奇立巧扮无尘室幕后英雄 开创高效智能FFU应用新局
- 周建勳
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综观整座电子工厂的耗能，洁净空调系统用电量往往占比甚大，动辄三到四成之谱，无尘室须24小时全天侯连续运转；若深入细究无尘室的电能消耗结构，不可讳言，负责滤除室内微尘粒的风机滤网机组(Fan-Filter Unit；FFU)，占了相当显着的一块，因此业主若欲推动无尘室的节能改善，毫无疑问FFU将是重点项目之一。
在此前提下，FFU整机效率的高低，成为极其关键的观察指标。多数厂房所装设的FFU数以千计、甚至万计，量体相当大，若能将低效率产品换置为高效率产品，进而将单机效率提升5%、10%甚至更多，换算成为一年电费支出的节省，都是十分可观的数字。
此外若以供电方式加以区分，FFU可分交流式(AC)、直流式(DC)等两大类型，其中后者可透过监控电脑集中控制，及显示风机运行状态，尽管初始投资成本相对于AC FFU高，但由于节能系数较为优异，故不管从投资报酬率或回本年限来看，DC FFU反倒更具诱因。
以DC FFU而论，业界平均的整机效率大约落在47%水准，但令人惊艳的，现今市场上已出现效率超过60%的机种，便是由奇立实业(TOPWELL)所推出的FFU产品，且个中无论是马达、风扇、箱体、控制基板或监控系统，都出自于该公司的自主研发与生产，是全球除了数德系大厂外、第二家拥有整机开发实力的业者。
如今奇立不以节能效率为自满，进一步结合大数据、工业4.0等先进技术思维，打造出FFU业界独有的智能化模块，使用户首次可以随时监测FFU电流、风量及滤网压损。
基于这些研发成就，奇立在日前特别举办「高效智能FFU之应用暨节能标章推展」研讨会，并邀集工研院绿能与环境研究所共襄盛举，阐释节能标章的市场推展现况，齐力开创高效智能FFU新篇章。
高效FFU x 实时监控反馈，实现最佳化运转
奇立实业协理张智凯率先登场，以「高效智能FFU之创新与应用」为题发表演说。他指出，环顾厂务系统，冰水机(Chiller)向来被为最大的耗电量体，但从某8代厂实际案例来看，厂内共计10台冰水机，冷冻吨(RT)自1,700到3,100不等，总计耗电量为14,550kW，反观6.5万台FFU(含2.5万台AC FFU、4万台DC FFU)，总耗电则为14,650kW，与冰水机旗鼓相当；显见FFU同样堪称能耗杀手，只是因为单机耗电量较小而为人忽略，事实上仍蕴含莫大的节能改善空间。
回顾FFU效能演进史，2009年时，AC/DC FFU效率都低于46%；2012年，DC FFU效率攀高到46~51%，加上电源品质改善，就此跃居市场主流；2015年，DC FFU效率提高至56%，并结合开放式监控系统；到了2018年，奇立FFU整机效率升高至60~62%。由前述脉络来看，FFU大抵维持每隔3年增5%的成长轨迹，但奇立预计在2019年推出效率达66%的新机种，首度打破先前的定律。
谈及如何提升FFU节能效益，张智凯建议，可优先将AC FFU换置为DC FFU，如此每台能耗约下降40W，假设以25,000台规模计算，一年可节约8,760,000kw-hr电力度数，相当于省下2,386万元电费；尽管每台DC FFU平均比AC FFU贵3,000元，2.5万台便是7,500万元价差，看来数字颇为惊人，但其实靠着3.14年累积节约的电费，此价差便可完全弭平，黄金交叉过后，DC FFU便会展现更显着的长线投资价值。
沿用先前8代厂6.5万台FFU之例，若转换为奇立66%高效能FFU，每年可节约的电力度数更高达37,230,000kw-hr，等同于每年省下1.09亿元电费支出。
张智凯也分享如何选择最合适的FFU。首先端看静压条件是否符合需求，他表示有些用户会要求FFU全静压须达320pa以上高水准，但此举彷佛「每天开顶级跑车只接送小孩上学」，未必恰当，比较合理的做法，是针对不同区域全静压进行区分，并分别订定常时运转点与最大运转点，尤其必须要求FFU在常时运转点有较高效率，以确保FFU于上线后，便可在高效能的区间运转。
其次需要有完整的规范要求，范围涵盖箱体结构、材质、效率、噪音、振动、谐波、功率因数、轴承寿命(温升)、安规、轴电流抑制、反应时间… 等等所有面向。再者须要求供应商提整机测试报告，尤应切记风机马达效率未必等于整机效率，而且仅标示单一运转点的数据，也不等于整机测试报告。
最后则是透过「总体拥有成本」(TOC)选用FFU，不应只考量设备单机的购置成本，另须从10~15年长线时间轴，估算运转成本、维护成本；举例来说，假设有A、B两款FFU产品，整机效率分别是45%与50%，售价各为8,500元、9,000元，表面看来A款较便宜值得选用，但透过另一角度来检视，到了第3年，高效的B款的TOC开始小于低效的A款，之后B显得愈来愈便宜。换言之，如果一开始选择低效机种，第3~15年的TOC反倒偏高。
「高效之外，更要智能，」张智凯说，奇立援引工业4.0大数据概念开发智能模块，可安装于FFU内，直接利用FFU的电源、RS-485网络架构进行运作，负责把监测信息上传至SCADA，至于可呈现的信息，包含FFU风量、FFU滤网压损、FFU实时耗电量、FFU全静压、温湿度等，并透过AI输入，将厂内Particle Counter、振动计、气体侦测…等等输入至FFU SCADA，除可进行无尘室内大数据蒐集、分析、比对，更可透过相同时间轴之交叉分析，立即判断制程或环境问题发生的原因；此外，透过实时运转信息反馈，除可实现无尘室运转可视化之外，藉由大数据的蒐集与分析，更可以强化无尘室运转风险管理，实现自动维保提醒、协助年度计划拟定、运转策略管理等智能化工厂的目标。他并预告，从2019年起智能模块将成为奇立FFU的标配，协助用户掌握实时耗电、风量、压损等相关数据。
整体来说，FFU最佳化运转的要件取决于3大项目，包括了订定适切的规范、选择高效智能的FFU、实时运转条件反馈与监控，当上述三大要件得以满足，结合大数据分析与应用，拟定无尘室运转策略即可实现最佳化的FFU运转条件。
工研院FFU测试实验室，可测风机性能与滤网
来自工研院绿能与环境研究所的陈建舜，介绍工研院的送风机、化学滤网等FFU相关的测试实验室。他表示，FFU由保护网、马达、叶片、机壳、控制器与滤网等元件组成，其中滤网所能过滤的主要气体，包含甲苯、异丙醇、二氧化硫、硫化氢、氨与二甲基硫。
工研院采用的送风机性能测试方法，以美国AMCA210、欧盟ISO 5801为主，端看厂商的需求；若谈到FFU之节能标章能源效率基准，则以AMCA210的Fig. 15系统进行测试。
陈建舜指出，在不同温度、湿度与压力下，空气的物理特性不尽相同，为了保持量测一致性，必须先对空气所处的环境进行规范，才足以正确掌握空气的各项物理特性；一般而言，常用的空气状态有「标准状态」、「基准状态」两种。
送风实验室产出的报告内容，会显示当时测试的风量，静压、动压、全压、空气密度及全压电效率，接下来经过转换，产生标准状态页面，后续附上一张标准状态绘出之综合图表，内含P-Q曲线，风机耗电量与转速。
一般压力可利用装有水的弯管中显示高度，此高度为管内压力与大气压间之差；当空气在风管流动时，会在管路中产生不同压力，分为静压(Ps)、动压(Pv)与全压(Pt)三种。从垂直于管壁的孔中测出的压力，将之导至一个U型管装置，可测出该管路的静压，利用皮氐管面对风向测得的压力导入U型管，则获得全压，动压则等于全压与静压之差。依据前述方法，送风机的全压定义为风机出口、入口的全压差值，风机静压为风机的全压减去动压。
陈建舜接着介绍化学滤网实验室。首先针对「空降气态分子污染物」(AMC)做说明，乃是空气中气态分子，能与基材表面发生化学反应或吸附沈积、并形成薄膜的化学污染物质，分为酸性、咸性、凝缩性、掺杂等物质类别；该实验室内建AMC控制技术架构，可针对AMC执鸻微量分析。
有关化学滤网AMC移除原理，主要基于气体分子吸附过程，气体分子从气流中扩散至吸附剂的外表面或孔洞外部，继而进入孔洞内部并吸附于吸附剂表面，再进行表面扩散至更深层之内孔洞表面，最终AMC会在固体表面进行吸附、触媒反应、离子交换反应。
透过工研院化学滤网性能测试系统，可执行初始去除效率、饱和吸附容积、压阻曲线、VOCs释气分析、发尘量、滤网后流速分布等多种测试项目。至于标准气体配置系统，则利用气体钢瓶、溶剂曝气并搭配质量控制器来做调配，可精准控制测试系统内测试气体浓度至ppb等级。
总结来说，综观化学滤网性能测试系统的测试能力，温度范围为10°C~35°C，湿度范围35~95% RH，风量范围为面风速0.3~2.5 m/s，测试物种含括异丙醇、甲苯、邻苯二甲酸二乙酯、氨、硫化氢、二氧化硫、硫酸二甲酯，供风气流之洁净度大于0.3μm。
FFU及FCU等工业产品，可望纳入节能标章认证
工研院绿能与环境研究所资深管理师林玲如，介绍节能标章相关政策推展现况。台湾设备器具能源效率管理架构，涵盖强制性的容许耗用能源基准(MEPS)、能源效率分级标示，及自愿性质的节能标章制度。其中MEPS旨在禁止低能源效率、高耗能产品之进口或国内贩售；能源效率标示可提供消费者产品耗能、能源效率信息，以利消费者选用节能产品；节能标章可引导厂商研发生产高能源效率产品，并透过简易图案之识别，鼓励消费者优先选用高效率产品。
设备器具推动产品之筛选原则大致包含5项，首先以全国规模来看，选定总耗能相对较大的产品；第二在住家、办公室或商业场所使用量较大的产品，或增长较快的产品；第三为高能源效率技术已成熟，但未获市场普遍采用的产品；第四消费者能在合理的期间内，回收因提升能源效率所增加之产品购买成本；最后为耗能、功能可被量测及认证的产品。
林玲如指出，根据前述原则，已成功推动家用电器、燃气器具、交通工具、商用设备等51项节能标章认证产品；而工业产品虽暂未纳入节能标章管理，但未来规划加入FFU、FCU(小型送风机空调)等耗能大且普及率高的产品项目。
截至2018年11月26日，节能标章认证共计309家品牌、6,938款有效产品，另依据2018年第3季获证厂商季报统计，各项产品的标章使用枚数，累计达2.39亿枚。
论及节能标章申请流程，系以节能标章在线申办系统为入口，厂商一旦与执行单位(工研院)签订节能标章使用契约，便可经由专人辅导启用这套系统，包括提出新案申请或证书展延；提出后，工研院原则上在1个月内完成申请数据初审(经审定须进行补正的厂商，应在接获通知的3个月内补件)，尔后经验审会复审通过，即获发节能标章使用证书。
经由系统整改，老旧FFU死棋变活局
本次研讨会的压轴议程为「FFU系统整改(整合改造)实务案例分享」，由奇立实业协理吴堂嘉担纲主讲。他表示，FFU长期处在封闭世界，其他系统要想与FFU整合，难度相当高，导致用户一旦遭遇「FFU既有厂商不提供服务」、「FFU监控系统故障」、「FFU增减或移位监控系统却无法更新」、「别的系统都可整合、唯独FFU监控系统不行」，及「FFU故障却无厂商可维护」等问题，就会陷入孤立无援窘境。
有监于此，奇立决定跳脱业界惯性，采取开放兼容的策略来设计TOPWELL FFU产品及FFU监控系统，力求让原本无解的难题出现转机。自此之后，用户可利用TOPWELL FFU监控系统、或任何大众化图控界面软件，透过开放式通讯协定，集中监测跨厂牌的FFU设备，完全打破传统封闭格局，让用户不再进退失据；更有甚者，即便用户端的FFU已故障且没有厂商提供维护，亦可委由奇立提供高效率马达扇叶修改服务，一经修改，不仅能继续运转，而且效率更高。
「奇立可根据客户需求，提出完美套餐，」吴堂嘉说，无论客户既有FFU的电气规格为何(含单相、三相、电压、功率)、尺寸规格为何(含2X4、4X4或其他尺寸，加上运转能力及效率分析)、通讯规格为何(含RS-485、LONWORKS、BITNET或其他通讯界面，甚至无通讯界面)，也不管数据收集方式、监控系统软件架构，皆可进行整改。
有关FFU监控系统的整改步骤，假使既有FFU相关数据完整，则完全不需更动原本FFU硬件及线路，只要更新为奇立的Gateway，再更新图控系统，很快就大功告成，尔后便以新图控软件加上电脑做为FFU监控系统，并透过Ethernet收集数据、透过RS-485进行FFU通讯。
万一既有FFU相关数据不完整、或使用特殊通讯协定，奇立亦可妥善处理，一样是三部曲，首先更新为奇立的FFU控制器，接着同样执行Gateway与图控系统的更新，再加上FFU马达及风扇的更新，即可完成整改程序。
经过整改后，图控系统与Gateway之间会进行100Mbps双向通讯，由Gateway扮演底层FFU与上位图控系统之间的桥梁，每台Gateway至多串接378台FFU，它一方面藉由RS-485网络(9,600bps)、以6 Loop(每Loop含63笔数据)同步执行FFU状态数据的汇集，另一方面经由Ethernet将所得信息上传图控系统，也负责将上位电脑所下达的命令布达到FFU控制器。
截至今日，奇立已参与多个FFU监控系统的整改实际案例。譬如某南科光电厂采用已停产日系FFU达5,000台，无奈既有Gateway故障无法修复，加上监控系统老旧、无厂商可提供更新，于是奇立协助转换Gateway、图控软件，原有的FFU硬件与线路不动，迅速化解僵局。
此外另一南科光电厂采用「八国联军」达2万台FFU，监控系统已达4套，原系统厂商都已退出市场，故厂务单位期望能化零为整，藉由简单化、单一化架构进行维护管理，为此奇立协助整合其间带有通讯协定的部份，使之顺利加入新的集中化监控系统架构，至于特殊厂牌的损坏部份则逐年汰换，据此满足客户期望。
不仅如此，包括某中科半导体厂监控系统故障、造成数据无法上传美国总部，某竹科光电厂原监控系统数据更新速度慢，某南科光电厂被网络风暴、既有FFU控制器维修昂贵、FFU数据无法上传FMCS等问题所苦恼，通通都在奇立的整改下重见天日。
