半導(dǎo)體廠房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究

摘要：在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，許多領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體的需求不斷增加，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展速度不斷加快，但是半導(dǎo)體生產(chǎn)需要大量的電力能源，為降低電能消耗，控制生產(chǎn)成本，許多企業(yè)積極建設(shè)潔凈廠房。本文圍繞半導(dǎo)體廠房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能展開(kāi)討論，根據(jù)半導(dǎo)體廠房環(huán)境質(zhì)量需求，實(shí)施有效的空調(diào)節(jié)能措施，有助于降低電能的消耗。

Abstract： In the process of social and economic development， the demand for semiconductors in many fields is increasing， and the development speed of the semiconductor industry is accelerating. However， semiconductor production requires a large amount of electrical energy. In order to reduce electrical energy consumption and control production costs， many companies are actively building clean factories. This article discusses the energy saving of the air-conditioning system of semiconductor plants. According to the environmental quality requirements of semiconductor plants， the implementation of effective air-conditioning energy-saving measures can help reduce the consumption of electrical energy.

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體;廠房;空調(diào)系統(tǒng);節(jié)能研究

Key words： semiconductor;plant;air-conditioning system;energy saving research

中圖分類(lèi)號(hào)：TU831 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）15-0233-02

0 ?引言

提高半導(dǎo)體廠房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能水平，需要在潔凈室中進(jìn)行相關(guān)研究，包括潔凈室氣流組織、潔凈室高耗能原因分析以及潔凈室節(jié)能方案分析等，通過(guò)分析獲得空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能參數(shù)，同時(shí)結(jié)合半導(dǎo)體廠房實(shí)際消耗電能，綜合調(diào)控空調(diào)系統(tǒng)，從而獲得良好的節(jié)能效果，以便控制運(yùn)行成本，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 ?潔凈空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析

1.1 潔凈室技術(shù)介紹

半導(dǎo)體廠房需要在較高質(zhì)量的環(huán)境中生產(chǎn)半導(dǎo)體，通過(guò)潔凈室模擬實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，分析潔凈室內(nèi)的灰塵、有害氣體等物質(zhì)，并實(shí)施有效的措施，有效控制潔凈室的潔凈度。在通過(guò)潔凈室對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能分析時(shí)，需要滿(mǎn)足以下三個(gè)條件，一是防止微粒進(jìn)入到潔凈室，二是防止微粒堆積，三是及時(shí)快速的清理微粒。

根據(jù)潔凈室系統(tǒng)原理，新風(fēng)由管道進(jìn)入到初始過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)溫濕度處理設(shè)備以及中效過(guò)濾器，可以保證潔凈室內(nèi)空氣質(zhì)量符合實(shí)驗(yàn)要求。在潔凈室系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要使用到潔凈室維護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)凈化系統(tǒng)以及附屬設(shè)備。

在潔凈室內(nèi)應(yīng)用空氣潔凈技術(shù)，可以與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比內(nèi)容如下：①潔凈空調(diào)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝過(guò)程中空氣參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境等要求，而民用空調(diào)滿(mǎn)足人員舒適度的要求;②空氣參數(shù)及室內(nèi)環(huán)境對(duì)比，潔凈空調(diào)實(shí)現(xiàn)溫度、濕度控制，精度要求高，滿(mǎn)足潔凈度要求，民用空調(diào)無(wú)法精準(zhǔn)控制潔凈度;③主要冷負(fù)荷對(duì)比，潔凈空調(diào)設(shè)備具備散熱以及產(chǎn)生新風(fēng)熱量等功能，民用空調(diào)具有維護(hù)結(jié)構(gòu)熱量功能;④送風(fēng)量和回風(fēng)量對(duì)比，潔凈空調(diào)必須滿(mǎn)足換氣次數(shù)，并且每次換氣產(chǎn)生較大的風(fēng)量，民用空調(diào)需求量較小。

對(duì)潔凈室潔凈度等級(jí)需求進(jìn)行分析，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，潔凈室內(nèi)中等級(jí)粒子允許最大濃度，由公式C2≈10N（D/d）2.08，在公式中C2代表粒子最大允許濃度，單位為pc/m3，N代表潔凈度等級(jí)，D代表基本參考粒徑，d代表被考慮的粒徑。結(jié)合公式計(jì)算半導(dǎo)體材料生產(chǎn)時(shí)廠房空氣潔凈度等級(jí)，若采用拉單晶生產(chǎn)工藝，空氣潔凈度等級(jí)在4-5個(gè)0.3um范圍內(nèi)，若采用切、磨、拋生產(chǎn)工藝，空氣潔凈度等級(jí)在5-7個(gè)0.3um范圍內(nèi)。

1.2 潔凈室氣流組織

潔凈室氣流組織按照單向流潔凈室、非單向流潔凈室、矢流潔凈室等組織形式進(jìn)行分析。在單向流潔凈室氣流組織內(nèi)，充分利用該組織特點(diǎn)，包括：①在均壓流作用下，潔凈室內(nèi)空氣斷面流速處于均壓狀態(tài);②在單向流潔凈室內(nèi)產(chǎn)生側(cè)向吹風(fēng)，可以保證氣流斷面處于正常狀態(tài);③在單向潔凈室內(nèi)設(shè)置渦流設(shè)備。單向潔凈室運(yùn)行原理，是在潔凈室內(nèi)建立高效過(guò)濾器頂棚，潔凈空氣由頂棚傳入到室內(nèi)，通過(guò)回風(fēng)道將污染空氣排出潔凈室。非單向流潔凈室稱(chēng)為亂流潔凈室，在室內(nèi)產(chǎn)生的氣流組織，可以分為頂送頂回、頂送側(cè)下回以及側(cè)送測(cè)回等。矢流潔凈室具有排出室內(nèi)顆粒、凈化空氣的功能，并且還具有以下特點(diǎn)：①流線間橫向擴(kuò)散能力較弱，但是會(huì)在送風(fēng)口上端，產(chǎn)生反向氣流，有助于排出室內(nèi)的污染空氣;②在潔凈室的下風(fēng)側(cè)和兩側(cè)，會(huì)產(chǎn)生輻流渦流區(qū)，可以消除流向方向產(chǎn)生的回風(fēng)。基于矢流潔凈室具有的輻流功能，可以將潔凈室內(nèi)的潔凈度提高至100級(jí)，并且造價(jià)較低，廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體廠房。

1.3 潔凈室高耗能原因分析

在潔凈室運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)消耗較多的電能，通常情況下潔凈室空調(diào)系統(tǒng)消耗的電能，是普通空調(diào)系統(tǒng)的15倍，引發(fā)潔凈室高耗能的原因有以下幾點(diǎn)：①半導(dǎo)體廠房需要較高的潔凈度，并且在生產(chǎn)狀態(tài)下，需要較多的空氣，同時(shí)增加換氣次數(shù)。在潔凈空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通常需要2-3級(jí)過(guò)濾方法，而在每次過(guò)濾空氣過(guò)程中，產(chǎn)生的阻力會(huì)影響到進(jìn)風(fēng)量，需要提高風(fēng)機(jī)功率，才能消除產(chǎn)生的阻力。此外按照ISO6級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定潔凈室面積為96m2，高為3m，采用垂直單向氣流組織通風(fēng)方式，每小時(shí)內(nèi)換氣次數(shù)在300-400次范圍內(nèi)，從而消耗較多的電能;②為提高半導(dǎo)體生產(chǎn)質(zhì)量，獲得良好的半導(dǎo)體，需要將潔凈室內(nèi)的濕度和溫度控制在穩(wěn)定的狀態(tài)，通常情況下濕度控制在35%-55%范圍內(nèi)，溫度控制在23℃±2℃范圍內(nèi)，將上述參數(shù)控制在穩(wěn)定的狀態(tài)，需要空調(diào)系統(tǒng)具備較高的制冷和制熱功能，從而消耗較多的電能;③通常情況下半導(dǎo)體廠需要24小時(shí)生產(chǎn)，空調(diào)系統(tǒng)會(huì)按照7×24小時(shí)的工作制保持在運(yùn)行狀態(tài)。為降低潔凈室空調(diào)系統(tǒng)電能消耗，一般采用以下節(jié)能方式：①采用變風(fēng)量運(yùn)行模式;②盡量減少風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷;③提高設(shè)備效率以及降低功率消耗;④控制合適的新風(fēng)量;⑤采用蓄冷方式。

1.4 潔凈室節(jié)能方案分析

潔凈室節(jié)能方案分析，主要分析潔凈室氣流組織節(jié)能、潔凈室空氣處理節(jié)能以及潔凈室冷源系統(tǒng)節(jié)能。潔凈室氣流組織節(jié)能進(jìn)行分析，可以利用組織阻止外界灰塵進(jìn)入到潔凈室內(nèi)，并且有效去除室內(nèi)粉塵，還能控制氣流速度，保證潔凈室內(nèi)潔凈度滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。潔凈室空氣處理節(jié)能分析，通常采用兩種空氣處理方法，一是集中式空氣處理方法，二是分散式空氣處理方法。潔凈室冷源系統(tǒng)節(jié)能具有以下特點(diǎn)，根據(jù)半導(dǎo)體生產(chǎn)要求，將生產(chǎn)環(huán)境的溫度控制在23℃±2℃范圍內(nèi)，需要冷水機(jī)組、循環(huán)水泵節(jié)能裝置以及冷卻塔節(jié)能裝置。

2 ?潔凈空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能綜合分析

2.1 冷水系統(tǒng)節(jié)能分析

以某半導(dǎo)體企業(yè)為例，該企業(yè)具有萬(wàn)級(jí)潔凈室4個(gè)，十萬(wàn)級(jí)潔凈室6個(gè)，可以獨(dú)立完成二極管、三極管封裝生產(chǎn)。在每個(gè)潔凈室廠房?jī)?nèi)，都配有電力系統(tǒng)、水系統(tǒng)、其它系統(tǒng)以及暖通空調(diào)系統(tǒng)，在車(chē)間內(nèi)使用上送上回、上送側(cè)回兩種氣流組織形式。通過(guò)對(duì)潔凈室每個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行分析，通常情況下溫度在23.1℃-25.2℃范圍內(nèi)。參照全廠用電情況，單月最大用電量為1067820kWh，最小用電量為585690kWh。最大用電量集中在夏季，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)制冷過(guò)程中消耗較多的電能。

2.2 冷水機(jī)組節(jié)能分析

該企業(yè)生產(chǎn)半導(dǎo)體過(guò)程中，整個(gè)廠區(qū)配置兩臺(tái)冷水機(jī)組，制冷能力分別為200噸和500噸，其中500噸為離心式冷水機(jī)組，運(yùn)行功率為328kW。在夏季500噸冷水機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入到冬季，500噸冷水機(jī)組80%處于運(yùn)行狀態(tài)。為降低機(jī)組的電能消耗，并且提高機(jī)組的運(yùn)行效率，根據(jù)公式IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.0%×D，在公式中A代表100%滿(mǎn)負(fù)荷性能系數(shù)、B代表75%負(fù)荷性能系數(shù)、C代表50%負(fù)荷性能系數(shù)、D代表50%負(fù)荷性能系數(shù)。

2.3 水泵變頻節(jié)能及意義分析

該廠在生產(chǎn)半導(dǎo)體過(guò)程中，廠房?jī)?nèi)配置循環(huán)水泵，并按照一用一備的原則，需要四臺(tái)循環(huán)水泵。水泵選用上海上泵集團(tuán)生產(chǎn)的，該水泵型號(hào)為ISGR150-315，流量為每小時(shí)200m3，揚(yáng)程為32m，有效軸功率為22.1kW。在水泵運(yùn)行過(guò)程中，若轉(zhuǎn)速保持在100%狀態(tài)，節(jié)電率為0，若轉(zhuǎn)速為50%時(shí)，節(jié)電率為87.5%。結(jié)合公式30kW·h×27.1%=8.13kW·h，一臺(tái)水泵按照全年300天計(jì)算，全年節(jié)電量費(fèi)用為58536元，可以獲得充分的節(jié)能功效。在潔凈室氣流組織設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)溫度和濕度要求，通過(guò)調(diào)節(jié)廠房空調(diào)系統(tǒng)，并且對(duì)變頻系統(tǒng)進(jìn)行改造，同時(shí)加強(qiáng)廠房管理，針對(duì)運(yùn)行中存在的問(wèn)題實(shí)施解決措施，最大程度控制空調(diào)系統(tǒng)的電能消耗，使空調(diào)系統(tǒng)保持在最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 半導(dǎo)體工廠節(jié)能措施分析

在半導(dǎo)體生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)分析其設(shè)備的特性，例如潔凈室內(nèi)冷負(fù)荷增大，排氣量增大等從而應(yīng)該對(duì)用電量進(jìn)行考慮，降低設(shè)備的待機(jī)狀態(tài)，降低用電量。把握排氣量與真空的要求，做好匹配及值之間的誤差，避免鋪張浪費(fèi)的事情，如在清洗裝置的過(guò)程中，降低消耗水的量，二次側(cè)配管時(shí)則應(yīng)降低循環(huán)管的排水量，從而達(dá)到節(jié)能的要求。

3 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)潔凈室空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究發(fā)現(xiàn)，既要提高廠房空調(diào)器利用率，還要降低電能的消耗，需要廠房根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，運(yùn)用科學(xué)合理的送風(fēng)方法，并且分析冷水系統(tǒng)節(jié)能、冷水機(jī)組節(jié)能以及水泵變頻節(jié)能等，有助于充分發(fā)揮空調(diào)的節(jié)能作用，為半導(dǎo)體企業(yè)生產(chǎn)降低運(yùn)行成本，并且獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：董學(xué)鑫（1985-），男，河南濮陽(yáng)人，本科，研究方向?yàn)闈崈羰铱照{(diào)技術(shù)及科研管理。