洁净厂房空调系统

洁净厂房空调系统

随着世界制造业向我国的战略性转移，我国出现了越来越多的各式洁净厂房。在这些洁净厂房中，特别是量C（量nt区g风at区d C量风cu量t）的生产厂房，洁净度要求特别严格，成为洁净厂房的典型用户。在这些集成电路的相关生产企业中，起始由于成品率很低，企业最关注的是产品的成品率问题。这是因为，成品率直接决定着企业的生产成本和成败，决定着企业能否在激烈的市场竞争中处于不败之地。

随着科技进步和技术的提升，各企业的成品率都大幅度提高，产品的品质在很大程度上得到了保证。但随着产品集成度和生产环境洁净度要求的提高，电子

厂房的耗能却

在急剧的增大，

成为典型耗能

大户。进入新世

纪，能源问题已

成为制约我国

持续快速发展

的瓶颈问题。能

源的短缺，又致

使能源价格不断攀升，这些都使得电子厂房的节能问题成为相关企业关注的焦点。企业要迎面竞争，想在激烈的市场竞争中不被淘汰，就必须面对洁净厂房空调系统的节能问题。

随着我国信息产业的发展，出现了越来越多洁净厂房。现阶段，洁净厂房空调系统的节能已经成为各生产商降低生产成本，增大竞争优势，击败对手的重要手段。目此，其空调系统的节能也成为研究的热点和生产商关注的焦点问题；

洁净厂房空调系统因其风量大、新风负荷太、阻力高等特点，耗能非常高，

是一般空调系统的10余倍，目此，洁净室空调系统的节能设计和运行有较强的必要性和潜力；

通过减小优化气流组织，将净化风量和空调风量分开和减少洁净面积，可显著减小系统的送风量；通过设置系统排风罩和其他优化配置措施，减小系统新风量；采用自控手段和加强管理，可优化系统的风量运行。这些都将显著降低系统的耗能水平。

洁净厂房在我国的快速发展

经过多年的发展，我国集成电路产业设计、生产及销售等各环节，都取得了长足的进步和发展。我国集成电路制造业的技术工艺已进入国际主流领域，设计和封装技术接近国际水平，晶片制造工艺技术从0. 35 μm到0.18μm乃至0.13μm，同时开发出一批拥有自主知识产权的“中国芯”，譬如方舟、龙芯、爱国者、星光、网芯、展讯等。

同时，大型晶片制造企业正在迅速崛起。中芯国际在大陆的总投资超过100亿美元，已跃居全球第4大晶片代工厂，华虹N区C成为全球第7大晶片代工企业。目前我国已建成代表国际领先技术水平的12英寸集成电路生产线，而这些不断出现的生产线，随着其技术水平的提升，对生产环境洁净度的要求也越来越高，而极高的洁净度主要靠洁净厂房和其洁净空调系统来实现。

需要采用洁净空调系统的车间有很多。在集成电路(晶圆)产业链中，自括光掩膜(制板)、waf区风(前道工序)、封装测试(后道工序)等工序。除了集成电路(晶圆的生产厂，还有其上游产业，如硅材料生产厂(拉单晶)；此外，还有平面显示器生产企业：包括LCD（液晶）、PDP(等离子)、TFT、VFD、仪表盘以及显示器；光纤生产企业、制卡业、贴片业、印刷电路板等根多产业和工厂。

洁净厂房空调系统特点

洁净厂房空调系统与一般民用建筑的空调系统的不同，它首先对控制区的洁净度有很高要求。导体器件厂房内，在硅衬底上只要落有电路线宽1/10～1/3大

小的尘埃，就可能导致芯片电路短路。如今，半导体集成电路的发展突飞猛进，最近英特尔公司更是推出了采用32 nm线宽的高端处理器芯片，把生产环境的洁净度控制推向了极致。另外，洁净厂房空调系统除对洁净度要求较高外，还对温度、湿度、震动、噪音等都有不同程度要求。

洁净室与洁净厂房能源消耗比其他的建筑大得多，其运行费约是一般办公楼的10（1万级)～30(100级)倍。就空调冷负荷而言，一般办公大楼为120W/m2左右，而大规模半导体器件厂房可以达到1400～1 600w/m2。

同时，由于半导体器件生产工艺的特点，要求洁净厂房内全天（24h)保持相应的洁净度，目此，洁净空调系统(包括排风系统)、为其配套的冷、热源及相应的输送系统需每天24 h运行，这也与其他空调系统极其不同。运行时间的增长也使其空调系统的节能更具有潜力和意义。

洁净厂房空调系统的耗能特点

送风量大

洁净度的提高和维持是半导体器件厂房空调系统设计和运行的重要任务，这一任务的完成要依赖很高的送风量，是以高能耗为代价的。就送风量而言，一般办公大楼换气次数为10h-1左右，而大规模半导件器件厂房内，为了满足相应的洁净度要求，需要保证很高的换气次数，致使循环风量非常大。100级洁净室的换气次数可选到400 h-1，10000级洁净室的换气次数日选到40 h-1，100000级洁净室的换气次数也要30 h-1。

新风负荷大

在电子厂房中，某些车间散发出有害气体，需要通过排风加以消除，这就加大了系统的新风量。洁净室的各类制冷负荷中，最重要的有新风、风机温升和设备散热3项，而尤以新风最大。根据有关部门统计，新风负荷可以从20％～70％，风机温升从8％～20％多，工艺设备可以从16%～50％。洁净室内平均所需新风量在45～60m3/（m.m2），新风冷负荷比室内显热冷负荷还要大约近1倍。

风机全压高

由于净化空调中过滤器很多，其中仅高效过滤器的初阻力就在200Pa以上，终阻力在400 Pa以上；而要求高的车间ULPA的阻力会更大。其新风要求三级过滤，再加上化学过滤器，新风机组的风压要求在2 500Pa左右。这些都会致使所用风机静压很高，导致风机耗能增加。

另外，工艺设备的发热情况随不同的生产工艺不同而不同，有些工艺设备是高发热设备，就需要较多冷负荷来抵消。总之，洁净厂房空调系统具有排风量大、送风量大、工艺设备发热量大、阻力大和风机静压高的特点，这些共同造就了洁净厂房空调系统的高耗能。

自然洁净室和单纯空调房间相比，单位面积建设费用和能耗要大得多。但洁净净化空调系统的节能问题，在国内尚未引起足够的重视。但随着信息产业向我国的战略性转移，洁净厂房的高耗能、节能问题也成为能源紧缺的我国一个不可回避的问题。目此，洁净室与清洁厂房的空调系统的节能就有着积极的意义。

洁净厂房空调系统节能建议

洁净厂房空调系统首先是一空调系统，因此，一般空调系统的节能措施，如围护结构保温、系统变流量、排风热回收、选用高教制冷机、水泵风机设备等，都可以适用于洁净厂房空调系统的节能设计和改造。同时，洁净厂房空调系统有自己的特点，也就有自己的系统节能特点和方式。

洁净风量与空调风量分开

洁净室进风的功能，一是空调(空气进行温、湿处理，满足洁净室的温、湿度要求)；二是净化（空气过滤满足洁净室的洁净度要求)。一般情况下净化风量大大超过空调风量。如果让空调进风同时起到空调和净化的作用，即空调风量和净化风量不分开，所有的回风都要经过空调箱集中处理。此非常大风量经过空气处理设备时，阻力会很大，风机耗能急剧增大。同时，为了除湿，所有回风都要处理到露点状态，后为了不使室内温度过低，还需对进风进行再热。冷热抵消，

造成不必要的浪费。而如果把空调和净化两部分风量分开处理，净化风量就可进行过滤处理，可大大缩短净化风量输送管道长度；而对于空调风量，自于风量变小，可以节省空气冷热处理，并且同时可以减小输送断面和输送耗能。

在常见的洁净空调送风方式中，集中进风方式、隧道式送风方式都没有很好地将空调风量与洁净风量分开。为了方便空调和净化功能的分离，可充分利用房间结构就近完成，下图1即为一种分离方式。

在图1的洁净室中，利用房间夹层将大部分洁净风量直接送至顶层的高效过滤器处，而无需离开洁净室，从而降低了洁净风量的输送能耗。通过回风口处的风阀，可以调节洁净风量与空调风量的比例。

减少空调系统风量

洁净厂房对洁净度的高要求，造就了其空调系统的大风量。由空气动力学的知识可知，动力设备如风机的耗能与其风量的3次方成正比，目此，减少系统风量，对于洁净厂房空调系统的节能有着重要的意义。

净化空调系统的送风量取决于换气次数和房间体积。目此，减少系统的送风量可从减少换气次数和减小洁净空间两方面入手。换气次数的多少取决于洁净级别和气流组织。

气流组织

对洁净室内空气流动形态和分布进行合理的设计，称作气流流型。洁净室的气流流型主要分为三类：

非单向流

单向流洁净室的气流是从室内的送风一侧平稳地流向其相对应的回风一侧。

目此，能选到较高的洁净度。但其要求的风量大，能耗也大。

单向流

非单向流的气流速度、方向在洁净室内不同地方不同，用经过高效过滤器处理的洁净空气将污染物冲淡稀释，从而保持室内所需的空气洁净度等级。

混合流

混合流洁净量是将非单向流型和单向流型在同一洁净室内组合使用，其特点

是：在需要空气洁净度严格的

部位采用单向流流型，其他则

为非单向流流型，为此既满足

了使用要求，也节省了设备投

资和运行费用。

为了实现洁净厂房空调系统的

节能，应根据厂房内不同地方对洁

净度的不同要求，采用相应的气流

组织方式。可通过CFD模拟等手

段，进行科学的气流组织，可以合

理地降低洁净室平均气流速度，换气次数，降低送风量，从而降低系统能耗。

减小洁净面积

缩小洁净面积，一方面减少了净化系统的送风量；另一方面还可以减小和控制人员发尘对洁净区域的影响。把关键要求高的洁净区与周围要求不严的洁净环境加以物理分割，即所谓对关键洁净区采用“点”或“线”的保护而不采用“面”的保护，可减少单向流的洁净面积。如在安全实验室、制药厂及很小规模的生产用户，常采用非单向流洁净室内设洁净工作台，洁净量作堋或层流罩等局部单向

流洁净区；而在IC厂，洁净控制面积一般都比较大，可以把工艺设备的核心加工区与维护服务及维修区加以物理分割，把关键加工区置于层流罩下，由单向流维持和控制很高的洁净度；而其他区域所要求的洁净度得以降低。由于核心区的面积相对还是较小，采用这样的方式可明显降低系统的总运行费用。

洁净隧道就是采用这一理念，根据生产要求把洁净区间划分为洁净级别不同的加工、操作、搬运、维护等4个区，把洁净度要求最高的加工区的区间缩小到最低限度，把各种管道和一些辅助设备放在维护区，这样不仅减少了操作人员发

尘对加工区的影响，而且大大减少了洁净送

风量。洁净隧道的加工区送风面出口速度

（下送）一般为0.3～0.4m/s，其换气次数

500～200次/h，而人员操作区断面风速为

0.1～0.2 m/s，换气次数为100～200次/h，

与全面垂直单向流洁净室相比，洁净隧道的

造价和运用费用均节省1/3左右。

百级洁净隧道

在当前的IC厂房中，当控制线宽小到一定程度，一般都需采用微环境技术，才能满足非常高的环境要求。所谓的“微环境”实质上是为硅片的机械传递和工艺加工的周围提供一个局部洁净小室。微环境内不但洁净度级别能够达到非常高，而且温度、相对湿度、气流速度可以控制在非常严格的范围内。实践证明，在微环境内，可实现更佳的空气途径，更高的空气质量，更容易的污染控制手段，可达到更严格的技术要求和更高的加量质量。

减少新风量

由于在洁净厂房空调系统中，新风负荷占较大比重，目此，减少新风量，对降低洁净空调系统能耗有着重要意卫。

在一般的空调系统中，夏季和冬季系统采用最小新风量，而在过渡季，系统日采用全新风运行。但对于洁净厂房的空调系统，过渡季增大新风量，虽可以减小系统风热处理耗能，但却增大了系统过滤的负担，因此，不一定会经济合理，

特别是洁净级别要求高的系统，鉴于我国室外空气含尘量比较高，不建议在过渡季增大新风的做法。此外，如果过渡季增大新风，还需要调节相应阀门，带来运行控制方面的问题。

在洁净厂房空调系统中，新风量的计算与一般空调系统差别不大。即首先要保证洁净室内量作人员的卫生要求；其次，需要补充系统的排风风量；另外，考虑维持洁净室的洁净度免受临室或外界的影响，洁净室还要维持一点的区差值。对于一般的洁净室内，人员都不多，目此，此时系统新风量主要取决于系统排风量和维持正压风量。

要减少系统的新风量，首先要减少系统的排风量。在IC 工厂中，由于半导体生产中大量使用酸、碱及有机溶剂，会产生各种有毒有害气体。对此，应尽量采用局部排风，用最少的风量，控制有害气体的扩散，并将其排至室外。根据有害气体散发的场所结构和性质，在不妨碍工艺操作的情况下，可加设各种相应的排气罩。同时为减少有害气体在的扩散，排风口应尽量靠近有害气体散发源。

维持正压风量与洁净室的控制压差和洁净室的密封性有关。压差主要由洁净室的性质和规范决定，因此，要减少维持正压风量，主要应增加系统的密封性。由于洁净系统比一般空调系统维持的正压要高，因而，对系统的严密性有更高要求。

系统风量控制

从节能的角度分析，洁净室的送风量应该是保持洁净室的温度、湿度和洁净度的最小送风量。而由于多种原因，系统中的风量常是变化的。

在空调系统运行过程中，随着时间的变化，初效、中效、高效过滤器的阻力是不断变化的。如不进行调节，系统的送风量也是在不断地变化，因此，调节送风量使之维持在上述最小送风量，是经济和合理的节稚措施。洁净厂房面积一般都比较大，为6000～180D0m2，这主要是由于电子产品更新非常快，随之生产工艺、设备也相对更新较快。采用大空间的大跨度的车间厂房，利于工艺设备的更新改造。而在大的洁净厂房中，有时会安排几条生产线同时生产。现代化零库

存的生产方式，又要求生产紧随着市场进行。这就会造成有时几条生产线不同时开，或者某些车间不开的情况。此时，系统送风量可适当或者相应的减小。

洁净厂房在设计时，一般只有一种运行方式，无值班保持正压与生产状态的区别，而洁净厂房工作环境的特殊性，要求非量作状态其洁净度也要相对维持。风机系统在非生产时间内也照常运行，不仅消耗能源，且机械磨损大，严重影响设备的寿命。实际上，当洁净室无人上班时，其主要的污染物来源也没有了，排风系统只需要可较小的排风量排出残留的有害物质，因此，送风量也可以相应的减少，又要能保持洁净室的正压即可。另外，即使是在生产状态下，排风系统的使用情况也不尽相同，因此，按照排风系统的实时情况及时调整送风量，就可非常有效地降低通风空调系统的能耗。

系统的风量是变化的，这就要求有相应的控制系统，即使跟踪过滤器阻力的变化，并可根据生产情况，调节系统送风量可在系统排风管、送风管处设风量传感变送器，并与监测正压的微压差变送器相配合，将检测信号送量系统的PLC 等控制器，后利用已趋于成熟的变频技术，调节风机等设备的转速，实现系统风量的最优化运行。同时可利用可编程控制器设定时间，实现延时、自动切换等量况。

合理确定过滤器的更换周期

过滤器的阻力对空调系统的送风量有很大影响，定期对过滤器进行更换(或清洗)就成了空调系统日常运行、维护中的一个必不可少的环节。如何合理地确定这个更换周期也有一定的技巧:若更换周期太长则使风机处于超负荷的状态下运转,容易造成能源损耗；若更换周期太短则成本提高。具体关系如下:

N =QH

其中,N是指风机的有效功率, Q是指风机输送的空气量(即风量) , H是风机所产生的风压。在考虑到风机的风量不变的前提下(若风量减少就无法达到使用要求了) ,风机所产生的风压就与风机的功率成正比例关系,而风机的风压是为了克服系统阻力产生的压力,系统阻力包括:空调器内部阻力(表冷器、加热器阻

力) ,风管阻力(直管、弯管、变径、阀门) ,以及过滤器的阻力(包括初、中、高效过滤器0,其中空调器内部阻力与风管阻力是不会发生变化的。随着风压不断增大,风机的功率也不断提高。

一般来说,当过滤器的阻力达到初阻力的两倍时就应进行更换,但由于我们的空

调器的送风量会

随着过滤器的阻

力增大而减少,导

致过滤器阻力在

压差计上显示数

值反而降低,因此

阻力只能作为更

换过滤器的一个

参考数值,同时还

必须根据空调系

统现场的环境以及空调器的送风量来决定过滤器的更换周期。

合理设定冷冻水的水温

作为空调系统来说,主要的耗能部分是冷水机组及其附属设备。那么,从冷冻水系统上动脑筋的效果是最明显的。首先,要合理设定冷冻水的水温,一般来说冷冻水的出、回水温差在5～6℃合理(原因是:一般的冷水机组的出水温度是7℃,而根据GMP要求,生产区的温、湿度要求在温度18 ～26℃, 湿度45%～65% ,以22℃, 60%计算,其空气中的含水量约11KJ /Kg,那么就是说表冷器必须达到的效果是将空气降到14～15℃,由于热交换过程中的损失,冷冻水的回水温度则应该在12～13℃左右) ,若温差太小则造成冷冻水的冷量容易在管道中的损耗,若温差太大了就说明未能完全达到使用点的要求。其次,冷冻水的热交换效果是否良好同样也可能造成能源的损耗。

上式中, Ks 为热交换系数, a

W a

n

为内、外表面换热系数,Φ0 为表面效率,

δ为管壁厚度,λ为管壁导热系数,τ肋化系数。当中,除了a W a n 以外,其他系数都是交换器的固有特性,因此增大热交换效果节省冷量的方式是提高内、外表面的热交换系数。一是内部:就是指保证冷冻水的质量,尽量避免在管道内部产生水垢或细菌影响热交换效果;二是外部:就是指定期做好空调表冷器的外部清洁工作,以免影响热交换效果。

利用二次回风系统进行节能

二次回风系统是一个经典的空调系统节能方案,在有关课程中也有提及,但它只能运用在散湿量不大的洁净空调系统内,下面简单介绍一下其特点:

图3 二次回风系统的流程

正常的洁净空调系统中,在主回风管与空调器的风机段增加一风管连通,这段增加的风管就是二次回风管。其作用是:部分从洁净室回来的风量不经过表冷段与初效段而直接在风机段与经过表冷、初效段的新风及其余回风进行混合。其优点是:

二次回风是从洁净室回来的风量,其温度、湿度已经相对接近洁净要求,若这部分风又重新经过表冷器就会出现浪费冷量的机会。从以下实际分析可看出采用

一次回风的空气处理过程见图4,采用二次回风的空气处理过程见图5。

图4 采用一次回风的空气处理过程

其所需的冷量是: Q = G3 ( T - TC ) ,其中G为风量;所需热量是:W = G3 (T0 - TC ) ,其中G为风量。

图5 采用二次回风的空气处理过程

其所需的冷量是: Q = G3 ( T - TC ) ,其中G为风量;所需热量是:W = G3 (T0 - TC1 ) ,其中G为风量。

从式中可看出,由于风量G与混合温度C与C1的区别,二次回风可以节省一部分的冷量与热量。

由于部分回风通过二次回风管参与循环,导致经过表冷段的风量有所减少,可以使风速下降,有利于热交换的进行,可以更合理的利用冷水,减少浪费。

同时,在二次回风管上增加风阀,可根据生产现场以及外界气候条件的变化,及时调整二次回风的风量,使之达到合理的使用。但从二次回风的流程也可看出,若是在产湿量较大的洁净空调系统中,使用二次回风则会出现由于除湿量不足有可能影响送风湿度的问题。

高压微雾加湿

对于蒸汽加湿部分，综合讨论方案，一致认为采用热水高压喷雾加湿器效果

更加好。高压微雾加湿器的工作原理是利用高压柱塞泵将水压提高到7Mpa,然后将加压后的水经耐高压输送管线由专业喷嘴将其雾化，产生3—15μm的微雾颗粒，水雾与流动的空气进行热湿交换后蒸发，使其能够迅速从空气中吸收热量完成汽化并扩散，从而增加空气中的水蒸汽含量，达到加湿空气的目的，同时也有升、降温和净化空气的作用。具有节能、加湿效率高、维护少等特点，该加湿属等焓加湿方式。

高压喷雾加湿器可以和各类新风空调机组和组合空调机组配套使用。

高压喷雾加湿器结构简图

系统特点：

雾细——高压微雾喷嘴每秒能产生50亿个雾滴，雾滴的直径仅为0.5∽15μm,尤如山中云雾，加湿降温效果极佳。

节能——雾化1公斤水仅消耗6W功率，是传统电热加湿器的百分之一，是离心式或气水混合式加湿器的十分之一。

可靠——高压微雾加湿系统主机采用进口工业型柱塞泵，能够24小时连续运转，喷嘴及水雾分配器无动力易损部件，在高粉尘环境中不会损坏。

安全自动泄压——当喷雾机停止工作时，机体自动将高压喷管的压力释放，防止喷头滴水。

自动缺水断电系统——防止因无水时泵空转现象，提高泵寿命。

卫生——高压微雾系统的水是密封非循环使用的，不会导致细菌的繁殖。 加湿量大且喷嘴可以自由组合。加湿量从5kg/h～900kg/h进行无级调节。 加湿效率高达95%以上。

使用条件

环境温温度：加湿器主机 1～40 ℃≤ 80%RH 喷雾装置 1～80 ℃。

给水水质：自来水、净化水或同类水。

给水压力：≥ 0.1MPa 。

给水温度： 4～55 ℃。

加湿段长度： 0.45～1.1m 。

进风风速： 0.5～3.5m/s

进风温度：≥ 15 ℃。

电源：380V/50HZ

系统组成

泵站单元：高压陶瓷柱塞泵能产生3～7MPa的高压水，可适应5kg/h∽900kg/h 流量间的稳压调整，并有多种保护功能；性能稳定、可靠耐用、连续性工作强。

超微雾化喷嘴：核心部分采用钛合金材料制造和自带限压启动阀，外壳采用铜质或不锈钢材质制造，具有喷雾细，不磨损，压力损失小，防堵塞、不滴水等特点。孔径：0.1524mm 喷雾量：2.46kg/h(在P=4MPa时)。

控制单元：微电脑全自动控制，自动过滤、自动加湿、自带湿度控制接口，实现湿度的自动调节和控制。

高压分路阀单元：高压分路阀可根据要求自动实现高压水向多路超微喷嘴单元供水或泄水。

超强过滤系统：PO超强过滤器，配有5微米、10微米双级水过滤器，有效解决水质问题，确保喷头不被堵塞。

高压管线：采用高压无缝紫铜管、高压无缝不锈钢管或高压橡胶钢丝复合管，管线最长可达150米。

高压喷雾加湿器的安装

注意事项

整个系统的所有管线不能选用容易生锈的普通钢管, 高压无缝紫铜管、高压无缝不锈钢管或高压橡胶钢丝复合管,避免铁锈水堵塞喷嘴。

直接可以与自来水管连接,但必须增设超强过滤器,避免水中的固体颗粒堵塞喷嘴。

若机器使用在寒冷地区,应注意采取防冻措施;主机安装在户外时,必须采取防雨措施；使用完毕后，切断水源，工作5秒，排尽泵内的余水，以防止冻坏高压泵。

严禁无水状态下，运转水泵。

喷嘴的安装高度,建议距离地面至少2米的高度,距离房屋内顶至少0.5米;一方面为了增加超细微雾粒在空气中蒸发、汽化的时间，另一方面避免超细微雾粒喷到障碍物而产生水滴。

喷嘴的安装高度角度以水平往上倾斜5～15°为最佳使用角度。

连接喷嘴的管线每100M落差300MM,每2M要有一个固定点;避免连接管线长期使用，产生弯曲，导致残留水长期滞留在管线中而形成沉淀物，堵塞喷嘴。

开机前，将调压阀松开至无压力状态，开机后慢慢调节调压阀，观察压力表显示的压力。

在高压泵首次运转前加入润滑油到曲轴箱，加入到油位尺上两条横线的中间位置即可。切忌不得加满；高压泵首次工作50小时需要更换润滑油，以后每300小时更换一次。润滑油采用40号或60号。

选配高压喷雾加湿器的空调机组必须安装挡水板；若空调机组没有挡水板，可选用我公司的湿膜挡水板；主要为了防止没有汽化的水滴随空气漂移到电机上，或漂移进入风道，影响其寿命。