臺北科技大學優質電力供電產業研發碩士專班學位論文
國立臺北科技大學,正常發行
選擇卷期
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本論文調查台灣本島之老人福利機構建築數量、規模及類型等，發現其數量達到一千家以上，並統計分析其結果，從中選取12案例進行現場探訪，調查各案例機構之空調設備、熱水系統、使用行為等，並進行簡易的空氣品質量測，最後評估該機構是否有空氣品質、設備耗能及通風不足等問題。整理現場探訪調查結果，並計算出12案例機構之EUI值，分析各案例之設備、使用行為、通風等與EUI值間的關係。再從這12案例機構中選取其中2機構，並以建築能源模擬軟體eQUEST進行實際耗能模擬，以目標機構實際電費單來比較此耗能模型的準確性，最後依此耗能模型進行建築節能改善，比較此2案例機構之耗能改善前後所節省的耗能量及金錢。 調查結果顯示，都市化程度越高之地區，其老人福利機構之數量也越多。而從現勘12案例機構之EUI值分析結果得知，空調設備之效率、熱水使用之系統、建築使用行為及建築通風都與EUI值有直接的關係。而eQUEST模擬改善結果顯示，案例一將空調系統改為中央空調系統、加裝外氣風機，並將熱水系統改為熱泵熱水器後，全年花費金額可減少850,758元，相當於節省了39.1%的費用，案例二將空調設備更換成新型、高效率之吊隱式分離冷氣機、在頂樓加裝隔熱板及加裝排風風機，並將熱水系統改為熱泵熱水器後，全年花費金額可減少85,238元，相當於節省了19.8%的費用。研究顯示老人福利機構具有甚大的節能潛力，以空調、熱水、通風及隔熱為主要。
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建築物於火災發生時，往往除了起火點以外，常因濃煙竄流而造成非火災區域煙霧瀰漫，阻礙人員逃生、財產損失與妨礙消防人員進入火場救災。因此，維持火災區域之無害條件，為火災安全重要之一環。 本研究針對防煙區劃內部的居室（隔間）排煙系統，研究內容為現行之相關法規、國內外研究與設計文獻之研析，透過三個實例FDS電腦模擬結果，驗證防煙區劃內隔間設2%有效開口為有效替代機械排煙口的方案，並以火災居室有效開口排煙量及煙層下降情況進行比對，具體分析結果如下: 一、文獻分析發現，針對防煙區劃內居室（隔間）以有效開口排煙上，尚無具體研究案例及成果可供參考，學術研究多在小隔間火場煙流計算，及對流排煙與煙動力導致滲入鄰近空間等問題，以防煙為主的美國建築法規對本問題亦無提及。 二、透過電腦模擬分析比對後發現，法定2%有效開口之排煙能力可達1cmm/m2，符合現行消防法規要求。 三、在相同條件下，有排煙設備相較於無排煙設備，可增加逃生時間約43%。 四、2%有效開口比例，以扁長形狀比例及裝置位置越高，有較佳之排煙性能。 五、2%有效開口位置與火災室火源相對位置，對於排煙性能影響較不顯著。 六、機械排煙口與2%有效開口相對位置之路徑愈短，其排煙效果愈佳。 七、排煙口位置屬天花板型或側壁型，對於排煙性能之影響皆不顯著。 綜整本研究分析結果顯示，2%有效開口為有效替代機械排煙口方案，在法定標準的安裝方式下，可達到相當於法定機械排煙口之排煙效能。
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根據摩爾定理(moore's law)，半導體電路上可容納的電晶體數目，約每隔24個月便會增加一倍。但是在2010年國際半導體技術發展路線圖顯示，在2013年年底便會開始偏離，之後電晶體數量密度預計變更為每三年增一倍。為了能讓定律繼續適用，極短紫外光微影技術(EUV)是目前被視為最有效的方法，尚未出現可以應用在極短紫外光微影技術的防塵薄膜材料，雖然光波波長只有13.5nm，可以進行更小尺寸的微影技術，卻由於光波越短所以越容易受到環境的影響，以至於照射過程是必須在真空環境下進行，無法採用舊式DUV防塵薄膜來隔絕微粒，因此需要一個特殊的設計實施存放、運輸，防止光罩受到汙染。 氮氣充填已經證明可以有效的阻止在晶圓片表面上來自空氣中的水氣沉積。藉由氮氣充填與真空技術的相互比較，希望找出新型EUV Pod (Extreme Ultraviolet Mask Pod, EUV光罩盒)上，在水氣和微粒的去除的優化。 本研究所選用的EUV Pod是用雙層盒來設計，保護方式主要是利用進、出氣口的濾膜和內外盒的間隔來做微粒、水氣的隔離，但已經進入到EUV Pod的汙染物仍需要做清除。故此研究實驗探討：1.運用氮氣充填，觀察水氣和微粒的去除效率。2.運用真空系統，觀察水氣和微粒的去除效率。 3.比較兩者之間的優劣。從實驗發現濾膜孔徑過小對充填效率影響極大，真空移除與氮氣充填的差異，在於內盒與外盒裡面的潔淨度是否同步。在水氣移除上，真空系統較充填優秀。在微粒方面，0.130μm以下的微粒數與微粒粒徑呈二次多項式關係；真空系統會經破空過程使微粒隨氮氣進入EUV pod內，導致去除效率較差。
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隨著集成電路飛速的發展，傳統光學的193nm浸潤式搭配雙重曝光技術，讓產業得以延伸到32nm~22nm製程，但發展到22nm製程以下採用多重曝光技術，製程難度會大幅增加，間接使生產成本大增。極短紫外光 (EUV) 波長可達到13.5nm，被視為延續moore‘s law(摩爾定理)最有效的方法。 極短紫外光與傳統曝光的差異是，所有的設計都是採用反射式鏡片，但目前的問題是微影機台曝光功率和無缺陷光罩。無缺陷光罩的可用性是一個問題，微影機台曝光功率則會影響到晶圓量產的速度。機台的曝光功率會影響到成本效益，EUV微影機台本體的消耗功率約在350千瓦[26]，由於二氧化碳雷射產生極短紫外光，會耗去非常多的能量，真正利用到的能量很少，ASML的EUV微影機台可用功率已經達到60W，必須要將功率提高到250W，每小時生產100片晶圓才能符合效益。由於所有物直接會吸收極紫外光輻射(包括空氣)，無法採用傳統的防塵薄膜來防護微粒和化學汙染物，勢必需要一個特殊的容器來存放、運輸，防止光罩受到外界汙染。 新的EUV Pod (EUV光罩盒)是採用雙層盒設計，保護方式主要是利用進氣和出氣口的濾片和內外盒的間隔來做汙染物的隔離，但已經進入到EUV Pod的汙染物仍需要透過外力來清除。 本實驗是藉由在光罩盒中放甲苯、氨比較充填潔淨乾燥空氣和抽真空的移除效果。充填條件分為，兩進兩出、兩進一出與一進一出，SEMI E152-0709在2009年有規範兩個進氣口，增加了兩個通氣口做為預留用，但沒有明確規定用途。因為實驗架構是經由出氣口量測盒內汙染物之濃度，故選用兩進兩出、兩進一出來比較，一進一出是驗證文獻中CFD模擬進氣條件不同去除汙染物的優劣，經由實驗比較後，發現光罩盒有洩漏情形下，兩進兩出、兩進一出去除汙染物至原濃度5%的時間並無差別，一進一出移除效果比兩進兩出來的差。在氣態分子汙染物去除部分，甲苯容易排除；氨則是易殘留在光罩盒中。抽真空與充填CDA比較後發現，CDA是充填流量越高，去除效果越佳。真空腔體和光罩盒內容積比在51：1下，抽至15.9 torr所花的時間為兩分三十秒，模擬一個長、寬、高比光罩盒多五公分的真空腔體進行推算，抽真空能在短時間內去除大量的氣態分子汙染物。
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長久以來能源轉換係數沒有詳細而清楚的計算範圍例。以致各廠的數值差異頗大。針對中小尺寸面板廠，本論文對廠務耗電量前六大之廠務系統，以實際每日設備運轉RAW DATA進行計算及分析，建立此等設備之能源轉換係數ECF (Energy Conversion Factor)，前六大用電設備如下﹕Chiller、CDA、FFU、MAU、PCW、Exhaust。所有計算過程皆用表列展示，希望能對ECF有一致性的標準計算方法。利用所建立的ECF，本研究亦針對一中小尺寸面板廠以六個可行之節能方案作評估。本研究顯示結合ECF及Fab Energy Simulation(FES)軟體的優點，即將欲評估節能的廠內各能源轉換係數經詳細計算並輸入FES軟體中，可針對Fab欲改善的案列進行先期估算計算節能成效，對於閱讀者有很大之幫助。
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本研究以一二氧化碳熱泵熱水系統進行最佳冷媒側氣冷器出口壓力之分析探討，於65℃與90℃出水溫度下，分析冷媒側氣冷器出口溫度與最佳冷媒側氣冷器出口壓力之關係，並以文獻中65℃出水溫度下之最佳冷媒側氣冷器出口壓力公式與實驗數據進行探討。結果顯示65℃出水溫度下，以冷媒側氣冷器出口溫度為參數之最佳冷媒側氣冷器出口壓力公式可以準確預測最佳壓力，因此於90℃出水溫度下，以此參數進行迴歸分析實驗數據，提出一90℃出水溫度下之最佳冷媒側氣冷器出口壓力公式，結果顯示此公式能準確預測90℃出水溫度下之最佳冷媒側氣冷器出口壓力。本研究進一步以此公式與65℃出水溫度下之實驗數據進行比較，結果顯示，最大誤差達到11.36%，顯示在90℃出水溫度下所得到之最佳冷媒側氣冷器與65℃出水溫度時之最佳冷媒側氣冷器出口壓力有明顯不同。
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純水系統前段逆滲透 (RO，Reverse Osmosis)產水過程所流通過的水溫須控制在25℃，目的是增加產出水量亦提昇整體效能。因此，水溫控制熱源來自電熱式熱水鍋爐的加溫，耗用大量電能，為了減少純水系統耗能而進行節能改善，並對節能成效作深入的探究。本文主要研究內容分為純水系統恆溫控制及冷卻水熱回收節電效益分析。 本文主要以新竹科學園區某半導體廠為案例，以全年供水量842,825 m3 ，由新竹寶山水庫供應水源，依需求供給自來水池儲水，蓄水溫度隨著季節性的不同而有所變化，全年可分成兩個時段。12~5月時段自來水池的進水溫度在17.7~20.9℃之間，另一時段6~11月水池進水溫度在22.5~24.7℃之間。本研究將較高溫的冰水機冷卻水，流經供水池熱交換獲得熱回收的效益。本研究之創新設計與實施方法驗證可以不啟動原設電熱鍋爐下，維持水溫在25℃。這兩時段的熱回收量分別為2,478,887,720 kcal及646,320,139 kcal，換算為原電熱式熱水鍋爐兩個時段的耗電量分別計算得2,882,428 kWh及751,535 kWh，一年合計節省3,633,963 kWh，換算總電費為8,716,510元。依據台電公告101年電力排放係數為0.532 公斤CO2 /度，計得每年減少排放18,572噸 CO2。以台北市大安森林公園25.8公頃，而每公頃樹林一年可以吸碳15公噸換算，本研究成果等同48座大安森林公園的吸碳量。
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空調系統耗能約佔一般商業大樓總耗電量的40~50%左右，所以空調系統的節能仍有相當大的空間，常採用的節能方法有，風車系統採用變頻變風量控制、泵浦系統採用變頻變流量控制，其轉速隨著負載大小的變化而做風量、水量的調整，以達到節能的目的。 空調系統的風車與泵浦都屬於流體機械的一種，所以適用風車之相似定律、泵浦之相似定律，理論的相似定律軸功率與變風量、變流量後之軸功率，中間有3次方的比例關係，但實際軸功率與理論軸功率差異頗大。 本研究利用柏努利方程式運算模擬，一個空調變頻泵浦配管系統的運轉操作點，求出各系統操作點的耗能，再與理論泵浦之相似定律耗能做比較，最後整理歸納出空調變頻泵浦配管系統耗能的泵浦相似定律公式。
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製程中晶圓(wafer)及晶圓傳送盒(FOUP)會受到許多次汙染，以蝕刻製程為例，晶圓經過蝕刻製程, 汙染物以氣態分子汙染物(AMC, Airborne Molecular Contaminant)形式揮發後附著在FOUP壁面，進入下一道製程，附著於FOUP壁面的AMC可能再次揮發，並附著於下一批晶圓，如此反覆幾道程序，會嚴重影響晶圓的製程良率，所以製程時FOUP開門瞬間的氣流場非常重要。本文利用計算流體力學軟體，針對不同FFU下吹氣流流速(0.3m/s~0.7m/s)與不同導流管填充流量(45LPM、90 LPM、135 LPM、180 LPM、270 LPM、360LPM)，模擬 FOUP/LPU在晶圓盒載卸動作下FOUP內部之流場行為及內部容易滯留汙染微粒之區域。模擬發現FOUP門完全開啟時，FFU下吹氣流從開口處往FOUP流入，如此不但無法將AMC帶走，反而將AMC全部吹至壁面。若FFU下吹氣流流速(0.3m/s)較低時，外部氣流影響FOUP微環境並不大。門扉開啟情況下導流管噴射氣流均勻的將FOUP內部氣流導引至微環境中，但導流管噴射氣流與FFU逆向氣流會於晶圓間隔處形成擾流；其中最佳情況以在開口處上方加裝氣簾其流量為導流管二分之一(0.125m/s、0.25m/s、0.375m/s、0.5m/s、0.75m/s、1m/s)，FOUP於門扉開啟情況下最利於將汙染物向微環境移除。
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現代建築大量採用的人工建材、室內裝潢及陳設型態所造成之汙染，均有可能引致更多的室內空氣品質汙染源，對於人體健康威脅不容小覷，若長期下沒有改善造成室內空氣品質不佳的情況下，容易造成如病態大樓症候群（Sick Building Syndrome）以及各種建築相關疾病（Building Related Illness, BRI），因此，為維護國民健康與生活環境為目的，行政院環境保護署訂定「室內空氣品質建議值」，而本研究以數值模擬之方式，分析圖書館及養老院在密閉情形內之室內空氣品質。 本研究以商用套裝軟體ANSYS FLUENT 14.5分析在空間內之內部流場分佈情形，模擬空間內人體排放之二氧化碳，觀察在不同的空間內二氧化碳擴散之情形，與空氣年齡做比對，並找出各空間改善之方針加以模擬及比較。結果顯示，圖書館在加入外氣條件下，二氧化碳濃度雖有下降，仍需加強室內空氣對流以避免二氧化碳堆積；養老院A在有充足的外氣下，空氣品質將得以有效改善；養老院B之入口處二氧化碳濃度較低，為改善在內側空間之二氧化碳堆積，選擇開窗來加強空氣對流，來改善室內空氣品質；養老院C較為空曠，二氧化碳堆積較不明顯，開窗後即可得到良好的改善。