工業潔凈室新風系統環保節能方法研究

中國電子系統工程第三建設有限公司 施輝輝

工業潔凈室適用于精細機械工業、電子工業、高純度化學工業等行業。由于工業潔凈室新風系統的專業程度較高，因而具有復雜性的特點，在新風處理期間，不僅需要保證室內空氣溫度及濕度的合理控制，還需去除其中顆粒，因此，潔凈室內新風及空氣與其能量消耗具有緊密聯系[1]。基于這種情況，若要實現新風系統運行能源消耗的降低，重點需調整新風系統運行參數，對于能量的使用數據進行合理分析，實現新風系統的環保節能。

一、新風系統環保節能的意義

隨著我國社會經濟水平的迅速發展，帶動了我國工業化的發展速度。而工業化的發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，能源使用所產生的環境問題不斷引起人們的重視。為實現可持續發展，低碳經濟模式得到我國廣泛重視，是一種基于低能耗、低污染、低排放的經濟發展形態，為逐步邁向生態文明提供新的出路[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行計算，若要降低二氧化碳排放量，應對單位GDP能源消耗量、單位能耗排放量進行降低，才能真正實現節能減排[3]。微電子行業動力系統是指提供水、電、氣的系統，有助于營造舒適的工作環境，而所有能源是由動力系統所提供的。動力系統包括潔凈室系統、機械系統、水處理系統、電子供應及自動化系統、氣體、工業廢氣等，具體而言，潔凈室系統又包含新風系統、二次配管線路，機械系統包含冷凍機、設備冷卻水、空壓機及生活水箱，水處理系統包括純水系統、排水系統及生活污水，電力供應及自動化系統包括強電和弱電，氣體包括氧氣、氮氣、氫氣、氬氣，工業廢氣包括酸排氣、堿排氣、粉排氣等。因此，節約能源在新風系統運行過程中尤為重要。

二、新風系統節能發展

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針對降低新風系統能量消耗均在進行不同的研究，并通過各種環保節能措施得以實現。工業潔凈室外空氣通過新風處理系統，將潔凈的空氣引入室內，能耗消耗主要體現在新風機組上，為了保持潔凈室的潔凈水平和相對穩定的溫度和濕度，需要注意以下幾個方面。

（一）換氣次數

工業潔凈室的潔凈水平與換氣次數密切相關。換氣次數是根據室內送風量及室內體積所計算而得，不同的潔凈等級所需的換氣次數不同，例如，10萬級潔凈室的換氣次數為每小時至少15次，1萬級潔凈室每小時換氣次數至少25次，1千級潔凈室每小時換氣次數至少50次[4]。潔凈室按氣流狀態來分狀況劃分，包括輻射、亂流、單向潔凈室。具體來說，亂流潔凈室的送風口到回風口的流通截面是不斷變化的，類似于稀釋效應，顆粒不能完全送到出風口，其潔凈等級僅能達到至多1000級。單向潔凈室能夠產生更高的潔凈度，其中垂直單向流潔凈室效果更佳。在室內頂棚覆蓋高效過濾器，底部格柵用于空氣再循環，實現順暢向下的平行氣流，具有很強的自清潔能力[5]。潔凈室的布局從平面結構來看有三種形式：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境的方式，這種布置方式可以為潔凈室內的布局創造更多的便利，同時能夠降低循環風量。在用力室等開放的空間，潔凈等級可達到1萬級，然后通過微環境控制，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量，就需精確控制風量，潔凈室內的設備布局要更加合理，可配置微環境，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，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，進一步減少引入空氣的空氣量調理系統。減少新風量雖然在一定程度上節約了能源，同時也反映出室內空氣質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荷，以減少能源消耗[6]。通過將兩者結合起來，基于液體除濕的空調系統可以通過增加進入空調系統的新鮮空氣量來改善室內空氣質量。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）設備發熱

對于密閉的潔凈室，潔凈的空氣是由新風系統供給的，而新風機的熱交換也需進行調節。由于大量設備的集中，發熱量不斷增大。工藝設備產生的熱量約為75%，濕熱比接近于無窮大，這部分熱量不能通過自然熱擴散而消散。通過在機組內部循環冷卻水，將機組運行過程中產生的大部分熱量散發出去，剩余的熱量可以通過循環空氣加以利用[7]。潔凈室內循環的空氣將熱量隨空氣帶入回風管道，并通過風機過濾機組過濾，從二次回風中得到熱量。進入新風溫度略低于設定值，兩部分空氣在循環空氣中進行熱交換，實現冷暖互補，節約能源。同時，排氣系統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定。這對于要求苛刻的半導體生產環境是必要的。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控制。

（三）空氣輸送系統的阻力

新鮮空氣要經過多道工序才能將空氣帶入符合要求的潔凈室，新風機組內每道凈化過程前后都會產生相應的壓差，浪費了大量的能源。在相對固定的環境下，其壓差是相對固定的，浪費了大量的能源。基于此，若要降低能耗，則可通過改變新風機組處理進行實現。在潔凈室中，安裝多孔地板可選擇風機過濾機組，使得新風和回風更容易循環，減少空氣阻力。中方空調系統在潔凈室的合理布置也可以降低能源消耗。不同的分布結構對氣流特性有不同的影響。

（四）空調機箱的效率

潔凈室通風設計是最為重要的，在動力設備建成后，其次為潔凈室的建設，對于新風設備生產的重視程度普遍不足。為了實現節能要求，新型風機也越來越受到重視，在潔凈室建成后，以上三個方面都很難改變。空調機箱在正常環境下的節能方法也不斷應用到潔凈室新風系統的機箱上。節能的重點正在逐步轉移到新風系統的空調機箱。空調會消耗大量熱水、冷水、電力等能源，空調機箱的尺寸、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。由于該設備位于潔凈室外，因此改造相對容易。空調系統的節能改造也成為新風系統節能的關鍵，可以通過減少或更換機械冷卻或電加熱過程來提高潔凈室的能源效率。在不同的環境和不同的場合，開發出許多獨特的節能方法。沼氣驅動的熱泵空調系統使用沼氣來減少熱能的使用。在有溫泉的地區，可使用地熱輔助空調系統以減少用電量。由于設備之間的熱量差異，熱量也可以以互補的方式使用，即熱量回收。制冷除濕系統不僅能在一定程度上改變冷風量，還能使空調本身節省大量能源。冷卻塔和太陽能集熱器在液體除濕空調中用作冷卻和調節熱源，對于液體除濕的效果，相關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]。冷凍水系統和加熱系統是提供能量不可缺少的部分。冷水系統和供暖系統是能源供應的重要組成部分。使用冷凍水系統與具有熱回收功能的系統的組合，實現最低能耗，同時通過組合潔凈室的風扇位置來節省能耗。冬季室外空氣溫度較低，可引入新風機的后續冷卻過程，使室外空氣和風箱內的冷空氣與新風中的熱空氣進行能量交換系統并使用多種冷源進行冷卻。還有氟利昂直接蒸發式除濕機，對潔凈室空氣進行除濕，巧妙地利用除濕機冷凝器的熱量對除濕后的空氣進行加熱。

三、新風系統改造及節能方法研究

（一）新風制備期間重視水的應用

比熱容是單位質量的物質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，而且能夠散發出大量的熱量。水的性質較為穩定，在不同的溫度下，在不同的溫度下，它僅以三種形式出現，沒有太大的危害，因此在傳熱過程中得到了廣泛的應用。水的潛熱量、汽化熱較高，這意味著將水汽化到沸點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。水在新風系統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。改造新風系統中的水連接可以節省大量能源，最簡單的變換方法是在氣溫差變化最大的環節了根據新風處理工藝，分析預熱器盤管和水噴室的運行工況，可以找到多種能源改造方案，即冷凍機冷卻水余熱利用、水蓄冷節能、冷凝水回收和水噴霧系統改造。

（二）冷凍機冷卻水熱回收

冷凍機是利用壓縮機改變制冷劑氣體的壓力來實現低溫制冷的機械裝置，分為活塞式、螺桿式和離心式。在冷凍機的熱交換中，水起到很好的傳熱作用，蒸發段產生的冷凍水為潔凈室提供直接冷卻動力，冷凍機系統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的冷卻塔，而熱量通過風扇排到大氣中。這部分能量直接釋放到大氣中，是一種能量的浪費，對此，水的熱量在冷凝器中具有可利用性。

（三）水蓄冷節能改造

夏季制造冷量的冷凍機用電量較大，特別是在35℃的持續高溫下，冷凍機白天以最大負荷工作。然而，盡管夏季炎熱，但晝夜溫差還是相當大的。夜間溫度通常不超過30°，可減少冷凍機的負荷。另外，新風系統的冷卻盤管級需要大量的冷水來冷卻新風。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用到夜晚的新風冷卻階段。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機組預冷管，可減少新風機組自身的冷水消耗，預冷管道可利用預熱盤管以促進管道的使用。

（四）冷凝水回收

夏季氣溫高、濕度大，新風經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。在進入冷卻盤管的下一級時，供應冷水的冷卻盤管冷卻新鮮空氣并將新風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，直接通過管道進入市政污水系統，成本非常高。中央動力部分冷卻塔風扇散熱導致大量水逸出，為了保持冷卻塔的正常運行，必須每日進行補水，且補水量較大，雖然冷卻塔的補水并不能直接給新風機組帶來節能效果，但新風系統的節能也可降低生產成本[9]。此外，新風系統內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，節省用水量。冷凝水也可以滿足噴水的補水需求，但噴水所需的水量遠少于不能充分利用的冷凝水量。因此，在測量水噴淋室水質時發現，由于空氣中的酸性成分溶解在水中，導致循環水的pH呈弱酸性，因而需要更多的純水進行稀釋，以防機箱腐蝕。由此可見，冷卻塔處理最好使用冷凝水。

（五）水噴室節能改造

新風處理系統要求噴水室有足夠的加濕。事實上，它是空氣濕熱處理的一部分。用于空氣濕熱處理的介質和熱濕交換介質包括水、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、 低速噴水室是新風系統中應用廣泛的噴水室。為保證空氣能得到充分加濕，應對外圍水泵施加一定的壓力，水泵帶動水進入噴水室，使水與空氣充分接觸，達到加濕的目的，不僅可以處理帶熱量和水分的冷空氣，還可以進一步凈化空氣。

由于需要對空氣進行凈化，空氣加濕需要對水質要求較高的純水。噴水室的主要部件包括池底、循環水泵、噴水管、擋水板、補水管及溢流管道。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。當含有水滴的空氣通過導水板時，曲折的波道與空氣中的水滴碰撞，形成水膜，最后沿導水板進入池底，起到節水作用；另外，可避免過多的水滴進入下一空氣處理環節，導致設備生銹。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充水噴室的水。當純水過多時，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，避免浪費水資源。在夏季，水噴室內的空氣與水溫相近，并且由于夏季濕度較高，應用水噴淋的目的在于去除水中可溶性酸堿物質，因此兩臺水泵是超負荷運行，僅需應用單臺水泵適當加濕空氣即可，固定接觸區域可使用Y-1型的離心式噴嘴，這不會影響新風系統各環節參數，且送風機頻率可得到降低。

四、結語

新風系統的研究應充分考慮工業潔凈室的實際需求，空氣循環系統和換氣次數的研究應重要考慮。做好新風系統使用節能方法的研究，不斷更新節能方法，降低運行成本，減少資源浪費，為維護我國生態環境提供有力保障。