TFT-LCD等平板顯示項目節(jié)能評估要點分析及探討

文_ 程星華 李強(qiáng) 中國電子工程設(shè)計院

國家發(fā)布實施《固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估和審查暫行辦法》以來的這幾年，正值我國TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器）產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。TFT-LCD項目屬于資金密集、技術(shù)密集的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，屬于精密電子器件加工制造。具有投資規(guī)模大、廠房體量大、工藝流程復(fù)雜、自動化程度高、廠務(wù)系統(tǒng)復(fù)雜、能源及耗能工質(zhì)種類多、污染物種類多、排放量較大等特點。本文根據(jù)實際工作經(jīng)驗，對TFT-LCD項目節(jié)能評估報告中的能評要點及存在問題進(jìn)行分析和探討。

1 TFT-LCD項目用能特點及體系的劃分

用能體系是根據(jù)項目（企業(yè)）用能特點，人為的將用能系統(tǒng)或用能工序等進(jìn)行歸納和分類，是項目用能分析的基礎(chǔ)框架和能量平衡分析的依據(jù)，貫穿節(jié)能評估報告計算分析過程。

根據(jù)TFT-LCD項目生產(chǎn)工藝特點以及動力需求情況，用能體系通常劃分為主要生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、附屬生產(chǎn)系統(tǒng)。主要生產(chǎn)系統(tǒng)作為最終使用端直接消耗能源或耗能工質(zhì)，可以按工藝或產(chǎn)品（線）來劃分，通常包括陣列、彩膜、成盒、模組，近年來一些新建產(chǎn)線還包括觸摸屏和OLED有機(jī)蒸鍍；輔助生產(chǎn)系統(tǒng)作為生產(chǎn)系統(tǒng)的能源供應(yīng)和環(huán)境支持系統(tǒng)，除向生產(chǎn)系統(tǒng)提供二次能源和耗能工質(zhì)外，還在其轉(zhuǎn)換、傳輸、制備過程中消耗能源，TFT-LCD項目所需的輔助系統(tǒng)繁多，適宜按能源、耗能工質(zhì)種類以及專業(yè)系統(tǒng)來劃分，如工藝?yán)鋮s水、照明、采暖、通風(fēng)、空調(diào)等；辦公樓、宿舍、食堂等附屬生活配套設(shè)施的用能特點和要求與生產(chǎn)設(shè)施有較大差異，用能指標(biāo)需要按民用建筑的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行計算和對標(biāo)，因此該部分應(yīng)作為獨立耗能體系劃分為附屬生產(chǎn)系統(tǒng)。

TFT-LCD項目消耗的一次能源通常包括天然氣，二次能源包括電力、熱力（蒸汽或熱水），消耗的外購耗能工質(zhì)主要包括新鮮水（市政再生水）和氮氣、氫氣、氧氣、氬氣、氦氣等工業(yè)氣體。此外，生產(chǎn)過程還會消耗企業(yè)自制純水、壓縮空氣、工藝真空、清掃真空、冷卻循環(huán)水等耗能工質(zhì)，此類耗能工質(zhì)在制備時已經(jīng)按其加工轉(zhuǎn)換所消耗的電、水等計入綜合能耗，不再列入耗能工質(zhì)折標(biāo)煤計算。TFT-LCD項目各用能體系及耗能系統(tǒng)、工序所消耗的能源及耗能工質(zhì)的種類如表1。

2 折標(biāo)系數(shù)的選用

折標(biāo)系數(shù)是節(jié)能評估過程中計算項目綜合能耗的最基本參數(shù)，其合理性和準(zhǔn)確性直接影響綜合能耗的計算結(jié)果及相關(guān)指標(biāo)分析，也是各地節(jié)能評審的重點。

2.1 電力的等價折標(biāo)系數(shù)

電力折標(biāo)系數(shù)有當(dāng)量值和等價值兩種。

電熱設(shè)備每消耗1kWh電所獲得的熱量為3600kJ，按照1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量為29270kJ折算，電力當(dāng)量折標(biāo)系數(shù)為0.1229kgce/kWh。

電力等價熱值是指發(fā)電廠每供應(yīng)1kWh電所消耗的熱量，由于火力發(fā)電過程中存在能源轉(zhuǎn)換和能量損失，其等價折標(biāo)系數(shù)按當(dāng)年火電發(fā)平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗計算。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會和美國環(huán)保協(xié)會共同編著完成的《中國電力減排研究2012》報告顯示，2012年全國6000kW及以上火電機(jī)組平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗0.326kgce/kWh。電力等價折標(biāo)系數(shù)因不同地區(qū)當(dāng)年火力發(fā)電供電煤耗而有所不同，節(jié)能評估需要根據(jù)項目所在地節(jié)能評價要求調(diào)整。

電力折標(biāo)系數(shù)的選用需要根據(jù)不同的使用用途而有所差異。

2.2 新鮮水等耗能工質(zhì)的當(dāng)量折標(biāo)系數(shù)

水在不同的壓力和溫度下狀態(tài)不一樣，焓值不同，當(dāng)量折標(biāo)系數(shù)也不相同。在一般項目中，新鮮水通常以自來水的形式購入，其熱量并不作為能量進(jìn)入用能系統(tǒng)，水的當(dāng)量不需要進(jìn)行計算。同理，氮氣等工業(yè)氣體也不需要計算當(dāng)量值。因此新鮮水等耗能工質(zhì)在節(jié)能評估時計算綜合能耗時，僅計算其等價值。

2.3 氮氣折標(biāo)系數(shù)

TFT-LCD項目中，氮氣在生產(chǎn)過程主要作為保護(hù)氣體、反應(yīng)氣體、載氣、以及破真空氣體。通常氮氣、氧氣采用空分法制備，是生產(chǎn)過程的主產(chǎn)品，根據(jù)《綜合能耗通則》（GB/T 2589-2008），其等價折標(biāo)系數(shù)應(yīng)按主產(chǎn)品采用0.6714 kgce/m3。

TFT-LCD工廠通常自建動力站，生產(chǎn)壓縮空氣、純水、工藝真空等，其能耗已計入電能，綜合能耗計算時不再重復(fù)計算。

如上所述，目前節(jié)能評估文件中只有電力區(qū)分當(dāng)量值和等價值，其他無論一次能源、二次能源、耗能工質(zhì)，一律按一個折標(biāo)系數(shù)進(jìn)行綜合能耗的計算，TFT-LCD項目通常選用的折標(biāo)系數(shù)如表2所示。

表1 TFT-LCD項目用能體系的劃分

3 綜合能源消費量和綜合能耗的差別分析及建議

綜合能源消費量是指報告期內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)消費的各種能源的總和。企業(yè)綜合能源消費量=購入能源消費量－由本企業(yè)加工轉(zhuǎn)換的二次能源生產(chǎn)量＋由本企業(yè)加工轉(zhuǎn)換的二次能源自用量。

《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589-2008）中對綜合能耗的定義：用能單位的統(tǒng)計報告期內(nèi)實際消耗的各種能源實物量，按規(guī)定的計算方法和單位分別折算后的總和。

從上述對綜合能源消費量和綜合能耗的定義可以看出，兩者在計算范圍上有些差異。綜合能源消費量是指報告期內(nèi)企業(yè)消費的，即購入的一、二次能源總和，包含那些購入了但實際可能未消耗的能源用量，不包含耗能工質(zhì)；綜合能耗是指報告期內(nèi)實際消耗的能源總和，包含耗能工質(zhì)。

節(jié)能評估屬于項目建設(shè)前期階段，除耗能工質(zhì)外，認(rèn)為購入的能源全部用于實際消耗，不考慮貯存余量。

此外，筆者理解兩者的區(qū)別在于用途不同。綜合能源消費量，是從國家和地區(qū)能源統(tǒng)計角度衡量企業(yè)能源消費情況，是對全社會能源消費的宏觀綜合評價，即注重全社會能源產(chǎn)出及消費的平衡分析，通過能源消費量的統(tǒng)計可以看出一個企業(yè)對社會能源資源的消耗。耗能工質(zhì)作為消耗一次或二次能源的產(chǎn)出物，其制造企業(yè)在報告期內(nèi)已經(jīng)將生產(chǎn)耗能工質(zhì)的能源，計入能源消費量，若使用耗能工質(zhì)的企業(yè)再次將耗能工質(zhì)計入能源消費量，則從全社會角度重復(fù)計算。

綜合能耗傾向分析一個企業(yè)生產(chǎn)過程中各類用能系統(tǒng)實際消耗的綜合能源數(shù)量。由于同類項目不同企業(yè)生產(chǎn)工藝可能不同、建設(shè)內(nèi)容不完全相同，直接外購的能源或耗能工質(zhì)種類及數(shù)量也不盡相同，因此，若不將耗能工質(zhì)計入綜合能耗，僅用能源消費量來評估企業(yè)實際單位產(chǎn)值綜合能耗、單位產(chǎn)品綜合能耗等指標(biāo)將不準(zhǔn)確，不能反映與同類項目對比的能耗水平是否先進(jìn)。該指標(biāo)側(cè)重個體分析。

目前節(jié)能評估文件相關(guān)要求及評審過程中，項目綜合能源消費量和綜合能耗的計算未明確區(qū)分，均指包含外購耗能工質(zhì)在內(nèi)的所有能源消耗量。筆者認(rèn)為，對于項目對所在地能源消費影響分析等宏觀分析時會產(chǎn)生一定偏差。以某8.5代TFTLCD項目為例，綜合能耗計算見表2所示，可以看出，若不包含耗能工質(zhì)，綜合能耗能約為源消費量（等價值）的1.3倍。

因此，筆者建議，節(jié)能評估中對不同的指標(biāo)進(jìn)行分析，數(shù)值計算選取如表3所示。

表2 TFT-LCD項目總和能源消費量和綜合能耗的比較

表3 針對不同用途指標(biāo)計算說明

4 電力消耗量的核算

TFT-LCD工廠工藝設(shè)備實行全年365天晝夜連續(xù)生產(chǎn)的工作制度，為其配套的生產(chǎn)環(huán)境、輔助動力設(shè)施也要滿足全年不間斷運(yùn)行。一般按照設(shè)計產(chǎn)能量配置的用電設(shè)備，根據(jù)需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計算和耗電量計算。

Q（電量）=設(shè)備單機(jī)功率×設(shè)備數(shù)量×需要系數(shù)×負(fù)荷系數(shù)×年運(yùn)行時間

TFT-LCD項目工藝設(shè)備需要系數(shù)通常為0.3～0.45，部分設(shè)備如CVD、Sputter、Oven等需要系數(shù)取0.6～0.75。

由上述公式可以看出，用電設(shè)備年運(yùn)行時間對耗電量估算有影響。目前，我國暫沒有電子行業(yè)年時基數(shù)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。TFT-LCD項目與IC（集成電路）類項目一樣，其生產(chǎn)運(yùn)營特點是生產(chǎn)設(shè)備及輔助動力配套設(shè)施實行全年365天晝夜連續(xù)生產(chǎn)工作制度，生產(chǎn)線自動化程度非常高，生產(chǎn)一旦中斷，將會帶來嚴(yán)重?fù)p失。但此類項目實際運(yùn)行中，工藝設(shè)備的運(yùn)行工況較為復(fù)雜，包括設(shè)備故障停機(jī)、機(jī)臺保養(yǎng)、產(chǎn)品換線、更換藥液消耗品、等待等非運(yùn)行狀態(tài)，因此計算年耗電量是其運(yùn)行時間需要考慮設(shè)備的綜合的稼動率，即在計算時要考慮一個工時折損系數(shù)，通常TFT-LCD項目工藝設(shè)備綜合稼動率為75%～85%，部分設(shè)備如Exposure、CVD、Sputter綜合稼動率約為50%～60%。計算時要特別注意。

5 對標(biāo)分析

TFT-LCD、OLED等平板顯示項目是以大片玻璃基板為原材料，根據(jù)產(chǎn)線世代和產(chǎn)品定位切割不同尺寸的顯示產(chǎn)品。以6代以上高世代線切割大尺寸產(chǎn)品為例，如表4所示?？梢钥闯?，即使相同的世代線，技術(shù)路線相同，由于其市場定位和產(chǎn)品方案不同，其最終生產(chǎn)的產(chǎn)品（模組）數(shù)量是不同的。因此，為建立可比較的評價體系，TFT-LCD等平板顯示項目分析單位產(chǎn)品綜合能耗時，不以最終的產(chǎn)品數(shù)量為基準(zhǔn)，而以年玻璃基板投入量即玻璃基板面積為基準(zhǔn)，進(jìn)行對標(biāo)分析。評價指標(biāo)包括單位玻璃基板面積電耗、單位玻璃基板面積水耗、單位玻璃基板面積綜合能耗等。其電力折標(biāo)系數(shù)按當(dāng)量值計算。

表4 不同世代TFT-LCD生產(chǎn)線對應(yīng)產(chǎn)品尺寸經(jīng)濟(jì)切割片數(shù)

隨著顯示的發(fā)展和技術(shù)及產(chǎn)品性能的不斷提升，TFTLCD面板技術(shù)已由傳統(tǒng)a-Si（非晶硅）發(fā)展到LTPS（低溫多晶硅）、Oxide（氧化物半導(dǎo)體）三種技術(shù)并行的態(tài)勢。根據(jù)其工藝特點和技術(shù)要求，LTPS和IGZO生產(chǎn)工藝對于生產(chǎn)環(huán)境要求更高，特別是LTPS，其潔凈度等級比a-Si整體約提高一個等級，工藝設(shè)備增加了準(zhǔn)分子激光退火、離子注入、活化、氫化/脫氫等設(shè)備，光刻次數(shù)達(dá)到9～13次，為a-Si的2～3倍，在設(shè)計產(chǎn)能相同的情況下，由于光刻次數(shù)的增多，將導(dǎo)致設(shè)備配置數(shù)量更多，耗電量更大。因此，TFT-LCD類項目進(jìn)行對標(biāo)分析時，需要結(jié)合項目工藝技術(shù)情況，將單位玻璃基板面積能耗指標(biāo)折算成4次光刻的數(shù)值，與既有項目指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

如：某第6代LTPS TFT-LCD項目，其設(shè)計產(chǎn)能為60k/m，玻璃基板尺寸為1.5m×1.85m，光刻次數(shù)為11～13次，項目年耗電量約為10.53×1012kWh，計算單位玻璃基板面積耗電量為527kWh/m2。若判斷此項目的能耗先進(jìn)性，需要考慮由于光刻次數(shù)增多導(dǎo)致相同產(chǎn)能下工藝設(shè)備增加引起的耗電量增加，與傳統(tǒng)4次光刻，該項目相當(dāng)于2.5倍的設(shè)計產(chǎn)能，即150k/m，因此，用于對標(biāo)的、折算為4次光刻的單位玻璃基板面積耗電量約為210kWh/m2。

目前，我國尚未發(fā)布有關(guān)平板顯示行業(yè)能耗限額有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不能進(jìn)行對照分析。依據(jù)我院設(shè)計的此類項目經(jīng)驗以及部分產(chǎn)線調(diào)研結(jié)果，當(dāng)前國內(nèi)TFT-LCD項目單位玻璃基板面積電耗先進(jìn)水平約為150kWh/m2；單位玻璃基板面積水耗先進(jìn)水平約為1.2t/m2；單位玻璃基板面積綜合能耗（當(dāng)量值）先進(jìn)水平約為0.028tce/m2。但由于不同項目技術(shù)路線不同、生產(chǎn)工序不同，其能效水平有所不同。特別是在節(jié)能評估階段，建設(shè)方案較粗略，隨著設(shè)計的推進(jìn)和各項條件的落實，與實際設(shè)計方案還存在一定差異。此外，目前國內(nèi)TFT-LCD項目為考慮未來產(chǎn)能的可擴(kuò)充性，公用設(shè)備配置有一定冗余，因此，建議能評階段項目（產(chǎn)品）能耗指標(biāo)先進(jìn)性分析或?qū)?biāo)時，應(yīng)允許有10%～20%的富余量。

6 結(jié)論

TFT-LCD等平板顯示項目屬于國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，節(jié)能評估和審查也是項目核準(zhǔn)或備案的重要環(huán)節(jié)。從事能評編制工作多年來，筆者認(rèn)為目前國內(nèi)節(jié)能評估還存在一些問題，如不同地區(qū)節(jié)能評估深度要求和文件編制格式不統(tǒng)一；部分名詞定義不夠清晰統(tǒng)一；地區(qū)節(jié)能目標(biāo)指標(biāo)定義不清晰；節(jié)能措施、單項節(jié)能工程的節(jié)能效果或節(jié)能量計算存在分歧；行業(yè)能耗標(biāo)準(zhǔn)不完備等，需要根據(jù)實際情況進(jìn)一步加以解決。