實驗室空壓機

不同的空壓機有不同的適合範圍；例如：螺旋式空壓機以一組公轉子 (Male Rotor) 與一組母轉子 (Female Rotor) 透過嚙合及齒型讓吸入的大氣容積產生變化而升壓，公母轉子尺寸太小時因為加工技術無法達到更小的配合公差精度，因此效率會大幅衰減，依據工研院的研究報告顯示，下列是各種馬力 (功率) 較適合的空壓機機構型式能效會最佳！!

也就是說18kW (25馬力) 以下渦卷式是效率最佳的機型！尤其是3hp~10hp最佳；而旋齒式在25hp~75hp則是具有優勢，螺旋式則是在50hp~5,00hp有一定優勢，離心式則是在500hp以上具備能效優勢。以上所指的都是指單一機體 (單模組) 的狀況下，這也是為什麼渦卷式空壓機多採用1、3、5、7.5或10.0馬力的壓縮機體來設計單模組或多模組的空壓機。

上述的圖中並沒有發現往復式空壓機的資料，主要原因是因為工研院 康育民博士是以節能角度報告該專題，往復式空壓機的每單位風量CMM (1000L/min) 能耗耗電值為8.8kWh~13.06kWh相當高，因此沒有列入比較之中。但是如果需要更高壓的壓縮空氣，就非得往復式空壓機莫屬了！

變頻螺旋式空壓機最省電?

在工研院 康博士的報告中另外出現一張螺旋式空壓機在不同型式容量調節控制之下，產生的風量%與耗電%的一張比較圖表 (上述變頻係以感應式變頻馬達為基礎)；這張圖表顯示出幾個重要資訊：

1. 容調控制基本上容調與空重車控制並不是節能的控制方式：例如，依據現場實際需求產生的實際風量在40%風量時，耗電仍舊高達滿載的78%。
2. 加卸載 (空重車) 控制透過滑塊或旋轉閥將壓縮過剩的壓縮空氣是放到進氣，，提高 了部分的能效；但是在現場需求風量只有40%時，仍舊耗能約滿載的58%耗電。
3. 變頻控制則是在負載超過80%~85%以上時，就不具備節能優勢了，反而在95%風量需求時，耗能會超過100%；因為多了變頻器的裝置會多耗能5%~8%不等。而低頻運轉至40%左右則無法在繼續降低頻率，在更低頻運轉會影響到馬達的散熱不佳。需求耗電也會比實際產出的風量高出3%~5%不等的耗電 (依據各家變頻器及空壓機技術不同)。

多模組無油渦卷式空壓機控制設計

多模組無油渦卷式空壓機係採用3馬力、5馬力、7.5馬力或10馬力的壓縮主機與馬達組成多個模組，再加上控制器的控制技術設計，組成一台完整的空壓機交替運轉；例如，以岩田SLP150EG就是由四個5馬力模組組成的20hp多模組空壓機，多模組無油渦卷式空壓機在輸出實際風量%與耗能方面最接近理想曲線，也就是實際產出多少%風量就耗用多少%電能。

多模組無油渦卷與變頻螺旋式空壓機節能比較

未來服務工業 嘗試數據化實際讓結果顯現，我們採用國際認可的部分負載IPLV在25%, 50%, 75%及100%時，全球調查所呈現的佔比1%, 42%, 45%及12%來計算兩種型式空壓機的節能狀況，並且以20馬力為基準，在年實際需求壓縮空氣量都是180,000,000Liter的相同條件下，進行耗電與電費比較 (實際結果請參考上表) 。

會產生這樣的結果是因為，變頻式空壓機在75%~100%部分負載區間與40%以下部分負載區間並不具備優勢，反而耗能因為變頻器耗電及馬達低載發熱所吞噬。另外，20hp以下螺旋式空壓機本身就是比較不具備能效優勢的 (如 康博士所分析)，而多模組無油渦卷式空壓機則透過多個模組交替運轉，達成較節能狀態；當馬力數越高、模組數越多，能夠有效切割部分負載區段的能力越高，越接近理想曲線。但是，實際開發發現，超過50hp (含) 以上，多模組渦卷式空壓機相較於變頻旋齒式空壓機與變頻螺旋式空壓機就不具備優勢了！這也是為何岩田無油渦卷空壓機在日本只開發到40hp的主要原因。

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空壓機系統Total Cost of Ownership (TCO) 使用壽命週期內有兩個層次的發現facts：

一 , 購置成本、維護保養成本與運轉電費：不論是國外的研究 (請參考下圖) 或國內的專家分析 (請參考下面圖表)，都說明營運電費是最主要的費用。

二, 營運電費是空壓機TCO的主要費用，其中部分負載 (Partial Load) 又是十分重要的議題，使用空壓機系統的人都知道，空壓機不會一直都是100%運轉，也不可能都不運轉。因此針對壓縮機能效，冷媒壓縮機特別在意在50%與75%負載時整合性效率 (IPLV; Integrated Partial Load Value) 占有極高權重 (請參考下表計算式權重)；而變頻空壓機在台灣與國際能效量測中，則以40%, 70%及100%依據不同權重為計算整合性效率的公式 (請參考下下表計算式權重)。

IPLV 部分負載整合效率

能源局變頻空壓機整合效率公式

因為運轉電費佔整個空壓機系統TCO比重很高，而部分負載又是運轉電費中占有極高比例；如何讓空壓機系統在部分負載時達到最佳能效就成為對使用者非常有利的技術。

工研院研究:各種馬力空壓機能源成本費用

據工研院另一個報告指出：國產100馬力微油定頻螺旋式空壓機生命週期中, 所有的成本費用為 1) 購置成本約新台幣76萬元, 2) 維護成本約75萬元 3) 運轉電費約1,935萬元 (上述圖表每年運轉電費為203.4萬元, 10年則為2,034萬)。

多模組無油渦卷式空壓機應對上面的實務需求具有相當程度的契合度；以日本岩田多模組無油渦卷式空壓機20馬力為例 (請參考下圖)，總共有四組5馬力的馬達機體模組，每一個模組都具有獨立電器元件配盤，再由控制器統一指揮調度應對現場用氣需求。這樣的風量供應範圍是 0~1,280L/min @ 8 bar (變頻螺旋式空壓機則通常是33%~100%供氣範圍。

減少備機降低停線風險

需要多少壓縮空氣就啟動多少模組，不需要時就直接停機Standby而不耗電，這樣的方式比變頻更加省電 (請參考下圖)；因為變頻式空壓機降頻至30%時，耗電仍然到達50%左右，最低頻限制在30%負載是因為在更低馬達散熱就會出問題，且空壓機體回漏造成能效損失會相當嚴重。

Multi-Step Control Model(多階啟停控制)

各種控制方式風量與耗能比較

多模組無油渦卷式空壓機除了節能之外，因為一個模組即使在保養其他模組也能夠持續運轉，降低停機的風險。而且由於多模組無油渦卷式空壓機透過均等磨潤的控制技術讓運轉時數以馬達啟動運轉累計計算，而且是所有模組都達到相同運轉時數的時候 (請參考下圖實際照片; C1為第一個模組運轉時數127小時, C2為第二個模組運轉時數也是127小時; 整機運轉時間為10,000小時-9,873提醒保養剩餘小時=127小時)，在大多數空壓機系統多落在40%~75%部分負載的工況下，能夠延長機體壽命與保養時間跨距。

客戶端實際案例分享

舉例 : 空壓機實際每年運轉產生壓縮空氣的時間為4,000小時，IPLV部分負載比重是25%負載的權重是1%、50%負載的權重是42%、75%負載的權重是45%、100%負載的權重是12%。

1. 單模組的20hp螺旋式空壓機總運轉時數 > 4,000小時：因為實際產氣4,000小時; 其他時間可能是馬達空轉模式的空車運轉。
2. 多模組的20hp渦卷式空壓機總運轉時數為1,831小時：4,000 x 1% x 1/4 (四個模組由一個模組運轉) + 4,000 x 42% x 2/4 (四個模組由兩個模組交替運轉) + 4,000 x 45% x 3/4 (四個模組由三個模組交替運轉)+ 4,000 x 12% x 4/4 (四個模組全數運轉) = 100 + 840 + 1,350 + 480 = 1,831小時。

不論從維護保養費用角度或者是節省電費角度，多模組無油渦卷式空氣壓縮機應該都是Total Cost of Ownership的較佳方案!

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任何的防範措施都不如從源頭阻斷發生源。

在食品飲料工廠用的壓縮空氣國際指南依據是否直接接觸到食材（例如：啤酒發酵槽用氣）？以及危害發生的風險是否很高（例如：會接觸食材的食品包材）？建議以此來決定使用的壓縮空氣品質等級。

由於食品飲料品牌打國際杯要能夠符合輸美的FSMA規範與FDA查廠、輸出德國則有VDMA規範、外銷到英國則有BCAS的指南….。

雖然沒有說不能使用有潤滑油的有油式空壓機，但是為了避免採用過濾裝置失效以及種類繁多的零件耗材（詳見下圖比較），因此一開始就決定無油空壓機系統為主，再搭配適當的乾燥過濾裝置，不再為油氣、鏽蝕及微生物…等提心弔膽。

台灣由於大部份的食品飲料工廠為中小型工廠，因此大多數國家及台灣政府考慮廠商的生存條件，因此多採用引導的方式要廠商使用有油式空壓機時使用食品級潤滑油（仍舊有不得檢出超過10ppm的要求；只是要檢驗有執行上難度）。

但是部份有遠見且在乎自家品牌的食品工廠也逐漸能夠採用無油式空壓機系統。這股壓縮空氣品質在食品安全向上提昇的趨勢暫時因為疫情受阻趨緩，但是相信在乎品牌商譽的食品飲料工廠或中央廚房一定會有越來越多的廠家選擇源頭阻斷危害風險的。

有油式空壓機系統對於食品安全的風險

系統含油的風險

有油系統配置鍍鋅鐵管的風險

管路/水源汙染風險

機房或產線油汙汙染的風險

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空壓機系統可從四個面向進行分析與規劃（下圖）確保整廠空壓機系統穩定性與生產力。

以符合規範層面來看，空壓機系統設備放置的機房環境、供給端、傳輸、需求端整個系統，皆須依當地或國際法規規範/指南進行規劃，以滿足基本法令要求及市場競爭力。如：在台灣須滿足GHP（固態顆粒的風險消弭、有潤滑油須採H1食品級….等）及HACCP或GMP國際規範認證。但銷售到國際大型通路（如：COSTCO或CARRIERFOUR）須符合客戶查廠規範，銷售美國有FSMA要求及查廠，行銷英國有BCAS 102指南，德國則有VDMA為國民把關食品安全。

    具體評估須滿足的壓縮空氣品質標準是以直接接觸食材（ISO 8573.1 Class 2.2.1壓縮空氣品質等級）、間接接觸食材（Class 2.2.1）及不會接觸食材（Class 2.4.2）三類，建議採無油式空壓機或有油式空壓機但以H1等級的食品級潤滑油（允許含量<10ppm）。本篇實務銜接前三篇論述規範/指南，將著重在後面三個面向，希望結合成一系列空壓機系統設計規畫完整探討。

一、空壓機房通風設計：機房環溫每提高3℃能效降1%、縮減耗材與零件壽命並可能因溫度過高跳機…等困擾；規劃初期設備擺放就需考慮動線、適當位置（不靠近酸鹼氣體、發熱源、潑雨點以及油氣吸入…等）及考慮機房通風設計，下圖係通風方式較常見的一種。

二、空壓機房設備配置與選型：空氣有走捷徑特性，配置須考慮先進先出才能讓空氣流動均流，也可讓機器設備平均分擔負荷；圖左為常見不合理配置，通常會建議下圖右配置。

空壓機可依基礎負載及變動負載來選型，採不同或相同馬力數；選型過大會造成起停頻繁或空重車頻繁，損害空壓機電氣元件與轉動部品，並造成能源電費的浪費，實務上經常可見。乾燥過濾裝置則建議選型相同，避免因大小不同而有不同壓降與損失造成分流不均（空氣有低阻力特性）。

三、空壓機系統管徑設計（依不同位置與功能的管路建議管徑）：空壓機系統依行業規範要求不同，空壓管、閥件、三通或灣頭的材質選擇與配管方式須滿足行業規範；這邊只針對空壓管管徑建議，確保不產生過大壓降造成能效損失或工程費用過高。

1. 分流管&集氣管：分流管&集氣管路設計流速以6m/sec為基準，可使空氣在管路中擾流現象降低，減少壓降，並可平均分流。
2. 主管路：壓縮空氣主管路設計流速以8~10m/sec為基準，但需考慮管徑大小及管路總長，以避免管路壓降過高。
3. 分歧管路：分歧管路距離不超過25公尺，管路設計流速以15m/sec為基準。

四、空氣桶匹配：空氣桶材質與表面處理（內拋光、EPOXY、酸洗或鍍層）或加工要求須依行業規範要求；我們主要針對配置與容量來考慮。

    1) 空氣桶容量：以不低於總流量的15%為基本設計需求，依實際工況可加大；例如50hp螺旋空壓機風量7.1m³/min，我們會建議1m³以上的儲氣桶。

    2) 濕空氣桶與乾空氣桶：在空壓機後乾燥機前的空氣桶稱濕桶（儲存、減少脈衝、降溫排水），乾燥機後進入現場系統的空氣桶稱乾桶（儲存、及時供氣緩衝以及搭配均流）。建議濕桶為總容量1/3、乾桶為總容量2/3。

    3) 末端緩衝桶：若機器設備使用端運轉工況有瞬間耗氣較多的情況，可依瞬間耗氣量設計末端緩衝桶，以增加製程設備的穩定性。

六、空壓機系統整體配管：避免末端供氣不穩及壓降，一般在預算允許下會建議工廠採環狀配管，並在細節上提供各種建議，維持供氣穩定以及壓縮空氣品質。建議的空壓機系統配置作如下示意圖，空壓管路會盡量讓各分岐管空氣走上方、水走下方的方式，並在排水分岐管的角度稍微向下傾斜1/2⁰~1⁰做傾斜集水排除的功能。

七、壓縮空氣品質需求的差異性處理：相同壓縮空氣品質對個別製程是否影響品質或造成風險危害不同；因此，為合理化配置，許多整體系統以最大公約數設計，而在末端接近使用點處透過乾燥過濾裝置來處理壓縮空氣品質需求差異點。

八、確效驗證點的設計規劃：食品飲料工廠或生技廠可能會依通路廠商或國際規範要求設計氣體品質確效採樣之用；如：左下圖為CDA採樣點; 右下圖為N₂採樣點) （各種設計規範要求，CDA主要依ISO 8573.2~9為規範基礎設計）。

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衛福部近年陸續制定食品安全衛生法令規範業者分階段依據工廠規模及行業別在HACCP與設置衛生管理人員等舉措，逐步強制導入執行。2020年07月01日起則針對資本額3,000萬元以下而員工5人以上依法頒布行政命令施行 (下圖：109年7月食藥署推行法令規範)。

政府、品牌與大型通路基於台灣與國際市場對食品安全要求，要求業者自主管理義務化及具體作法要求確保食品安全法規日趨嚴格。     壓縮空氣品質依HACCP食品風險分析與管制點控制在於防止物理性、化學性及生物性危害入侵防止；而可能觸發這三類危害在空壓機系統的風險均有機會直接或間接產生風險變成危害。

壓縮空氣品質在國際標準主要遵循ISO8573-1 (2010年版)，主要針對壓縮空氣中固態顆粒(不同大小顆粒數量)、乾燥程度(壓力露點高低)及油(油霧與油氣含量)界定出各種不同的品質等級；以Class X.X.X呈現Containments多寡 (請見下表)。

在食品飲料業都是引導性指南, 包括US FDA Code,21CFR, Part 110.40 (g),加拿大, 德國VDMA及SQF都有相關指南引導;依ISO與英國BACS的102指南建議，提供食品飲料業建置新空壓機系統或改善既有系統的依據。因此SQF Code, Edition 7.2, July 2014的11.5.7.1.及11.5.7.2.針對壓縮空氣系統提出相對較具體建議 ；包括：

• 直接與食材接觸或表面接觸部分，應使用潔淨或無食安風險壓縮空氣，確保無有害物質。
• 使用於製程的壓縮空氣應確保有效且每年至少執行一次壓縮空氣檢測，包含微生物檢測。
• 適切的過濾方式應該被執行…過濾規範應該符合0.01μm。
• 壓縮空氣接觸食材或食材表面時須使用無油或食品級潤滑油(含量不得超過10ppm)。
• FSMA輸美查廠中特別在意進入製程末端壓縮空氣中的含油量與微生物的確效與查核。
• ISO 8573-1是十分值得參考的標準 (下表BCAS 102指南 就是參考ISO 8573-1)。

實務上對於ISO0 8573-1: 2010年版 Class 2.2.1.及Class 2.4.2.兩類壓縮空氣品質，依新建廠或舊廠兩個情境提供空壓系統配置方式。舊廠改善配置方式當然也可用在新建廠，但不建議走回老路；而食品加工製程若存在兩種壓縮空氣品質需求，可採較高規格Class 2.2.1.或以Class 2.4.2.為基礎，而在局部區域再提升至Class 2.2.1.。以下兩種配置方式供各位參考。

一, 採用無油式空壓機系統的配置方式

空壓管路及空氣桶建議採用不銹鋼，空氣桶採鍍鋅鋼板SS400材質，則建議內部Epoxy塗層防鏽。採用乾式無油空壓機原因在於乾式壓縮腔內溫度高達200℃以上可達殺菌效果；採壓力露點-40℃吸附式乾燥機可滿足大氣露點-26℃抑制管路孳生微生物效果，有些甚至末端採殺菌過濾器。

二, 採用微油是空壓機系統的配置方式

事實上，這些年我們拜訪許多食品飲料行業的時候，有許多公司的舊空壓機系統管路正採用每年局部重新佈建的方式在提昇空壓管路成為不銹鋼材質。一方面是為了避免空壓管路內徑產生生鏽鐵屑、另外一方面為了擺脫過去任意隨業務發展而配置的管路管徑所造成的嚴重壓降而進行的專案改善。不過，前端採用有油式空壓機系統還是會持續讓空壓管路內徑堆積油垢而滋生微生物；而且即使採用食品級潤滑油，不僅成本費用較一般工業潤滑油高出4~5倍，運轉使用壽命也較一般工業潤滑油降低；更重要的是規範上面仍舊限制食品級潤滑油不得高於10ppm的限制。採取無油空壓機雖然仍舊無法避免空氣汙染及汽機車的油氣，但是仍舊是避免油氣汙染食品製程的較佳方案。

 空壓機系統考量食品業國際規範指南規畫空壓機系統時，我們也提出幾個重要的點提供大家執行時的檢核參考。

1. 空氣品質規劃
2. 節能省電合理化
3. 安心使用規劃

制定各種產生危害風險的SOP，包括壓縮空氣品質檢測：固態顆粒、壓力露點溫度、含油量、含油氣量及壓縮空氣微生物動態取樣培養；而檢測的模式也可以是On-Line或定期人員Off-Line的檢測。

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HACCP食品風險分析與危害管制點控制重點在於預防或防止物理性、化學性及生物性危害入侵防止；而可能觸發這三類危害在空壓機系統的風險均有機會直接或間接而變成危害。許多食品飲料工廠因為發展過程的歷史包袱因素，經常面臨空壓機系統管路所造成的壓降的高耗能損失、供氣不穩定、壓縮空氣品質未能滿足而潛伏食品安全的風險；而本文主要探討的是壓縮空氣品質對於食品安全的潛在風險報告現場案例與分析說明。

壓縮空氣品質在國際標準主要遵循ISO8573-1：2010年版，主要針對壓縮空氣中固態顆粒(不同大小顆粒數量)、乾燥程度 (壓力露點高低) 及油份 (油霧與油氣含量) 界定出各種不同的壓縮空氣品質等級；以ISO8573-1：2010年Class X.X.X呈現空氣內含物Containments多寡。當然食品飲料廠或生技製藥工廠也多會要求壓縮空氣微生物動態取樣, 以達到原先設定之規範確效。

而依據BCAS或FSMA FDA查場的建議與國際規範指南，按照壓縮空氣直接接觸 (Class 2.2.1壓縮空氣品質等級)、間接接觸 (Class 2.2.1壓縮空氣品質等級) 及 無接觸 (Class 2.4.2壓縮空氣品質等級) 三種分類，建議採用無油式空壓機或有油式空壓機但是以H1等級的食品級潤滑油 (食材含食品級潤滑油標準<10ppm) （如何確認廠商加入的潤滑油是合格食品級潤滑油，必須有一定的驗證機制）。

由於無油式空壓機的成本較有油式空壓機高出一倍以上：在台灣不分規模大小，除了打國際盃品牌以及在意商譽的食品飲料廠之外，多數食品飲料工廠仍舊採用有油式空壓機系統(並且管線並非不銹鋼防鏽材質)。的確，多數食品飲料工廠會十分在意新機採購成本，但是新機採購成本佔整體空壓機系統使用的生命週期約僅占10%左右；其餘的15%~20%是維修保養成本以及65%~70%的運轉費用(電費或其他周邊設備配合的資源)。以無油式空壓機系統與有油式空壓機系統的維修保養費用來看，可以從下圖比較中看出差異與端倪。

如果以無油渦卷空壓機與有油式螺旋空壓機做比較 (下面的示意圖)，應該會更加容易看出箇中差異。

再從食品安全的實際影響來看，即使使用食品級潤滑油而採用有油式空壓機系統，除了加大維修保養的成本費用之外，在許多工廠的現場仍舊可以看到許多物理性危害的風險 (下面第一張與第二張照片：生鏽鐵屑)、化學性危害 (下面第三張與第四張照片：潤滑油油氣超標)，以及因為水氣與溫度符合FAT TOM條件而滋生微生物於管路之中。

物理性侵害:生鏽

化學性侵害 : 油水與油氣

通常看得見的成本費用都是可以比較的，食品飲料工廠可以用Total Cost of Ownership的角度分析不同空壓機系統的新機購置成本、系統建置成本、維修保養成本以及運轉電費/維運人工費用；但是壓縮空氣品質對於食品安全部分則有看不到的潛在風險，包括：食品回收、產線停線、不符合食品安全規範、配管汙染與廢水處理….等風險；食品飲料工廠建議應該從更全面的角度思考空壓機系統的建置與改善。

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