半導體廠房凈化空調系統設計與應用探析

摘? 要：半導體廠房凈化潔凈空調系統是電子廠房建設的重要組成部分，廠房各類生產工藝的正常運行都依賴于一個高品質的潔凈環境。本文以現已完成并運行良好的半導體電子廠房的凈化空調系統相關設計方案為例，結合筆者近幾年潔凈室凈化空調系統設計經驗，并參照電子工業潔凈廠房設計規范，就潔凈室設計要求及設計優化等方面進行闡述總結，供今后半導體行業暖通設計提供參考。

關鍵詞：半導體車間;凈化空調;系統應用

中圖分類號：TU83? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

0引言

二十一世紀是技術突飛猛進的時代，科技的迅速發展促進了工業化產業的逐漸發展與完善，與此同時對工業生產的要求也逐步嚴格規范化，我國凈化技術應用領域原來越廣泛：醫療器械、科技研究、汽車、美食、化妝品等行業，高品質生產環境已經成為半導體工業進步與競爭的潛在因素，優化半導體車間的凈化空調系統設計，進一步詳細剖析，尋找更加合理有效的設計方案顯得尤為重要。

1潔凈室凈化等級劃分及選擇

《潔凈廠房設計規范》GB50073-2013中制定：無塵室中空氣懸浮顆粒物濃度是可控的，其建造和運行均應降低室內滯留、產生的塵粒數量，并且凈化區域溫濕度等相關參數都在可控范圍內。由于工藝不同，需求的凈化等級和建造標準也不同，根據空氣中≥0.5μm/0.1μm的顆粒數對潔凈室分為：十級、百級、千級、萬級、十萬等級別[1]。

一般來說國內現行的標準有：GB/T16292-1996、BS5595、FS209E、ISO 14644-1、歐盟GMP等，按照這些要求進行特定顆粒的測量和計算，以對潔凈室和潔凈區域的清潔度水平進行分級。

根據生產工藝、機械設備的實際需求合理選擇最佳的凈化級別建造潔凈室，在達到需求的同時降低建造成本，資源能耗是凈化設計的基本目標。

2凈化空調與一般空調區別及設計要求

2.1 主要控制參數方面要求

普通空調主要根據客戶需求控制房間溫度，濕度，新鮮空氣和噪音，對溫度濕度的精度控制要求不嚴格。凈化空調主要控制房間含塵量、風速、換氣次數，對凈化空間的溫度濕度精度控制要求較嚴格，一般溫度控制的精度為±5℃，濕度控制的精度為±10%。

2.2 空氣過濾方面要求

一般空調采用一級到二級過濾，采用初效或者初中效過濾，而凈化空調采用三級到四級過濾，初中高效，甚至根據需求應采用超高效過濾等[3]。

2.3 室外壓差控制要求

舒適性空調的換氣次數≤10次/小時，凈化空調的換氣次數≥12/小時，具體根據不同凈化級別參照相關設計規范換氣次數;舒適空調對室內外壓差要求不高，而凈化空調為了減輕室外臟空氣或不同潔凈等級之間空氣相互滲透影響，對不同凈化等級的正負壓值有不同的要求：據設計規范規定，不同級別的潔凈室壓力差值不應小于5Pa，潔凈與非潔凈區域之間的壓力差值不應小于5Pa，潔凈區域與室外之間的壓力差值不應小于10Pa[1]。設計時應根據不同潔凈室的需求特點，采用間隙法或換氣頻率法確定循環風量。凈化空調系統設計時，在滿足生產工藝要求的前提下，應選擇規范要求的下限值，以降低能耗。

3潔凈區域凈化空調系統設計要點

3.1 氣流流型的選擇

潔凈車間的氣流組織形式有：綜合垂直單向流，綜合水平單向流，非單向流和混合流[3]。單向流是潔凈室整個斷面的風速穩定，大致平行的受控氣流，分為與水平面垂直的單向流和與水平面平行的單向流。當送入潔凈室的風與室內空氣紊亂混合的氣流分布形態為非單向混合流。實際實施中根據工藝產線需求及凈化級別選擇合適的氣流流型，降低缺陷產品數及廢品率。

3.1.1 綜合垂直單向流潔凈室

凈化等級在千級或百級或以上凈化等級的潔凈室采用單向流的氣流組織形式。理想的垂直單向流動潔凈室氣流組織上面送下面回風，其室內清潔度高，車間自凈能力強，即使設備發塵污染空氣，潔凈室單向氣流也能將將微粒以最快的速度單向帶出車間，防止污染物進一步周邊擴散。大多應用在千級以上凈化級別的潔凈室，一般采用新風空調機組MAU+自循環高效過濾風機單元FFU+高架孔板形式+干盤管DCC。MAU是獨立的新風系統，負擔新風負荷和滿足室內正壓需求，MAU機組將室外新風處理到露點后，送入潔凈室上夾層，上夾層相當于一個大的送風靜壓箱，經過FFU將上夾層空氣清潔過濾送入凈化車間，凈化車間溫升后的空氣經過地面高架孔板進入下夾層，下夾層相當于一個大的回風靜壓箱，收集潔凈室空氣送入側面回風道經過DCC降溫處理再送入上夾層，如此循環往復保證車間環境品質，其中FFU及高架孔板數量及位置還應針對生產工藝、設備布置位置及數量做適當調整，盡量使生產線處于潔凈室環境品質最好的位置。

3.1.2 混合流潔凈室

萬級及以下凈化級別凈化房間一般采用混合流，混合流氣流組織為上送測回，凈化空調系統一般采用空調機組AHU+高效過濾器HEPA+自循環高效過濾風機BFU形式。維持凈化車間溫度濕度的熱濕負荷由空調機組AHU獨立集中處理，凈化車間的回風與新風混合后通過AHU熱濕凈化處理后，再由HEPA送入凈化車間，車間空氣通過設置的回風柱回風百葉回到空調機組AHU與新風混合再熱濕處理循環運行;為保證車間潔凈度，增設部分BFU高效過濾風機，增加車間換氣次數，車間空氣同樣通過BFU專用回風柱回到BFU機組再送入潔凈室內，如此循環過濾運行。這種車間空氣熱濕處理和凈化處理分開的系統不僅保證的車間的溫濕度，又避免了風量全部由空調機組承擔多出的能源消耗。

3.1.3 局部區域設置凈化層流罩

生產車間凈化區域并不是一成不變的，例如有時候大面積產線萬級凈化級別足夠，但是與其連接的局部生產線需要千級或者百級，這時候就可以采取設置層流罩或潔凈棚，局部增加高效循環風機提高凈化級別，不僅滿足生產，還能降低建造成本和能耗。

3.2 新風量及排風量的優化確定

3.2.1 新風量的計算

按照我們平常經驗選取新風量為總送風量的10%-20%，不僅增加空調負荷，且浪費能源，我們應根據實際需求計算合理實際需求量，新風量的確定選擇以下計算數值的最大值G：

（1）保證凈化區域工作內工作人員新風量大于等于40m？/H;

（2）凈化區域內排氣量峰值與維持房間正壓所需新風量之和;

（3）最終新風量的確定G=MAX（G1，G2） [2]。

3.2.2 排風量的優化

凈化車間需要補充大量的新風主要是因為車間內生產設備的并不一定24h全部100%滿負荷運轉，所以要根據實際生產工藝流程及維持車間正壓新風量，另外要加大對車間排氣熱量的二次回收利用，減少工藝負荷。

3.3 風機選型相關因素考慮

凈化空調系統風量大、功率大，在現場允許的情況下適宜把風機和電機都外置，且選擇高能效的變頻風機。凈化空調機組、自循環高效過濾風機單元FFU在運行過程中產生溫升。空調機組克服初中高效過濾器、冷熱盤管、風管等阻力，空調風機全壓一般會在1400Pa左右，其溫升大概在1.5～1.6℃;自循環高效風機只需要克服高效阻力，一般全壓在300Pa，運行溫升約0.5℃[2]，這些因素在空調設計及設備選型過程中要給予適當考慮。

3.4 過濾材質及壓差選擇

凈化空調過濾材質選擇的好壞直接影響到風機的壓差功率。對于半導體行業組合式空調機組初效適宜采用板式或者袋式無紡布過濾，中效適宜采用板式無紡布，高效采用超細玻璃纖維等，合理正確的選擇過濾器不僅保證凈化質量，且提高風機和高效等的使用壽命[3]。為保證凈化車間環境品質，要定時更換過濾器，正常情況高效過濾器一年更換一次，初中效過濾器一年四次，這個還要根據具體實際使用情況決定是否增加年更換次數。凈化空調內部各過濾器段還要設置壓差報警裝置，自動顯示壓差，當其超過設定值時，自動報警，一般各級過濾器初終阻力值如下：

（1）初效過濾器G4：初阻力60Pa，終阻力120Pa;

（2）中效過濾器F8：初阻力120Pa，終阻力250Pa;

（3）高效過濾器H14：初阻力200Pa，終阻力400Pa。

3.5凈化空調機組控制方式

3.5.1凈化車間濕度和壓力的控制

凈化車間濕度和壓力主要取決于新風機組MAU，新風機組采用PLC控制，PLC根據室外空氣溫度將整個空氣處理過程分為三個區域：當室外空氣含濕量是9.72g/kg干空氣時，空調機組冷盤管對空氣進行除濕，再根據冷卻后的溫度調整電動水閥的開度保證出風露點值穩定;在室外氣體的含濕量小于9.72g/kg，并且濕球溫度大于9.53℃時，對空氣進行冷卻加濕，通過出風露點溫度值調整制冷盤管電動水閥的開度，由出風含濕量控制加濕器的加濕量;當室外空氣絕對濕度小于9.72g/kg及濕球溫度小于9.53℃時，對空氣加熱并加濕，通過出風露點溫度自動調整加熱盤管電動閥的開度，同時PLC根據出風空氣含濕量值，控制加濕器加濕量。具體控制參數還要根據各個實例、工藝需求再做適當調整，盡可能找到既滿足每個工藝要求又是最節能的控制點。

3.5.2 新風機組壓差及加濕器控制

新風空調機組MAU主管安裝電動風閥，根據送風主管壓力信號，通過變頻器調節風機轉速，保證送風主管靜壓;房間各個區域需求的壓差值通過調整對應新風支管電動風閥實現。

3.5.3 房間溫度控制

房間溫度主要由干盤管承擔，PLC根據潔凈室內各區域溫度傳感器的平均值，調節不同區域干盤管電動閥的開度，保證房間該區域溫度的恒定值。自動控制在滿足工藝需求的同時盡可能的適時調整降低能耗。

4結論和建議

綜上所述，選擇滿足自身工藝鏈需求的凈化級別，分清凈化空調的特殊功能和要求，以及把握凈化空調設計中的關鍵要素，對工藝過程細致分析，設計出與之相符的暖通空調系統及自控系統，找到建造成本低，運行效果佳的凈化方案，以期為以后半導體行業凈化設計提供參考。

參考文獻

[1] GB 50073-2013.潔凈廠房設計規范[S].

[2] GB 50736-2012.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

[3] 許鐘麟.空氣潔凈技術原理[M].上海：同濟大學出版社，2014.

收稿日期：2020-01-04

作者簡介：于慶杰（1990—），女，河南漯河人，本科，助理工程師，研究方向：暖通空調。