工業(yè)潔凈室新風(fēng)系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能方法研究

中國電子系統(tǒng)工程第三建設(shè)有限公司 施輝輝

工業(yè)潔凈室適用于精細(xì)機(jī)械工業(yè)、電子工業(yè)、高純度化學(xué)工業(yè)等行業(yè)。由于工業(yè)潔凈室新風(fēng)系統(tǒng)的專業(yè)程度較高，因而具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，在新風(fēng)處理期間，不僅需要保證室內(nèi)空氣溫度及濕度的合理控制，還需去除其中顆粒，因此，潔凈室內(nèi)新風(fēng)及空氣與其能量消耗具有緊密聯(lián)系[1]?；谶@種情況，若要實(shí)現(xiàn)新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能源消耗的降低，重點(diǎn)需調(diào)整新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，對于能量的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)保節(jié)能。

一、新風(fēng)系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能的意義

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)水平的迅速發(fā)展，帶動了我國工業(yè)化的發(fā)展速度。而工業(yè)化的發(fā)展對能源的消耗量較大，因此，近年來，我國能量的消耗量逐漸增多。全球變暖對人類生存的威脅，能源使用所產(chǎn)生的環(huán)境問題不斷引起人們的重視。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，低碳經(jīng)濟(jì)模式得到我國廣泛重視，是一種基于低能耗、低污染、低排放的經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)，為逐步邁向生態(tài)文明提供新的出路[2]。在一定程度上，二氧化碳的排放量能夠反映能源消耗問題。二氧化碳排放量有具體的卡亞公式進(jìn)行計算，若要降低二氧化碳排放量，應(yīng)對單位GDP能源消耗量、單位能耗排放量進(jìn)行降低，才能真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[3]。微電子行業(yè)動力系統(tǒng)是指提供水、電、氣的系統(tǒng)，有助于營造舒適的工作環(huán)境，而所有能源是由動力系統(tǒng)所提供的。動力系統(tǒng)包括潔凈室系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、電子供應(yīng)及自動化系統(tǒng)、氣體、工業(yè)廢氣等，具體而言，潔凈室系統(tǒng)又包含新風(fēng)系統(tǒng)、二次配管線路，機(jī)械系統(tǒng)包含冷凍機(jī)、設(shè)備冷卻水、空壓機(jī)及生活水箱，水處理系統(tǒng)包括純水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)及生活污水，電力供應(yīng)及自動化系統(tǒng)包括強(qiáng)電和弱電，氣體包括氧氣、氮?dú)?、氫氣、氬氣，工業(yè)廢氣包括酸排氣、堿排氣、粉排氣等。因此，節(jié)約能源在新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中尤為重要。

二、新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能發(fā)展

由于能源的稀缺以及全球人口的不斷增長，不同國家及不同地區(qū)針對降低新風(fēng)系統(tǒng)能量消耗均在進(jìn)行不同的研究，并通過各種環(huán)保節(jié)能措施得以實(shí)現(xiàn)。工業(yè)潔凈室外空氣通過新風(fēng)處理系統(tǒng)，將潔凈的空氣引入室內(nèi)，能耗消耗主要體現(xiàn)在新風(fēng)機(jī)組上，為了保持潔凈室的潔凈水平和相對穩(wěn)定的溫度和濕度，需要注意以下幾個方面。

（一）換氣次數(shù)

工業(yè)潔凈室的潔凈水平與換氣次數(shù)密切相關(guān)。換氣次數(shù)是根據(jù)室內(nèi)送風(fēng)量及室內(nèi)體積所計算而得，不同的潔凈等級所需的換氣次數(shù)不同，例如，10萬級潔凈室的換氣次數(shù)為每小時至少15次，1萬級潔凈室每小時換氣次數(shù)至少25次，1千級潔凈室每小時換氣次數(shù)至少50次[4]。潔凈室按氣流狀態(tài)來分狀況劃分，包括輻射、亂流、單向潔凈室。具體來說，亂流潔凈室的送風(fēng)口到回風(fēng)口的流通截面是不斷變化的，類似于稀釋效應(yīng)，顆粒不能完全送到出風(fēng)口，其潔凈等級僅能達(dá)到至多1000級。單向潔凈室能夠產(chǎn)生更高的潔凈度，其中垂直單向流潔凈室效果更佳。在室內(nèi)頂棚覆蓋高效過濾器，底部格柵用于空氣再循環(huán)，實(shí)現(xiàn)順暢向下的平行氣流，具有很強(qiáng)的自清潔能力[5]。潔凈室的布局從平面結(jié)構(gòu)來看有三種形式：開放式布局、港灣式和島式布局。在8寸及12寸的潔凈室布置通常采用開放式潔凈室和微環(huán)境的方式，這種布置方式可以為潔凈室內(nèi)的布局創(chuàng)造更多的便利，同時能夠降低循環(huán)風(fēng)量。在用力室等開放的空間，潔凈等級可達(dá)到1萬級，然后通過微環(huán)境控制，局部工作空間的潔凈度可以提高到100級及以上。若要降低空氣的循環(huán)量，就需精確控制風(fēng)量，潔凈室內(nèi)的設(shè)備布局要更加合理，可配置微環(huán)境，減少高層潔凈室面積和單向流動的需要，同時要求潔凈室的氣密性，使超壓降低在合理范圍內(nèi)，控制并保持潔凈室的正壓避免過高，可以減少潔凈室所需的新鮮空氣總量，降低潔凈室的換氣率，進(jìn)一步減少引入空氣的空氣量調(diào)理系統(tǒng)。減少新風(fēng)量雖然在一定程度上節(jié)約了能源，同時也反映出室內(nèi)空氣質(zhì)量有不同程度的降低，液體除濕還可以去除空氣中的潛熱負(fù)荷，以減少能源消耗[6]。通過將兩者結(jié)合起來，基于液體除濕的空調(diào)系統(tǒng)可以通過增加進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)的新鮮空氣量來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。除濕液體可以使用氯化鈣、溴化鋰、氯化鋰等金屬鹵化物鹽除濕液。

（二）設(shè)備發(fā)熱

對于密閉的潔凈室，潔凈的空氣是由新風(fēng)系統(tǒng)供給的，而新風(fēng)機(jī)的熱交換也需進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于大量設(shè)備的集中，發(fā)熱量不斷增大。工藝設(shè)備產(chǎn)生的熱量約為75%，濕熱比接近于無窮大，這部分熱量不能通過自然熱擴(kuò)散而消散。通過在機(jī)組內(nèi)部循環(huán)冷卻水，將機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大部分熱量散發(fā)出去，剩余的熱量可以通過循環(huán)空氣加以利用[7]。潔凈室內(nèi)循環(huán)的空氣將熱量隨空氣帶入回風(fēng)管道，并通過風(fēng)機(jī)過濾機(jī)組過濾，從二次回風(fēng)中得到熱量。進(jìn)入新風(fēng)溫度略低于設(shè)定值，兩部分空氣在循環(huán)空氣中進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)冷暖互補(bǔ)，節(jié)約能源。同時，排氣系統(tǒng)起到平衡潔凈室壓力的作用，使壓力、溫度和濕度保持相對穩(wěn)定。這對于要求苛刻的半導(dǎo)體生產(chǎn)環(huán)境是必要的。模糊溫度和濕度控制方法允許減少溫度和濕度變化以促進(jìn)控制。

（三）空氣輸送系統(tǒng)的阻力

新鮮空氣要經(jīng)過多道工序才能將空氣帶入符合要求的潔凈室，新風(fēng)機(jī)組內(nèi)每道凈化過程前后都會產(chǎn)生相應(yīng)的壓差，浪費(fèi)了大量的能源。在相對固定的環(huán)境下，其壓差是相對固定的，浪費(fèi)了大量的能源。基于此，若要降低能耗，則可通過改變新風(fēng)機(jī)組處理進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在潔凈室中，安裝多孔地板可選擇風(fēng)機(jī)過濾機(jī)組，使得新風(fēng)和回風(fēng)更容易循環(huán)，減少空氣阻力。中方空調(diào)系統(tǒng)在潔凈室的合理布置也可以降低能源消耗。不同的分布結(jié)構(gòu)對氣流特性有不同的影響。

（四）空調(diào)機(jī)箱的效率

潔凈室通風(fēng)設(shè)計是最為重要的，在動力設(shè)備建成后，其次為潔凈室的建設(shè)，對于新風(fēng)設(shè)備生產(chǎn)的重視程度普遍不足。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求，新型風(fēng)機(jī)也越來越受到重視，在潔凈室建成后，以上三個方面都很難改變?？照{(diào)機(jī)箱在正常環(huán)境下的節(jié)能方法也不斷應(yīng)用到潔凈室新風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)箱上。節(jié)能的重點(diǎn)正在逐步轉(zhuǎn)移到新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)箱?？照{(diào)會消耗大量熱水、冷水、電力等能源，空調(diào)機(jī)箱的尺寸、處理能力和各連接的配置都會在一定程度上影響最終的能耗。由于該設(shè)備位于潔凈室外，因此改造相對容易。空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造也成為新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵，可以通過減少或更換機(jī)械冷卻或電加熱過程來提高潔凈室的能源效率。在不同的環(huán)境和不同的場合，開發(fā)出許多獨(dú)特的節(jié)能方法。沼氣驅(qū)動的熱泵空調(diào)系統(tǒng)使用沼氣來減少熱能的使用。在有溫泉的地區(qū)，可使用地?zé)彷o助空調(diào)系統(tǒng)以減少用電量。由于設(shè)備之間的熱量差異，熱量也可以以互補(bǔ)的方式使用，即熱量回收。制冷除濕系統(tǒng)不僅能在一定程度上改變冷風(fēng)量，還能使空調(diào)本身節(jié)省大量能源。冷卻塔和太陽能集熱器在液體除濕空調(diào)中用作冷卻和調(diào)節(jié)熱源，對于液體除濕的效果，相關(guān)研究人員簡化了除濕效率模型，不斷尋找提高效率的方法[8]。冷凍水系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)是提供能量不可缺少的部分。冷水系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)是能源供應(yīng)的重要組成部分。使用冷凍水系統(tǒng)與具有熱回收功能的系統(tǒng)的組合，實(shí)現(xiàn)最低能耗，同時通過組合潔凈室的風(fēng)扇位置來節(jié)省能耗。冬季室外空氣溫度較低，可引入新風(fēng)機(jī)的后續(xù)冷卻過程，使室外空氣和風(fēng)箱內(nèi)的冷空氣與新風(fēng)中的熱空氣進(jìn)行能量交換系統(tǒng)并使用多種冷源進(jìn)行冷卻。還有氟利昂直接蒸發(fā)式除濕機(jī)，對潔凈室空氣進(jìn)行除濕，巧妙地利用除濕機(jī)冷凝器的熱量對除濕后的空氣進(jìn)行加熱。

三、新風(fēng)系統(tǒng)改造及節(jié)能方法研究

（一）新風(fēng)制備期間重視水的應(yīng)用

比熱容是單位質(zhì)量的物質(zhì)提高其單位溫度所需的熱量，而水的比熱容最大。在相同的加熱或冷卻條件下，水溫變化較小。水不僅儲存了大量的熱量，而且能夠散發(fā)出大量的熱量。水的性質(zhì)較為穩(wěn)定，在不同的溫度下，在不同的溫度下，它僅以三種形式出現(xiàn)，沒有太大的危害，因此在傳熱過程中得到了廣泛的應(yīng)用。水的潛熱量、汽化熱較高，這意味著將水汽化到沸點(diǎn)所需的熱量是將相同量的水從1℃加熱到100℃所需熱量的五倍。水在新風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗中也起著重要作用。噴水室中的噴空氣、冷卻盤管中的冷水、后加熱盤管中的熱水和加濕過程中的蒸汽均利用了水的特性。改造新風(fēng)系統(tǒng)中的水連接可以節(jié)省大量能源，最簡單的變換方法是在氣溫差變化最大的環(huán)節(jié)了根據(jù)新風(fēng)處理工藝，分析預(yù)熱器盤管和水噴室的運(yùn)行工況，可以找到多種能源改造方案，即冷凍機(jī)冷卻水余熱利用、水蓄冷節(jié)能、冷凝水回收和水噴霧系統(tǒng)改造。

（二）冷凍機(jī)冷卻水熱回收

冷凍機(jī)是利用壓縮機(jī)改變制冷劑氣體的壓力來實(shí)現(xiàn)低溫制冷的機(jī)械裝置，分為活塞式、螺桿式和離心式。在冷凍機(jī)的熱交換中，水起到很好的傳熱作用，蒸發(fā)段產(chǎn)生的冷凍水為潔凈室提供直接冷卻動力，冷凍機(jī)系統(tǒng)中的冷凍水出水溫度6℃，回溫為11℃。冷凝器部分的冷卻水溫度為32℃，通過冷卻水泵送到屋頂?shù)睦鋮s塔，而熱量通過風(fēng)扇排到大氣中。這部分能量直接釋放到大氣中，是一種能量的浪費(fèi)，對此，水的熱量在冷凝器中具有可利用性。

（三）水蓄冷節(jié)能改造

夏季制造冷量的冷凍機(jī)用電量較大，特別是在35℃的持續(xù)高溫下，冷凍機(jī)白天以最大負(fù)荷工作。然而，盡管夏季炎熱，但晝夜溫差還是相當(dāng)大的。夜間溫度通常不超過30°，可減少冷凍機(jī)的負(fù)荷。另外，新風(fēng)系統(tǒng)的冷卻盤管級需要大量的冷水來冷卻新風(fēng)。這種冷卻力是由冷凍水提供的，所以白天多余的冷卻力可以應(yīng)用到夜晚的新風(fēng)冷卻階段。由于夏季對制冷的要求較高，夏季夜間溫度比較低，冷凍機(jī)的制冷量有一定的盈余。此外，夏季峰谷電的價格相對較低，冷凍機(jī)可將冷水儲存在水箱中蓄冷，白天冷水通過冷卻管送入新風(fēng)機(jī)組預(yù)冷管，可減少新風(fēng)機(jī)組自身的冷水消耗，預(yù)冷管道可利用預(yù)熱盤管以促進(jìn)管道的使用。

（四）冷凝水回收

夏季氣溫高、濕度大，新風(fēng)經(jīng)過水噴淋室空氣凈化后，濕度上升到接近飽和，溫度下降，但溫度仍高于其他季節(jié)。在進(jìn)入冷卻盤管的下一級時，供應(yīng)冷水的冷卻盤管冷卻新鮮空氣并將新風(fēng)的濕度增加到接近飽和。大量的冷凝水從潮濕空氣中分離出來，直接通過管道進(jìn)入市政污水系統(tǒng)，成本非常高。中央動力部分冷卻塔風(fēng)扇散熱導(dǎo)致大量水逸出，為了保持冷卻塔的正常運(yùn)行，必須每日進(jìn)行補(bǔ)水，且補(bǔ)水量較大，雖然冷卻塔的補(bǔ)水并不能直接給新風(fēng)機(jī)組帶來節(jié)能效果，但新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能也可降低生產(chǎn)成本[9]。此外，新風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的水噴淋室也會消耗大量的水，可將冷卻盤管級的冷凝水收集起來用于水噴淋，節(jié)省用水量。冷凝水也可以滿足噴水的補(bǔ)水需求，但噴水所需的水量遠(yuǎn)少于不能充分利用的冷凝水量。因此，在測量水噴淋室水質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，由于空氣中的酸性成分溶解在水中，導(dǎo)致循環(huán)水的pH呈弱酸性，因而需要更多的純水進(jìn)行稀釋，以防機(jī)箱腐蝕。由此可見，冷卻塔處理最好使用冷凝水。

（五）水噴室節(jié)能改造

新風(fēng)處理系統(tǒng)要求噴水室有足夠的加濕。事實(shí)上，它是空氣濕熱處理的一部分。用于空氣濕熱處理的介質(zhì)和熱濕交換介質(zhì)包括水、蒸汽、各種鹽類的水溶液和冷卻劑。噴水室是濕式接觸換熱器之一。雙級、臥式、 低速噴水室是新風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的噴水室。為保證空氣能得到充分加濕，應(yīng)對外圍水泵施加一定的壓力，水泵帶動水進(jìn)入噴水室，使水與空氣充分接觸，達(dá)到加濕的目的，不僅可以處理帶熱量和水分的冷空氣，還可以進(jìn)一步凈化空氣。

由于需要對空氣進(jìn)行凈化，空氣加濕需要對水質(zhì)要求較高的純水。噴水室的主要部件包括池底、循環(huán)水泵、噴水管、擋水板、補(bǔ)水管及溢流管道。水滴完成熱濕交換后，落到池底，底部有濾水器，以確保水可以重復(fù)使用，不僅能夠去除空氣中的一些殘留污染物，還能通過避免堵塞噴淋管道，減少噴水效率。噴水管能與風(fēng)有更好的接觸。與鍍鋅鋼板保水板相比，波紋塑料保水板的阻力較小，且保水效果更好。當(dāng)含有水滴的空氣通過導(dǎo)水板時，曲折的波道與空氣中的水滴碰撞，形成水膜，最后沿導(dǎo)水板進(jìn)入池底，起到節(jié)水作用；另外，可避免過多的水滴進(jìn)入下一空氣處理環(huán)節(jié)，導(dǎo)致設(shè)備生銹。由于空氣加濕，會帶走部分水氣，且部分水會泄露在底池外，因此需要通過純水管重新補(bǔ)充水噴室的水。當(dāng)純水過多時，水會溢出，所以池底的水位由浮球閥控制。溢入水池的水排入自來水排放管，避免浪費(fèi)水資源。在夏季，水噴室內(nèi)的空氣與水溫相近，并且由于夏季濕度較高，應(yīng)用水噴淋的目的在于去除水中可溶性酸堿物質(zhì)，因此兩臺水泵是超負(fù)荷運(yùn)行，僅需應(yīng)用單臺水泵適當(dāng)加濕空氣即可，固定接觸區(qū)域可使用Y-1型的離心式噴嘴，這不會影響新風(fēng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)，且送風(fēng)機(jī)頻率可得到降低。

四、結(jié)語

新風(fēng)系統(tǒng)的研究應(yīng)充分考慮工業(yè)潔凈室的實(shí)際需求，空氣循環(huán)系統(tǒng)和換氣次數(shù)的研究應(yīng)重要考慮。做好新風(fēng)系統(tǒng)使用節(jié)能方法的研究，不斷更新節(jié)能方法，降低運(yùn)行成本，減少資源浪費(fèi)，為維護(hù)我國生態(tài)環(huán)境提供有力保障。