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一年為半導體廠節省 1,400 萬度電! 台達「HVAC 與流體設備解決方案」如何藉由提升馬達驅動效率實踐綠色轉型?

2050 淨零碳排被各國列為產業發展重點目標,如何成功節能、省下大筆電費,並降低碳排,已成為企業提升競爭力的必要策略。然而無論是工廠或一般商用建築,用電設備的種類和數量都非常多,也讓許多業者苦於不知從何開始著手節能規劃。

面對這樣的情形,台達機電事業群驅動方案事業部經理李國樑建議,HVAC 和流體設備可展現最明顯的節能效益,尤其是流體設備中的馬達。李國樑引述工研院的 2017 年研究(註 1)指出:「馬達在台灣整體工業用電中占比高達近 70%,而用於冷凍空調、空壓機、風機和泵浦等設備的馬達耗電量,更是佔全球總用電的 45% 左右。」因此若能提升這些設備的馬達效率,整體系統能耗就會有感降低。

何謂 HVAC 與流體設備?李國樑解釋,HVAC 是 heating, ventilation and air conditioning 的縮寫,泛指用於室內或車內負責暖氣、通風,與空氣調節的系統或相關設備。至於流體設備,則是指將機械能量與流體(液體及氣體)能量互相轉換的設備,泵浦、風扇、壓縮機等皆屬此類。近幾年在 ESG 與產業智慧化兩大趨勢下,HVAC 與流體設備也都出現新的需求與技術挑戰。

HVAC 與流體設備的三大新需求與兩大挑戰

HVAC 與流體設備的新需求,體現在能效提升、諧波抑制及友善使用等三大層面。隨著歐盟碳邊境調整機制(CBAM)、美國清潔競爭法案(CCA)等法令相繼上路,提升馬達能效已成為當務之急。其次是諧波抑制,由於電網諧波會影響電力品質,易造成設備故障,加速設備損耗與降低性能,因此國際電工協會的 IEC 61000-3-12 標準就要求商用 HVAC 的總諧波失真低於 48%,設備必須有效抑制諧波、改善電力品質,滿足市場需求。第三是友善使用,近幾年工業物聯網快速普及,泵浦、冰水主機、空壓機等設備逐漸走向智慧化,使用者更加希望透過感測器與設備聯網機制,遠端即時掌握設備運作狀態,並以預知保養功能避免非預期停機,讓設備的可用性最大化。

挑戰方面,HVAC 和流體設備為提升能效,逐漸以高效的永磁馬達取代傳統感應馬達,「不過永磁馬達需要稀土,稀土材料來源有其侷限性,開採過程也會影響環境,導致永磁馬達成本居高不下,」李國樑分享。另一方面,現在高效離心壓縮機等特定應用,已逐漸轉爲採用磁浮軸承系統,這類系統雖然具備零磨耗、無汙染等特色,但導入需要高度技術能力,維護成本也偏高,從而影響市場接受度。

對於上述需求與挑戰,長期深耕流體行業的台達已有完整解決方案。李國樑強調:「我們的產品線完整、品質良好,不只用在各種工業、商業和家用等場域,也大量應用於台達自己的產線。這些長期累積的專業技術與經驗,完全體現在產品的多樣類型和齊全功能,無論是單一設備或成套完整解決方案,台達都可以滿足需求,成為客戶節能減碳的強力後援。」

用於冷凍空調、空壓機、風機和泵浦等設備的馬達耗電量,就佔全球總用電的 45% 左右,提升這些設備的馬達能效,系統能耗成本就能有感降低。

「高速流體解決方案」以四大特色開創成本、空間與操作優勢

李國樑提到,台達在 HVAC 與流體設備領域的重點產品,包括高速流體解決方案、MSI 永磁磁阻馬達,與直驅式永磁變頻冷卻水塔解決方案。李國樑分享:「高速流體解決方案主要是透過四大特色滿足市場新需求,協助客戶克服挑戰,並且在節能效益與空間效率方面都有顯著優勢。」

四大特色為:第一,專為高速應用特別開發的驅動器,可解決客戶以往必須選擇功率與體積更大的變頻器以因應高載波的問題;第二,採用無需齒輪箱的直驅系統,可降低設備成本與摩擦損失;第三,使用變頻器的直流入電,不須外加獨立電源與 AC/DC 轉換器;第四,台達自行設計的高速馬達不必外加輸出電抗器,進一步節省成本和安裝空間。 

除了成本和空間優勢外,台達在操作便利性方面也有創新設計。台達開發的一鍵式調機設計,將複雜調機過程內建於控制器中,並加入自主學習功能,讓使用者可以一鍵設備最佳化,無需原廠技師進行繁瑣的現場調試,大幅縮短導入時程,同時降低維修保養的時間和成本。

「MSI 系列永磁磁阻馬達」成工廠節能省電的關鍵助力

台達的 MSI 系列永磁磁阻馬達則是專為流體行業設計,具備高效能與節能效益。李國樑表示,MSI 系列永磁磁阻馬達遵循 IEC 高效能標準,特別適合在長時間、低負載條件下運行。相較於同功率的感應馬達,永磁磁阻馬達的體積和重量更小巧,其輕量化和高功率密度設計讓這項產品的安裝更靈活,與變頻器搭配使用,進一步提升節能效果。

另一方面,如前文所述,馬達佔台灣整體工業用電比例相當高,提升這些設備馬達的效率,對工廠整體能耗的降低有直接且顯著的影響。因此,達到 IE4 與 IE5 高效能標準的 MSI 系列永磁磁阻馬達,就可以作為企業落實 ESG 指標的助力。李國樑就以台達自身為例:「台達將自家工廠的一台 45kW 的冷凍泵浦,替換成 MSI 系列永磁磁阻馬達後,能耗節省 9.6%,另一台 11kW 空調箱風機替換後,亦節省 8.1% 用電量。」

「直驅式永磁變頻冷卻水塔解決方案」讓節能效果提升 19.7%

第三項重點產品為「直驅式永磁變頻冷卻水塔解決方案」。傳統的冷卻水塔依賴鼠籠式感應馬達,以及齒輪或皮帶式減速機驅動風扇,此作法的缺點包括運行成本高、無法以超低轉速運行、維護頻繁、組件繁多安裝費時、占用大量空間及缺乏智能運行等。相較之下,台達的直驅式永磁變頻冷卻水塔解決方案透過高效永磁馬達直接驅動風扇,結合先進的變頻技術,有效克服上述問題。

台達的設計不僅提高整體系統的運行效率、降低運行成本,更具有自然對流散熱、低轉子電流損耗、馬達定子激磁電流低、無減速機構損耗、傳動體積小且不影響風量等特點。經過實測,台達直驅式永磁變頻冷卻水塔解決方案與傳統皮帶式減速機相較,節能效果提升可達 19.7%,成效相當可觀。

李國樑也提到,台灣法規對冰水主機和馬達的效率已有明確的分級要求,台達解決方案不僅可滿足台灣規定的 IE3 等級,更能提升達到 IE4 或 IE5 標準,符合更嚴苛的歐美國家能效規範。

冷卻塔風扇具低轉速、高扭力的特性,台達直驅式永磁變頻冷卻水塔解決方案提高整體系統的運行效率,降低運行成本。

以「一站式服務」推動綠色轉型進展、深化節能減碳價值

台達 HVAC 與流體設備解決方案,多年來已協助各類型工業、商業與建築大樓實現節能目標。近期最具指標性的案例,是著名半導體製造廠採用台達智能冰機解決方案和 HVAC 系統後,讓無塵室在大幅降低耗電量的同時,仍能保持機台系統穩定運作並優化能源使用效率。「導入台達的解決方案後,這家半導體客戶一年內節省了 1,400 萬度電,能效提升了 16% 以上,且投資成本在兩年內得以回收,」李國樑分享。

台達積極協助各領域客戶導入 HVAC 和流體設備解決方案,從節能諮詢顧問開始,先協助客戶診斷案場狀態、找出關鍵根因與改善機會,再藉由一系列高效產品組合和完整解決方案,讓節能成效最佳化。李國樑強調,台達提供的不只是技術與產品,「我們希望為客戶帶來顯著的節能減碳價值,在綠色轉型過程中有實質進展,同時讓經濟和環境得以兼顧,共創雙贏榮景。」

註 1:參見陳婉箐,〈加速馬達產業升級 跨入高效新世代〉。《工業技術與資訊月刊》,2017年2月,第304期,頁30-31。