李訓谷 組長/副研究員

國立成功大學能源科技與策略研究中心

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台灣之高科技產業是目前經濟之主要動力，以半導體晶圓製造及光電工業為主軸，並帶動封裝測試及光電周邊產品製造等產業，最近更延伸至生物科技產業。高科技產業之能源需求量相當龐大，是台灣主要的電能用戶。根據經濟部能源局的能源查核資料顯示：半導體等高科技廠房電能使用資料中，製程電能消耗約佔整廠的45% ，而廠務空調冰水系統約佔其中耗電量的23%；其中，為了達到潔淨室所需之恆溫恆濕要求，潔淨室空調系統之外氣空調箱(Make-up Air Unit, MAU)對於冷卻除濕或預熱加濕所需之能量，約佔高科技廠房空調系統30~65%的耗能，是極大之能源負載所在。

圖1 熱管內部構造與熱傳遞模式。

 

傳統外氣空調箱節能方法有雙冰水溫度系統、串聯冰水管路等，但這些方法除了有系統複雜與相互能源損耗之缺點外，且皆需消耗電力之動件。然而，熱管式被動式熱傳(Passive Heat Transfer)之裝置，其工作原理為利用物質相變化時，以熱傳遞形式為傳導、蒸發、對流，以及冷凝之機制，吸收或移除熱能。據相關研究文獻顯示，熱管之有效熱傳導係數高過銅材質約200~500倍，因此，其成為具有極高熱傳效率之元件。

熱管的結構十分簡單(如圖1所示)，基本上是將液體(通常為抽真空的冷媒)填充在一根細長、中空，且兩端封閉的金屬管中，此管的內壁建構一層毛細物體(wick)。當熱管的一端至於較高溫處，而另一端處於較低溫時，則熱傳現象便開始進行。對於熱管之高溫處部分，稱為蒸發端(Evaporator)，蒸發後的汽體隨即通過中空管向熱管較低溫端流動，所以當汽體到達較冷的一端時，即開始產生冷凝作用，而此部分稱之為冷凝端(Condenser)。至於凝結的工作流體，則又因毛細現象(Capillary pumping)的作用，自冷凝端回流至蒸發端，周而復始地進行高低溫側之能量傳遞，則為熱管傳熱原理。

 

圖2 外氣空調箱結合熱管應用之系統示意圖。

由於它無須動力元件，可將其應用於外氣空調箱進行能量回收且轉移利用，及再熱盤管的組合。如圖2所示，將熱管之蒸發端置放於冷卻除濕盤管前，作為預先冷卻引進的高溫外氣，節約部分所需冷卻能源；同時，自熱管蒸發端吸收的熱量，透過內部的傳遞至另一端為冷凝端，以進行排熱，此位於冷卻除濕盤管後，作為再熱用途，用以節約加熱所需能源。因此，雙倍節能為本應用之最理想目的。

以高科技廠房空調系統為例，其設置為雙冰水溫度系統於MAU中進行冷卻除濕工作。目前既設雙冰水溫度系統以9℃冰水預冷及5℃冰水冷卻除濕，再熱部分則以冰機冷卻水熱回收的方式供熱，總計冰機運轉耗電量為590 kW。然而，當應用2排管排數目之熱管熱交換器後，節省預冷與再熱能源合計為97kW，但因增加管排數而使得風車運轉電力提高約5kW。計算獲得節能效益為15.6%，即(97-5)/590*100%=15.6%。因此，外氣空調箱結合熱管熱交換器可降低引入外氣之焓值，節省預冷盤管之顯熱能量；另一方面，經由熱管冷凝端之排放熱能，作為加熱盤管之再熱熱源，以減少加熱盤管原來需供應之熱能，達到節省冰熱水系統之能源成效。