空調熱泵熱回收技術在芯片制造基地的應用

文_王吉標 魏騰騰 李凱

華清安泰（北京）科技股份有限公司

1 逐月冷熱負荷和余熱分析

本工程為單晶硅切片制造基地提供冷熱源，總建筑面積為6.75 萬m2，建筑使用功能為切割太陽能用單晶硅硅片。該基地內主生產廠房為凈化車間，夏季空調系統(tǒng)需要供冷，同時有再熱需求，冬季需要供熱，過渡季節(jié)同時有冷熱需求。在春秋冬三個季節(jié)內生產工藝需要的純水在制備過程中需要加熱。項目空調最大冷負荷為17MW，最小冷負荷為3MW。最大熱負荷為15MW，最小熱負荷為1MW，各個月份需要的冷負荷和熱負荷如表1。

表1

供冷供熱設計供回水溫度如表2。

表2

制造基地內采用線切機進行芯片切割時需要8℃左右的冷卻水進行工藝冷卻，該冷卻水系統(tǒng)由冷水機組制備，采用冷卻塔進行散熱，全年24h 行。冷卻塔作為散熱設備，冬季冷卻水系統(tǒng)進塔溫度25 ～28℃，出塔溫度20 ～24℃，冷卻水量4000m3/h。

2 用能比選

項目周邊可利用的能源形式對比如表3。

表3

3 冷熱源系統(tǒng)配置

本項目能源系統(tǒng)采用熱回收+電制冷+燃氣鍋爐相結合的多能源供能系統(tǒng)，以高效節(jié)能的熱回收熱泵技術為主，燃氣鍋爐為輔，作為調峰和備用熱源。供冷采用空調熱回收供冷+冷水/熱泵機組+冷卻塔系統(tǒng)；供熱采用空調熱回收供熱+工業(yè)余熱回收供熱+燃氣鍋爐（調峰及備用）系統(tǒng)。主機設備配置情況如表4。

表4

3.1 工業(yè)余熱回收利用

本項目冬季工藝冷卻系統(tǒng)的進塔溫度25 ～28℃之間，冷卻水量為4000m3/h，通過熱泵技術，可提供50℃的熱源水。提取完熱量的冷卻水再回到冷卻水系統(tǒng)中，同時由于余熱回收后冷卻水溫度已經(jīng)降低，可以減少工藝冷卻塔風機開啟數(shù)量，減少工藝冷卻系統(tǒng)的用電量。

采用熱泵技術回收工藝余熱進行冬季供熱(圖1)。

圖1

采用該技術制備12100kWh 熱量需要的電費為：1940kWh×0.69 元/kWh=1339 元；而采用燃氣鍋爐制取相同熱量需要燃氣量為1200Nm3，燃氣費用為1200×2.98元=3576 元。可以看出，采用熱泵回收技術運行費用僅為燃氣鍋爐供熱的40%左右。

3.2 熱泵熱回收技術

從每個月供冷和供熱負荷分析，除冬季三個月外，其它月份均同時有冷熱負荷需求。除冬季外，供熱負荷均小于供冷負荷，可利用螺桿熱泵機組在制冷的同時“免費”回收冷凝熱為建筑供熱，可大大節(jié)省后期的運行費用。即采用1 臺熱泵機組，一端供冷，一端供熱，機組能效為：（制冷量+制熱量）/用電量；而采用冷水機組供冷時，機組能效為：制冷量/用電量。

以同時制備2331kWh 冷水和3011kWh 熱水為例測算運行費用，對比分析如下：

（1）熱回收系統(tǒng)（圖2）

圖2

開啟一臺熱泵主機便可同時滿足供冷、供熱，主機能效：（2331+3011）/680=7.85；主機電費：680×0.69=469 元/h。

（2）常規(guī)系統(tǒng)（圖3）

圖3

需同時開啟冷水機組供冷、燃氣鍋爐供熱，制冷主機能效：2331/462=5.0；燃氣、電費：462×0.69+334×2.98=1314 元/h。

可以看出，采用熱回收技術，可大大降低運行費用。

4 不同季節(jié)運行模式

冬季供熱運行時以工業(yè)余熱回收系統(tǒng)為主，不足時再開啟燃氣鍋爐調峰供熱；冷熱同時有需求時，采用熱泵熱回收技術制備全部熱水，以熱回收制備的冷水作為基礎負荷，不足部分開啟冷水/熱泵機組+冷卻塔進行補充。

5 運行費用測算

本制造基地全年24h 運行，空調冷熱指標高，用能量非常大，表5是對采用熱泵熱回收、余熱利用系統(tǒng)與常規(guī)能源系統(tǒng)進行全年耗能對比。

表5

可以看出，采用熱回收和工業(yè)余熱利用的能源形式，每年可減少500萬Nm3的天然氣耗量，運行費用僅為常規(guī)能源的60%左右。

6 結語

本項目從論證、設計、安裝、調試歷時2 年，目前已運行7個月，完全達到使用要求。工業(yè)建筑能耗高，生產過程中有大量的余熱產生，且存在冷熱同時需求的情況。采用本系統(tǒng)的設計思路，能夠降低運行費用，減少化石能源消耗和污染物排放為工業(yè)建筑余熱回收利用提供一種技術方法。，