隔熱構造及遮陽和節能玻璃之五間能源實驗屋 143
圖4.5-29夏季正午時刻不同外環境風速之室內風速場比較 144
圖4.5-30不同開口條件模擬 144
圖4.5-31不同外環境溫度之中庭溫度場可視化結果 145
圖4.5-32熱管原理圖 145
圖4.5-33太陽能無動力通風架構示意及應用 146
圖4.5-34浮力通風示意圖 146
圖4.5-35葉片流場計算分析與設計 147
圖4.5-36 50kW蜂窩式六角形結構 147
圖4.5-37噪音控制與良好室形及適宜裝修材料的適切音響計畫 148
圖4.5-38國際會議中心餘響評估實驗 148
圖A-1 冷氣機「移熱裝置」 189
圖A-2大氣取熱式熱泵熱水器 191
圖B-1 變頻器電路架構 192
圖B-2方波調變電路圖 193

表目錄
表1.1-1全球主要能源之蘊藏及耗量統計 3
表2.3-1 Facility table晶圓廠無塵室之生產環境 20
表2.4-1潔淨室標準等級及單位體積之顆粒量 26
表2.4-2潔淨室的氣流速度與換氣次數 27
表2.4-3半導體封裝製程設備數量配比表 32
表2.4-4製程設備能源需求表 33
表2.4-5變頻控制下風機運轉狀況 40
表2.4-6不同主機在冷卻水溫降低時的性能提升效益 45
表2.4-7光源種類壽命及發光特性 59
表2.4-8光源種類特性及用途 59
表2.4-9空壓機組廠牌與保養方式及乾燥機型式選用 62
表2.4-10降低空壓機入口溫度的節能效益 64
表3.2-1室外照明之高效率燈具 72
表3.3-1一次冰水泵浦、冷卻水泵浦、冷卻水塔風扇節能控制方式 80
表3.3-2空調系統水側最佳化前後比較 83
表3.3-3各設備節能前後用電量比較表 83
表3.4-1晶圓測試廠開關機管制表 87
表3.4-2生產、待料時間長短管制通則 87
表3.4-3高耗水、氣、電能源之製程設備統計 88
表3.4-4製程設備開機率 89
表3.5-1壓縮機乾燥系統含水率調整效益 94
表3.5-2 FFU供應減量,分三階段檢討後展開 95
表3.5-3 FFU供應減量後效益 95
表3.5-4各廠用電量日均值與前月用量比較 104
表3.5-5能源稽核案例 105
表3.5-6能源稽核加權積分統計表 106
表3.5-7契約容量最佳化試算 108
表4.2-1參考歐、美、日等國資料制訂台灣綠建築九大指標 110
表4.2-2綠建築九大指標對地球及環境之關係 114
表4.2-3美國LEED及台灣EEWH 綠建築評量系統比較 116
表4.3-1科技廠之特高壓供電及緊急電供應模式彙整 118
表4.4-1不同主機在冷卻水溫降低時的性能提升效益 119
表4.4-2建築節能方案模擬 120
表4.4-3建築節能方案之耗能 121
表5.2-1奇美電子之整體節能績效 151
表5.3-1產業節能項目彙整 152

參考文獻
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