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《節能案例》

節能案例

使用熱管設計外氣空調箱
行業別
電子電機業

設備別

空調系統
案例說明

  外氣空調的耗能佔了空調系統的極大部分,其最主要的耗能在於以冰水盤管將高濕度的外氣除濕時,需要將外氣溫度降到露點溫度方能除濕,除濕完成的低濕完成的低溫空氣無法直接送進潔淨室,需要以熱水盤管將溫度提升到合理的溫度後送入潔淨室,與潔淨室中吸收機台顯熱氣流混合之後,才能達到潔淨室溫、溼度的要求規格。由空氣中移除單位水分所需要的耗能極大,再加上潔淨室的外氣空調箱一般來說進氣量都很大(數十萬至百萬CMH),因此總體的耗能極高。在節約能源的考量下,如果能將這個最大耗能的部分作有效的節約,將會節省大量的運轉費用。

  熱管(Heat Pipe)應用在外氣空調箱可有效達成節約能源的目的,但目前大多僅見於小型空調箱,潔淨室用的大型空調箱尚不多見。典型IC廠潔淨室擴充工程所新設的兩組外氣空調箱,為了節能因素而採用了熱管的設計,由以下的分析可以估算出,運用熱管設計於此外氣空調箱,每年約可節約運轉成本達354萬元/年。

1.熱管的工作原理

  熱管的基本原理利用密閉於管路中的冷媒,在管路不同端因溫度差而造成內部冷媒流動,通常冷媒的運動會伴隨著相變化,而管路兩端的熱量得以快速的交換使達成熱平衡。管路下端因為高溫使冷媒蒸發,冷媒流動到管路上方將熱量傳遞後,又因為凝結而成為液體冷媒而流下,管路兩端的熱量也就因此得以交換。

  在空調箱的應用上,熱管都是成兩道盤管,一道在冷卻盤管之前,另外一道則在冷卻盤管之後,二者間管路相通。冷盤前的預冷盤管先將高溫高濕的外氣做初步的冷卻,當冷卻盤管將外氣除濕到設計的對溼度時,出風溫度會過低,此時熱回收盤管會將在預冷時吸收的熱量再度適當釋放,如果熱量不足則再用鍋爐產生的熱水來加熱。

2.外氣空調箱運用熱管的效益分析

  某IC廠擴充區所增設的兩台貝滊空調箱,除了正常的兩道冷盤與一道加熱盤管外,另外增加了冷盤管前後的循環盤管,以溫水在這兩道盤管間流動,正常的熱管在盤管內的工作流體是冷媒,兩道間的流動是靠重力與相變化產生的驅動力;在本廠應用的工作流體是水,而流動主要是靠pump來驅動。

  為了計算增加這個熱管對於空調箱的運轉效益如何,將空調箱的各個狀態點找出來,以熱力學性質計算在每個過程中的耗能,便可得到熱管的效益。在此分析是以空調箱的設計資料作為計算基準。

  狀態點1是外氣的條件。以夏季時溫溼度35℃與80%RH代入,如此可以計算在最嚴重時的狀況。

  由於熱管的預冷盤管進水溫度為18.7℃,空調箱進氣溫度會下降而預冷盤管出水溫度會提高到29.7℃。狀態點2為空氣離開預冷盤管時因降溫而使溫溼度成為30.2℃與94% RH。

  狀態點3是空氣通過第一段冰水盤管後的狀態,經過第一段冰水盤管的除濕作用,每立方公尺體積的空氣會被去除14.6公克的水分,而此時溫溼度為15.8℃與100%RH,這表示目前空氣是處在飽和狀態。

  空氣通過第二段冰水盤管後的狀態,經過第二段冰水盤管會將空氣再次除濕,每立方公尺體積的空氣會被去除4.4公克的水分,而此時溫溼度為8.3℃與100%RH,這表示空氣是處在飽和狀態。第一段冰水盤管是除濕作用最主要區域,但經過第一道除濕後,要再除下4.4公克的水則必須將溫度降低到8.3℃方能達成。

  除濕後空氣通過預熱盤管後的狀態點。此部份的能量是由預冷盤管吸收的熱量轉來的,通過預熱盤管後溫溼度可達到20.9℃與44.7%RH,這樣的狀態就可以直接送進潔淨室與循環空氣混金了。如果從預冷盤管得到的熱量不足,另外可以用預熱盤管後的熱水盤來補充不足的熱量。

  熱管運用在外氣空調箱可以節約預冷盤管原先需要冰水的能量,以及預熱盤管原先需要補充熱水的能量。2部風量為60000CMH的外氣空調箱共可產生120000CMH的進氣量,在預冷盤管可以節約p.Q3Δh=1.19(kg/m3)×120000(m3/h)×12.93(kj/kg)÷4.186(kj/kcal)÷3024(kcal/RT)=145.9RT(冷凍噸)同樣地,預熱盤管也可節約相同的能量。預冷盤管節約金額的計算:
每冷凍噸每小時耗能電力1.35kW/h
每月電力節省=145.9×1.35×24×30=141815度
每月電費節省=141415×1.64元=23.3萬元/月

預熱盤管的能量由鍋爐所產生,其可節約金額計算如下:
天然氣每立方米熱能為8956kcal/m3
鍋爐的效益為0.8
天然氣每立方米8.76元
所需天然氣流量為y
145.9=145.9×3024(kcal/h/TR)=y(m3)×8956(kcal/m3)×0.8
y=145.9×30244÷8956÷0.8=61.58m3/h
所需金額為61.58×8.76×24×30=38.8萬元/月

因此運用熱管設計的外氣空調箱共可節約運轉費為23.3+38.8=62.1萬元/月

  為以上的計算是基於全載運轉且以夏季的狀況估算,若一年中夏季條件以3個月估計,其他季節運轉節約效率平均以30%計算,則每年可節約的運轉成本為:62.1×(3=9×30%)=62.1×5.7=354萬元/年

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