半導體廠房空調系統節能研究

摘要：在社會和經濟發展過程中，許多領域對半導體的需求不斷增加，半導體行業發展速度不斷加快，但是半導體生產需要大量的電力能源，為降低電能消耗，控制生產成本，許多企業積極建設潔凈廠房。本文圍繞半導體廠房空調系統節能展開討論，根據半導體廠房環境質量需求，實施有效的空調節能措施，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.

關鍵詞：半導體;廠房;空調系統;節能研究

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

中圖分類號：TU831 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）15-0233-02

0 ?引言

提高半導體廠房空調系統的節能水平，需要在潔凈室中進行相關研究，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能方案分析等，通過分析獲得空調系統節能參數，同時結合半導體廠房實際消耗電能，綜合調控空調系統，從而獲得良好的節能效果，以便控制運行成本，獲得更好的經濟效益。

1 ?潔凈空調系統節能分析

1.1 潔凈室技術介紹

半導體廠房需要在較高質量的環境中生產半導體，通過潔凈室模擬實際生產環境，分析潔凈室內的灰塵、有害氣體等物質，并實施有效的措施，有效控制潔凈室的潔凈度。在通過潔凈室對空調系統進行節能分析時，需要滿足以下三個條件，一是防止微粒進入到潔凈室，二是防止微粒堆積，三是及時快速的清理微粒。

根據潔凈室系統原理，新風由管道進入到初始過濾器，經過溫濕度處理設備以及中效過濾器，可以保證潔凈室內空氣質量符合實驗要求。在潔凈室系統運行過程中，需要使用到潔凈室維護結構、空調凈化系統以及附屬設備。

在潔凈室內應用空氣潔凈技術，可以與傳統的空調系統進行對比，對比內容如下：①潔凈空調滿足生產工藝過程中空氣參數、室內環境等要求，而民用空調滿足人員舒適度的要求;②空氣參數及室內環境對比，潔凈空調實現溫度、濕度控制，精度要求高，滿足潔凈度要求，民用空調無法精準控制潔凈度;③主要冷負荷對比，潔凈空調設備具備散熱以及產生新風熱量等功能，民用空調具有維護結構熱量功能;④送風量和回風量對比，潔凈空調必須滿足換氣次數，并且每次換氣產生較大的風量，民用空調需求量較小。

對潔凈室潔凈度等級需求進行分析，按照國際標準，潔凈室內中等級粒子允許最大濃度，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，D代表基本參考粒徑，d代表被考慮的粒徑。結合公式計算半導體材料生產時廠房空氣潔凈度等級，若采用拉單晶生產工藝，空氣潔凈度等級在4-5個0.3um范圍內，若采用切、磨、拋生產工藝，空氣潔凈度等級在5-7個0.3um范圍內。

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行分析。在單向流潔凈室氣流組織內，充分利用該組織特點，包括：①在均壓流作用下，潔凈室內空氣斷面流速處于均壓狀態;②在單向流潔凈室內產生側向吹風，可以保證氣流斷面處于正常狀態;③在單向潔凈室內設置渦流設備。單向潔凈室運行原理，是在潔凈室內建立高效過濾器頂棚，潔凈空氣由頂棚傳入到室內，通過回風道將污染空氣排出潔凈室。非單向流潔凈室稱為亂流潔凈室，在室內產生的氣流組織，可以分為頂送頂回、頂送側下回以及側送測回等。矢流潔凈室具有排出室內顆粒、凈化空氣的功能，并且還具有以下特點：①流線間橫向擴散能力較弱，但是會在送風口上端，產生反向氣流，有助于排出室內的污染空氣;②在潔凈室的下風側和兩側，會產生輻流渦流區，可以消除流向方向產生的回風。基于矢流潔凈室具有的輻流功能，可以將潔凈室內的潔凈度提高至100級，并且造價較低，廣泛應用在半導體廠房。

1.3 潔凈室高耗能原因分析

在潔凈室運行過程中，會消耗較多的電能，通常情況下潔凈室空調系統消耗的電能，是普通空調系統的15倍，引發潔凈室高耗能的原因有以下幾點：①半導體廠房需要較高的潔凈度，并且在生產狀態下，需要較多的空氣，同時增加換氣次數。在潔凈空調系統運行過程中，通常需要2-3級過濾方法，而在每次過濾空氣過程中，產生的阻力會影響到進風量，需要提高風機功率，才能消除產生的阻力。此外按照ISO6級標準，設定潔凈室面積為96m2，高為3m，采用垂直單向氣流組織通風方式，每小時內換氣次數在300-400次范圍內，從而消耗較多的電能;②為提高半導體生產質量，獲得良好的半導體，需要將潔凈室內的濕度和溫度控制在穩定的狀態，通常情況下濕度控制在35%-55%范圍內，溫度控制在23℃±2℃范圍內，將上述參數控制在穩定的狀態，需要空調系統具備較高的制冷和制熱功能，從而消耗較多的電能;③通常情況下半導體廠需要24小時生產，空調系統會按照7×24小時的工作制保持在運行狀態。為降低潔凈室空調系統電能消耗，一般采用以下節能方式：①采用變風量運行模式;②盡量減少風機溫升負荷;③提高設備效率以及降低功率消耗;④控制合適的新風量;⑤采用蓄冷方式。

1.4 潔凈室節能方案分析

潔凈室節能方案分析，主要分析潔凈室氣流組織節能、潔凈室空氣處理節能以及潔凈室冷源系統節能。潔凈室氣流組織節能進行分析，可以利用組織阻止外界灰塵進入到潔凈室內，并且有效去除室內粉塵，還能控制氣流速度，保證潔凈室內潔凈度滿足生產需求。潔凈室空氣處理節能分析，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。潔凈室冷源系統節能具有以下特點，根據半導體生產要求，將生產環境的溫度控制在23℃±2℃范圍內，需要冷水機組、循環水泵節能裝置以及冷卻塔節能裝置。

2 ?潔凈空調系統節能綜合分析

2.1 冷水系統節能分析

以某半導體企業為例，該企業具有萬級潔凈室4個，十萬級潔凈室6個，可以獨立完成二極管、三極管封裝生產。在每個潔凈室廠房內，都配有電力系統、水系統、其它系統以及暖通空調系統，在車間內使用上送上回、上送側回兩種氣流組織形式。通過對潔凈室每個測點的溫度值進行分析，通常情況下溫度在23.1℃-25.2℃范圍內。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，此時空調系統制冷過程中消耗較多的電能。

2.2 冷水機組節能分析

該企業生產半導體過程中，整個廠區配置兩臺冷水機組，制冷能力分別為200噸和500噸，其中500噸為離心式冷水機組，運行功率為328kW。在夏季500噸冷水機組滿負荷運轉，進入到冬季，500噸冷水機組80%處于運行狀態。為降低機組的電能消耗，并且提高機組的運行效率，根據公式IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.0%×D，在公式中A代表100%滿負荷性能系數、B代表75%負荷性能系數、C代表50%負荷性能系數、D代表50%負荷性能系數。

2.3 水泵變頻節能及意義分析

該廠在生產半導體過程中，廠房內配置循環水泵，并按照一用一備的原則，需要四臺循環水泵。水泵選用上海上泵集團生產的，該水泵型號為ISGR150-315，流量為每小時200m3，揚程為32m，有效軸功率為22.1kW。在水泵運行過程中，若轉速保持在100%狀態，節電率為0，若轉速為50%時，節電率為87.5%。結合公式30kW·h×27.1%=8.13kW·h，一臺水泵按照全年300天計算，全年節電量費用為58536元，可以獲得充分的節能功效。在潔凈室氣流組織設計過程中，應根據溫度和濕度要求，通過調節廠房空調系統，并且對變頻系統進行改造，同時加強廠房管理，針對運行中存在的問題實施解決措施，最大程度控制空調系統的電能消耗，使空調系統保持在最佳的運行狀態。

2.4 半導體工廠節能措施分析

在半導體生產中，應當分析其設備的特性，例如潔凈室內冷負荷增大，排氣量增大等從而應該對用電量進行考慮，降低設備的待機狀態，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，避免鋪張浪費的事情，如在清洗裝置的過程中，降低消耗水的量，二次側配管時則應降低循環管的排水量，從而達到節能的要求。

3 ?結語

綜上所述，在半導體廠家生產過程中，通過潔凈室空調系統節能研究發現，既要提高廠房空調器利用率，還要降低電能的消耗，需要廠房根據實際生產需求，運用科學合理的送風方法，并且分析冷水系統節能、冷水機組節能以及水泵變頻節能等，有助于充分發揮空調的節能作用，為半導體企業生產降低運行成本，并且獲得更多的經濟效益。

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作者簡介：董學鑫（1985-），男，河南濮陽人，本科，研究方向為潔凈室空調技術及科研管理。