製程冷卻水(PCW)水路設計最佳化周龍賓

2014.10.31

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壹. 前言與摘要顧名思義，製程冷卻水(Process Cooling Water)用於冷卻製程中發熱的機器、儀器等設備。這些設備統稱為「製程機台」或「機台」。這

原本是非常簡單的水路系統，卻因為高科技產業蓬勃發展而變為非常

重要。

高科技產業例如晶圓(Wafer)與TFT-LCD產業機台造價極高，動輒上億台幣。這麼精密昂貴的機台應該在潔淨室(Clean Room)裡穩定連續運轉，源源不斷創造產值，最好永遠不需要停止運轉。

這些精密昂貴的高科技製程機台還是要靠最傳統的「水冷式散熱器」

冷卻。卻因其精密昂貴，故而對冷卻水的溫度、壓力、潔淨度要求甚

嚴。導致PCW系統設計與施工品質要求極高，著重在「穩定」，最好永不生變。

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壹. 前言與摘要本文摘要如下：

一、 最穩定、節能而又廉價的PCW系統是「頂部開放系統(Top-Open System，以下簡稱T系統)」。運轉管理/控制也最簡便。

二、 「底部開放系統(Bottom-Open System，以下簡稱B系統)」最耗能也最耗材，造價最高，水質劣化最快，捲入空氣最多，停機落水空

管，運轉管理與控制最繁雜。

三、 「密閉系統(Closed System，以下簡稱C系統)」最大風險在「補水失控超壓當機或爆管」與「排水失控失壓當機」。為了克服這風險

，運轉管理/控制很繁雜。

本文分別論述上述三種系統的設計綱領，也論述它們運轉的常態問題以

及潛在風險。

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貳. 頂部開放PCW系統設計綱領

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一. 系統流程與儀控如圖(1)

二. 膨脹/蓄水槽放在系統管路頂部水槽的水面略高於全系統管路之最高點，

且槽內水面以上開放(與大氣相通)。有此特徵之系統通稱為「頂部開放水路系統」

(Top-Open Hydronic System)。

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貳. 頂部開放PCW系統設計綱領

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三. 溢流管與通氣管合一而且設置存水彎優點為：

1. 存水彎的水封阻斷了槽內水面以上的空間與外界空氣自由流通的管道，大幅減少空氣中

的O2、CO2、CO等氣體溶於水中的質量流率。

2.存水彎蓄存水柱高度大約40 cm。因而槽內水面上的壓力很低，只有0 ±

40 cm水柱高，

如同開放於大氣的水槽一般。

3.存水彎的水封可代替昂貴的「氮封桶」槽內，水面以上的空間可充氮氣保護水質。

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貳. 頂部開放PCW系統設計綱領

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四. 系統回水總管上端直通膨脹/蓄水槽系統回水總管為氣泡與浮油、污物的陷阱。

這些氣泡與油污一旦掉入這陷阱，較有機

會上浮至槽內水面。

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貳. 頂部開放PCW系統設計綱領

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五. 補給「新水」溢流「舊水」若要提高水質、降低PCW的導電度，只須強制補給(灌入)新水，舊水則逐漸自膨脹/蓄水槽的溢流管排出。

以此方式排放舊水的優點如下：

1. 是「補給新水，排放舊水」，很節省新水。2. 是「水槽先滿水再溢流」，很安全。比起「先排放

舊水，再補給新水」的方式安全多了！不但可省略

壹組「排水控制閥」，而且可免除排水控制閥與

(或)其控制系統故障或失常所引起危機,例如「異常開啟」或「開啟後無法關敝」

3. 可將槽內水面的浮油與汙物排出系統。

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貳. 頂部開放PCW系統設計綱領

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六. 相對優勢1. 泵揚程與功率較低

不但泵本身購置費用低，其電源側設備器材─

例如變頻器、斷路器、電磁接觸器、電源變壓器、

輸配電纜…等─建置費用也降低。

2. 運轉電費降低泵揚程較低，運轉耗電較低，大幅節省電費，為

地球節能減碳。

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貳. 頂部開放PCW系統設計綱領

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六. 相對優勢3. 高低樓層機台入/出水壓差較一致

參考圖(2)，為典型「頂部開放PCW系統」管路壓力分佈示意圖。由此圖可知安裝在高樓層的機台

PCW入/出水壓力差與低樓層者相差不多。4. 水流不接觸空氣，水質劣化甚緩。5. 全系統管路各處都是正壓，絕不吸入空氣，

也易於排出空氣。

6. 運轉控制/管理問題最少，風險最低。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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一. 系統流程與儀控如圖(3)

二. 緩衝水槽放在系統管路底部泵一定要放在水槽邊，儘量靠近水槽。水槽水

面最好略高於泵殼最高點，且槽內水面以上開

放(與大氣相通)。有此特徵之系統通稱為「底部開放水路系統」(Bottom-Open Hydronic System)。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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三. 溢流管與通氣管合一而且設置存水彎優點為：

1. 存水彎的水封阻斷了槽內水面以上的空間與外界空氣自由流通的管道，大幅減少空氣中

的O2、CO2、CO等氣體溶於水中的質量流率。

2. 存水彎蓄存水柱高度大約40 cm。因而槽內水面上的壓力很低，只有0 ±

40 cm水柱高，

如同開放於大氣的水槽一般。

3.存水彎的水封可代替昂貴的「氮封桶」槽內，水面以上的空間可充氮氣保護水質。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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四. 補給「新水」溢流「舊水」若要提高水質、降低PCW的導電度，只須強制補給(灌入)新水，舊水則逐漸自膨脹/蓄水槽的溢流管排出。以此方式排放舊水的優點如下：

1. 是「補給新水，排放舊水」，很節省新水。2. 是「水槽先滿水再溢流」，很安全。比起「先排放

舊水，再補給新水」的方式安全多了! 不但可省略壹組「排水控制閥」，而且可免除排水控制閥與

(或)其控制系統故障或失常所引起危機─例如「異常開啟」或「開啟後無法關閉」。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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五. 停機落水問題1. 若電力中斷或系統運轉中當機，運轉中的各泵驟

然停轉。緩衝水槽

水面以上的回水管中水會繼

續流出，沿回水總管落入緩衝槽中，直到各段回

水管流空或不再流出為止。

2. 大量的水急落入緩衝槽中，若緩衝槽不夠大，則水面將迅速升高至超過溢流口。若溢流管也不夠

粗，水面將再迅速上升，槽內壓力劇升。

當然，壓力雖劇升，但不致升太高，仍低於全系

統最高點至最低點之間的落差水柱壓力。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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五. 停機落水問題3. 若緩衝水槽不大，溢流管又不夠粗，水槽就應該

要有些耐壓能力。否則就得把溢流管加粗。

4. 大量的落水若全部溢流，要擔心的不只是水淹機房而已。更擔心的是：大量溢流也就是系統大量

失水。待復電或系統故障修復後，就不可放任各

泵自動起動，以免緩衝水槽的水面又陡降至低水

位，導致控制系統又自動將各泵停轉。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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五. 停機落水問題5. 最好的做法是靠人手動控制泵的流量略低於補水

流量，逐漸將水「灌補」回系統管路。這些「系

統復歸」的工作極其繁複，需要有豐富操作經驗

的工程師親手操作。若不嫻熟系統復歸的操作，

再加上時間緊迫，失敗或出事的風險高。

6. 解決之道應設計「停機落水完全防止機制」。否則就應該

將緩衝水槽增大至可完全容納落水總量

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五. 停機落水問題7. 千萬不可採用「落水防止控制閥」a. 偶見某些系統之回水總管下端近緩衝水槽之管段

上裝設「落水防止控制閥」。其控制邏輯為：

(i) 泵停機或當機時，落水防止控制閥應及時「自動關閉」，以防落水。

(ii) 泵開機或復機時，落水防止控制閥應即時自動開啟。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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五. 停機落水問題7. 千萬不可採用「落水防止控制閥」b. 此為「爆管風險」極高之設計，萬萬不可效法採

用。風險來自下述：

(i) 泵與落水控制閥之間的「聯動」(Action Interlocks)無法做到「機械式聯動(Mechanical Interlock)」─失敗率極低的「聯鎖作動機制」。

只能做到「程式聯動(Program Interlock)」─失敗率最高，或「電氣聯動(Electric Interlock)」─失敗率次高。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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五. 停機落水問題(ii) 萬一泵已停轉，落水防止控制閥卻因為聯動失

敗而沒關，照樣發生大量落水溢流，導致系統

大量失水。

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五. 停機落水問題(iii) 萬一泵已起動運轉，落水防止控制閥卻因為聯動失敗

而沒開啟，問題就大了。這時候，製程機台出水側

的全部回水管路壓力都上升至等於供水壓力。

這時候，供水壓力恰等於泵的「關斷揚程(Shut-off Head)」的機率很高。即使泵由變頻器驅動，若採行

「供水定壓力控制」，也可能因壓力「暫態振盪」

而有過高壓力。若採行的是「供/回水定壓差控制」，則各泵必全數起動，並以最高速運轉；供水壓力勢

必衝高至等於泵的關斷壓力。

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六. 回水沖入緩衝水槽捲入空氣問題1. PCW回水激流沖入緩衝槽內的水面，連續捲入空

氣(或氮氣)，導致槽中水富含氣泡。這些氣泡流出緩衝槽就是流進泵的入水Header。

2. 解決之道PCW回水總管下端應沒入緩衝槽水面一小段，並導引回水所夾含的氣泡集中在近水面帶。不但可

增加氣泡浮出水面的機率，同時也降減氣泡再流

出水槽(也就是流入泵的入水Header)的機率。

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七. 泵的入水Header頂部積存空氣問題1. 若緩衝槽水中富含氣泡，就會有很多氣泡流進泵

的入水Header。若運轉泵無法立即將這些氣泡隨時抽走，氣泡必定會積存在Header頂部。Header內的流場將因此而變成「明渠流場」(Open Channel Flow Field)。這將造成各泵抽到的水流量不平均(差異頗大)。甚至抽不到水。業界慣稱此現象為「泵搶水現象」。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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七. 泵的入水Header頂部積存空氣問題2. 入水Header內壓力甚低，甚至是負壓。其頂部積

氣不易排出。

3. Header內的流動氣泡或積蓄的氣體可能隨水流而竄入泵的入水管內。若該泵正處於靜止待轉狀態，

則這些竄入的氣體將蓄積在泵殼內。若某泵殼內

積氣較多，一旦該泵受命啟動運轉，其揚程必然

不足，也就推不開其出水口之逆止閥(此時逆止閥出水口有很大背壓)，而無法貢獻其加壓送水能力了。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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七. 泵的入水Header頂部積存空氣問題4. 解決之道

設法讓Header頂部積存的空氣隨時排出，或被運轉泵隨時抽走。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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八. 回水管路低/負壓問題1. 回水支幹管、幹管與總管內的壓力都很低，甚至

是負壓。

2. 製程裝機配管(二次配管)完成之初，第一次送水時，必有大量的空氣排入回水管路中。

3. 即使運轉日久的系統，一旦有大修小修的工程，完工後重新送水時，或多或少都會有空氣進入系

統管路。

4. 這些空氣排入回水管中將形成氣泡。因為管內低壓或負壓而無法排氣，所以這些氣泡必將流回緩

衝水槽。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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八. 回水管路低/負壓問題5. 緩衝槽水中的氣泡若無法立刻浮上水面，則必定

又隨水流出水槽，進入泵之入水Header。6. 常見製程設備出水管(回水支管)、回水支幹管/

幹管/總管上裝設「自動排氣閥」。萬一這些管內是負壓，排氣閥不但不能「自動排氣」，反而會

「自動吸氣」─吸入大量空氣。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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九. 管內氣泡不易排出問題回水管內負壓/低壓無法/不易排氣，只能靠泵出水側管路排氣。又因為泵出水側管路內壓力甚高，

從回水側流到這裡的氣泡被壓縮數倍，體積甚小。

排氣陷阱很不容易捕捉這麼小的氣泡，導致自動

排氣閥排氣效果不佳。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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十. 管內水流富含氣泡加劇振動問題若管內水流夾含大量氣泡，必定引起管路振動。

(註：若管內流體流動是穩態流(Steady Flow)，而且流體內不含任何氣泡或雜質，管路絕不因流體

流動而引起振動。)

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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十一. 泵停機導致壓力驟降問題1. 底部開放的系統泵若因控制失當而驟然停轉，水流幾

乎立刻停止流動，系統供水管路幾乎是立刻失壓。

(註：部開放的系統無此現象。泵即使驟然停轉，其水流是逐漸減速，甚至數分鐘後才完全停止流動。其供

水壓力雖也逐漸降落，卻不像底部開放系統降那麼快) 2. 這失壓現象就可能觸動系統的自動控制功能，引起更

多台泵立即啟動運轉。這又可能造成壓力的劇增，引

發製程設備的管路爆破，或又觸動系統的自動控制功

能，再將運轉泵停轉，又再次造成供水失壓。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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十二. 連續接觸空氣導致水質劣化問題1. 回水在緩衝槽裡連續接觸水面上的空氣，水質

劣化較快。

2. 解決之道a. 溢流管與通氣管合而為一，並設置存水彎以阻

絕空氣自由進出緩衝水槽。

b. 採用氮封，也就是導入氮氣以佔據緩衝槽內水面上的空間，阻絕空氣進入緩衝槽。若氮氣壓

力略低於存水彎水柱壓力，氮氣流失量極少。

存水彎可完全取代昂貴的「氮封桶」。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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十三. 泵易發生Cavitation問題1. 問題緣起

泵之入水壓力低，其入水口NPSHa當然低。系統未滿載時，流量不大，或許不致發生

Cavitation。待流量逐漸增加，泵入水口之NPSHa逐漸降(更)低，泵NPSHr卻逐漸升高。當NPSHr＞NPSHa時，Cavitation就發生了。

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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十三. 泵易發生Cavitation問題2. 問題防制a. 提高泵入水口之NPSHa(i) 泵之入水Header要「粗、短、直」。(ii) 泵之入水管與Header接續應可隨時抽走

Header頂部積存的氣體。(iii) 緩衝槽水位儘量高。

b. 降低泵之NPSHr採用NPSHr較低的泵

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參. 底部開放PCW系統設計綱領

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十四. 高/低樓層機台入/出水壓力差相差甚大問題參考圖(4)，為典型「底部開放PCW系統」管路壓力分佈示意圖。由圖中可見，在低樓層的製程機台

PCW入/出水的壓力差比在高樓層者大多了。也就是說，若有相同的兩部機台，一部安裝在高樓層，

另一部安裝在低樓層，則流過這兩部機台的PCW流量會相差很多。

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肆. 密閉式PCW系統設計綱領

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一. 系統流程與儀控如圖(5)

二. 膨脹/蓄水槽1. 採用密閉式膨脹/蓄水槽

有二種型式之「液─氣壓力桶(Hydro-Pneumatic Tank) 」常用為密閉式膨脹/蓄水槽，即

a. 直接接觸式(Direct Contact Type)耐壓桶槽內同時容納液體與壓縮氣體。因地心引力作用，

液體在下部，氣體在上部，液體與氣體直接接觸。壓力

桶底部接口與系統管路接續。PCW若要求水質潔淨，最好採用不銹鋼水槽，內充氮氣(N2 )。

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肆. 密閉式PCW系統設計綱領

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二. 膨脹/蓄水槽b. 間接接觸式(In-direct Contact Type)

這型式又常見三種型式

(i) 水囊式(Water-Bladder Type)耐壓桶槽內置水囊，囊內通液體系統管路，囊外/槽內空間充滿氣體(空氣即可)。

(ii) 氣囊式(Gas-Bladder Type)耐壓桶槽內置氣囊，囊內空間充滿氣體(空氣即可)。囊外/槽內空間通液體系統管路。

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肆. 密閉式PCW系統設計綱領

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二. 膨脹/蓄水槽(iii) 膜片式(Diaphragm Type)

耐壓桶槽內置隔膜，把槽內空間隔成兩部份。其

中一部分容納液體，與液體系統管路相通。另一

部份充填壓縮氣體(空氣即可)。2. 膨脹/蓄水槽擺設位置不受限制，但是 ····a. 若想要有最大吐納能力，最好擺設於系統管路頂部，

接續在管路最低壓處。但該處經常是最不方便維護

的地方。

b.最好擺設於機房內－最方便維護的空間。

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肆. 密閉式PCW系統設計綱領

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三. 應設置「純機械式定壓洩放控制閥」「純機械式定壓洩放控制閥」簡稱「背壓閥」，用於

預防「補水失控」導致的過高壓當機或爆管。

四. 自動補給系統流失的水量系統因故洩水或排水，應自動補給。補水機制慎防失

控，以免失壓或過壓導致當機或爆管。

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肆. 密閉式PCW系統設計綱領

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五. 自動補給流失的壓縮氣體膨脹/蓄水槽內氣體會逐漸流失，或快或慢而已。流失的氣體所佔空間會被液體佔駐，導致該膨脹/蓄水槽的吐/納能力逐漸降低。故應及時或隨時補充流失的壓縮氣體。補氣機制應慎防失控，以免失壓或過壓

導致當機或爆管。

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肆. 密閉式PCW系統設計綱領

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六. 水質控制「補新水，洩舊水」1. 若要提高水質、降低PCW的導電度，只須強制補給

(灌入)新水。舊水則逐漸自「背壓閥」排出。2. 水質控制應隨時連續作為，例如「微量定流量連續

補入新水，舊水自然連續微量自背壓閥洩出」。調

整連續補水的流量率，即可調整水質高低。

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肆. 密閉式PCW系統設計綱領

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七. 相對優勢1. 泵揚程較低，不但泵本身購置費用低，其電源側設備

器材－例如變頻器、斷路器、電磁接觸器、電源變壓

器、輸配電纜…等－建置費用也降低。2. 運轉電費降低

泵揚程較低，運轉耗電較低，大幅節省電費，為地球

節能減碳。

3. 高低樓層機台入/出水壓差較一致參考圖(6)，為典型「密閉式PCW系統」管路壓力分佈示意圖。由此圖可知安裝在高樓層的機台PCW入/出水壓力差與低樓層者相差不多。

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肆. 密閉式PCW系統設計綱領

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七. 相對優勢4. 水流不接觸空氣，水質劣化甚緩。5. 全系統管路各處都是正壓，絕不吸入空氣，也易於排

出空氣。

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伍. 三種系統相互比較一覽表

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參考表(1)，為模擬

貴客PCW採用「頂部開放系統」、「底部開放系統」、「密

閉式系統」三種系統的綜合比較表

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陸. 每年運轉電費比較表

42

參考表(2)，為模擬

貴客PCW採用「頂部開放系統」，與「底部開放系統」比較，

泵每年運轉電費大約可節省RMB233萬。

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圖(1)

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圖(2)

ΔP = 9.20 kg/cm2

換熱器12.00

L40機台

4.30 13.50

11.20

7.84

7.00 kg/cm2

1.26

0.50

泵揚程 92 m

ΔP = 6.50 kg/cm25m

24m

8m

8m

L30機台

ΔP = 6.58

L20機台

ΔP = 6.66

8.682.02

Roof

過濾器

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圖(3)

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圖(4)

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圖(5)

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圖(6)

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設計

揚程

m

泵

效率

%

馬達

效率

%

總制動馬力

BHP

kW

總耗電功率

AEP

kW

全年運轉電費

TEC

NTD/y

設計

揚程

m

泵

效率

%

馬達

效率

%

總制動馬力

BHP

kW

總耗電功率

AEP

kW

全年運轉電費

TEC

NTD/y

Loop 1 2160 80 81.8 94.8 575.60 607.18 13,115,045 98 78.5 95.3 734.76 770.99 16,653,478

Loop 2 2160 80 81.8 94.8 575.60 607.18 13,115,045 98 78.5 95.3 734.76 770.99 16,653,478

Loop 3 1080 80 79.5 94.5 296.13 313.36 6,768,657 86 78.2 94.9 323.63 341.02 7,366,088

Loop 4 470 80 81.5 93.8 125.71 134.02 2,894,777 98 81.8 94.0 153.43 163.22 3,525,579

全廠 5870 - - - 1573.05 1661.74 35,893,524 - - - 1946.57 2046.23 44,198,624

註: 1.

2.

3.

AEP = ；ηm為馬達效率；AEP單位為 kW

TEC = AEP × 360 d/y × 24

h/d × NTD2.5/kW-h ；TEC單位為 NTD/y

BHP = ；其中 Q為流量，單位為 m3/h；H為揚程，單位為 m；ηp為泵效率；BHP單位為 kW

比較結論:頂部開放系統比底部開放系統更節省運轉電費，每年大約可節省人民幣233萬元

表(2) 頂部開放 PCW v.s 底部開放PCW 泵運轉電費比較

系統流量

m3/h系統名

底部開放設計頂部開放設計

Q x H

367 x ηp

BHP

ηm

製程冷卻水(PCW)水路設計最佳化壹. 前言與摘要壹. 前言與摘要貳. 頂部開放PCW系統設計綱領貳. 頂部開放PCW系統設計綱領貳. 頂部開放PCW系統設計綱領貳. 頂部開放PCW系統設計綱領貳. 頂部開放PCW系統設計綱領貳. 頂部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領參. 底部開放PCW系統設計綱領肆. 密閉式PCW系統設計綱領肆. 密閉式PCW系統設計綱領肆. 密閉式PCW系統設計綱領肆. 密閉式PCW系統設計綱領肆. 密閉式PCW系統設計綱領肆. 密閉式PCW系統設計綱領肆. 密閉式PCW系統設計綱領肆. 密閉式PCW系統設計綱領伍. 三種系統相互比較一覽表陸. 每年運轉電費比較表投影片編號 43投影片編號 44投影片編號 45投影片編號 46投影片編號 47投影片編號 48投影片編號 49投影片編號 50