洁净厂房空调系统节能技术的研究

核心提示：洁净厂房的能耗是一般写字楼的10倍-30倍，净化空调系统的能耗是一般空调系统能耗的5倍-15倍，洁净厂房的节能显得尤为重要。

 我国洁净厂房建设规模巨大，有关数据表明，洁净厂房的能耗是一般写字楼的10倍-30倍，净化空调系统的能粍是一般空调系统能耗的5倍-15倍，洁净厂房节能意义重大。提出了在洁净厂房空调系统的工程设计阶段可以采取的节能措施，对实际工程有着非常重要的意义。

引言

我国当前面临着经济社会快速发展和人口增长与资源环境约束的突出矛盾，为了使经济增长可持续，同时缓解巨大的环境压力，要以环境友好的方式推动经济增长。有关研究报告显示，中国洁净室行业市场规模在2016年约为900亿元，到2020年将增长到1400亿元，洁净厂房建设规模巨大。但洁净厂房的能耗是一般写字楼的10倍-30倍，净化空调系统的能耗是一般空调系统能耗的5倍-15倍，洁净厂房的节能显得尤为重要。

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基賴念

1.1洁净室

洁净室就是“室内空气中的悬浮粒子（灰尘、微生物……）浓度受控的房间。它的建造和使用应减少室内诱入、产生和滞留粒子。洁净室已广泛地应用在电子（微电子、光电子等）、航天、観、化工、制药、医疗等各行各业。并且，随着科学技术和国民经济的迅猛发展，洁净室和洁净技术的应用将越来越广泛、越深入、越重要。

1.2洁净室空调系统

一般洁净室（包括工业洁净室和生物洁净室）其送风的空调净化系统的空气处理可分为两大类：其一，是空调净化系统空气集中处理和集中送风方式。送入洁净厂房的全部空气（即消除室内余热余湿，维持室内正压和保证室内洁净度的全部送风量）都经过设于空调机房内的空调机组（AHU）进行粗、中效过滤和降温降湿或加热、加湿等净化和热湿处理，然后再用送风管道将空气送至洁净厂房送风口，经髙效过滤器（HEPA）或超髙效过滤器（ULPA）过滤后送到洁净厂房内，以保证洁净厂房内的温、湿度，正压和洁净度等级。全部的回风又经过集中式的回风管内拉回到空调机房与新风重新混合重新再进行一系列的热湿处理，这样往复循环。根据生产工艺对生产环境（温、湿度，洁净度，正压……）的不同要求又可分为４种不同的送风系统。即：

①直流送风系统。

②一次回风的送风系统。

③一、二次回风的送风系统。

④新风机组（MAU）加循环机组（RCU）的送风系统。

其二，是空调净化系统空气分离处理和分离送风的方式。将消除室内余热余湿的空调送风和保证室内洁净度等级的净化送风分开进行处理分离送风的方法。也就是将消除室内余热、余湿的空调送风（约占总送风量的10%-30%）由设在空调机房的空调机组（AHU）或新风机组（MAU）内进行热湿处理，以保证室内的温度和相对湿度，而占总送风量70％-90％的净化送风在洁净室就地循环来保证室内的洁净度。此方案又可分为３种不同的组合形式：

①新风机组（MAU）加循环机组（RCU）加FFU的送风方案。

②空调机组（AHU）［新风机组（MAU）］加FFU的送风方案。

③新风机组（MAU）加FFU加干盘管（DC）的送风方案。

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洁净室与洁净厂房空调系统的能耗

2.1洁净室的能耗

洁净厂房是能量消耗大户，据了解大规模集成电路生产用洁净厂房的用电负荷为数万千瓦，它的能量消耗包括：生产设备的用电、用热、用冷；净化空调系统的耗电、耗热及冷负荷；冷冻机组（系统）的耗电，排气装置的耗电以及所排气体带走的冷（热）负荷＜各种气体、髙纯物质的提取、输送耗电、耗热、耗冷，公用设施的用电和照明用电等。洁净室的能量消耗是一般写字楼的10倍-30倍，

在各类能量消耗中除生产设备随产品品种、生产工艺不同而不同外，能量消耗总量中比例较大的是冷冻机的电耗，通常可占到总量的15%-35%，洁净室的净化空调系统冷负荷是一般空调的5倍-15倍。

2.2洁净室空调系统的能耗

洁净室的空调净化系统运行能耗比一般空调运行能耗大得多，随着净化级别的提高，洁净室空调能耗也急剧增加。洁净室空调系统的主要能耗：

①为维持洁净室所要求的温度和相对湿度，要对洁净室的送ｍ行必要的热、湿处理（冷却、去湿、加热、加湿……），就要向空调净化系统供冷供热、供蒸峨要消耗大量的能量。

②为了保证洁净室的洁净度，温度、湿度等参数，要往洁净室送入大量的空气，送风的风机和供水的水泵等动力设备也要消耗可观的能量。

③上述的供冷、供热、供蒸汽消耗的能量以及送风、送水设备消耗的电量。

④洁净室的冷负荷中的主要负荷是新风冷负荷，消除工艺设备和工艺过程产热的冷负荷和抵消风机和水泵发热的冷负荷，而围护结构、照明和作业人员3项冷负荷相对较小，有数据表明，在别的洁净厂房中其负荷不足总冷负荷的10％。

洁净室空调系统能耗大的原因：①净化送风量大。不同净化级别的洁净室送风量和相同面积的舒适空调送风量的相比是其1.5倍-55倍，而且送风风压也是其2倍-3倍，因此送风机的温升耗冷量很大。

②洁净室空调净化系统的新风量大，一般情况下，新风量等于排风量与正压漏风量之和，因此生产工艺排风量大故新风量就很大。因此，新风的热湿处理耗能嫌很大。

③洁净室中的工艺设备和工艺过程发热量大，而且连续两班制或三班制运行。因此，耗能量也大。

④洁净室内生产工艺的温、湿度及其精度要求很髙、很严。也是能耗大的原因。

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洁净室的节能

为了降低洁净室的雛消耗，从洁净室的规划、设计阶段就要考虑节能问题。降低洁净室能耗的主要途径是合理确定洁净室的面积和恰当选择洁净度等级｝合理选择净化空调系统形式，准确计算冷负荷和配置节能型设备；选用先进、能耗低的公用动力系统、设备；合理确定洁净室的围护结构等。可采取的节能措施包括：

⑴厂址、总平面布置，尽量选择大气污染小，产尘量小的场地建厂，场内布置时洁净室应布置在污染少的场所并注意朝向安排。

(2)工艺平面布置时，尽量减少洁净室的面积或减少洁净度要求严格的洁净室的面积｜能不设置在洁净室内的工序、设备应设在非洁净区＜恰当的确定各类房间的洁净度等级，不应随意提髙洁净度要求，组织好人流、物流和安排好辅助房间，与相关专业配合选择好洁净室的形式、空间布置等。

(3)合理确定洁净室的建筑形式，减少冷量损失。

(4)优化净化空调系统空气处理过程。

(5)设法降低冷（热）负荷，主要途径有：

①减少洁净室主要设备的排气量》

②减少洁净室空调系统的泄漏量＜

③降低洁净室内生产设备的散热量；

④减少洁净室内的发尘量，降低送风量；

⑤合理选用局部净化／隔离装置／微环境装置；

⑥采取措施减少系统阻力；

⑦选用能耗低，效率髙的设备；

⑧选用变风量、变频机等；

⑨加强隔热措施，选用优质隔热材料。

(6)提髙设备效率，在有可能的条件下采用热回收装置：

①采用高效冷冻机、麻、水泵和换热设备；

②合理配置设备，尽量防止大马拉辟现象；

③采用回风冷（热）量回收装置，排气冷（热）量＾用装置；

④在合适的条件下采用冷冻机的冷热利用装置；

⑤生产设备的冷热量回收；

⑥合理配置公用动力设备，如采用自由冷却系统，冷热电联产等。

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洁净厂房空调系统的节能

洁净厂房的规划、建设，生产工艺等受到各方面的影响，综合考虑因素较多，是一个庞大的系统工程，一旦确定后很难更改。洁净室的空调系统更容易被工程建设人员控制，研究洁净室空调系统的节能措施在工程实践中具有更重大的意义。

4.1影响洁净室空调系统能耗的主要因素

洁净室空调系统的能耗主要受以下因素的影响：

①净化空调系统空气处理过程，

②气流平均速度／换气次数；

③空气输送系统的阻力，

④空调参数，

⑤排风量》

⑥工艺设备发热量；

⑦空调系统各设备的效率。

4.2洁净室空调系统的节能措施

4.2.1、合理确定空气处理系统

洁净室的空气处理方式应经热负荷、湿负荷、风量平衡计算和经济技术比较后得出，切忌生搬硬套。一般而言，洁净室的循环风量远大于新风量，可实现二次回风以避免冷热量抵消，达到节能的目的，因此应采用二次回风，二次回风流程中可以分为由新风承担全部的冷热湿负荷和由新风及循环风分别承担冷热湿两种方式，其总的冷热湿负荷是相同的，应根据工程的具体情况合理采用。对于室内显热负荷大（热湿比大）空气循环量大的洁净室，因送风温度与室内温度的温差很小，采用新风空调机加FFU（风机过滤单元）和干表冷共同承担冷热负荷是节能的。

净化空调系统空气处理过程的优化对节能的效果十分明显，优化的目的就是减少或消除冷热抵消现象和降低风机温升。

比如：对干一级洁净手术室（北京）夏季耗冷量，当采用一次回风系统时是60Kw，而采用二次回风系统时只有25Kw，当采用新风机组深冷抽湿处理时其耗冷量只有20Kw。

髙级别洁净室（5级以上）是垂直单向流洁净室，其送风机的风量非常大，髙达400次/h-500次/h换气，而且风机的压头也很髙，一般多在1000Pa-1500Pa，因此风机温升的负荷大。按理论计算：在集中送风方式的系统中，风机的温升为1.5℃，仅此一项的负荷就是500W/m2-700w/m2，如果采用FFU送风方式，风机温升的负荷可降低至250W/m2-350W/m2。新麻组需要的冷冻水温度较低（5℃：7r），干表冷需要冷冻水温度较髙（12X：14）一般冷水机组出水温度提髙IX：能耗降低2％，出力增加3％（需视＊体雛情况而定），这样采用12℃的冷冻水系统可使冷水机组运行能耗比5℃时节省15°/cM8％

4.2.2、减少空气循环量

洁净室空气循环量的减少对节能是很主要的内容，主要是：一是减少单向流或要求严格的洁净室的面积，二是合理降低洁净室的平均气流速度／换气次数，三是提升洁净室的密封性能，以及正压控制不过髙。

1）减少单向流洁净室的面积

把关键的要求严的洁净加工区与周围要求不严的洁净室环境加以物理分隔，即对关键区域采用“点”或“线”的保护而不采用“面”的保护，以减少单向流洁净室的面积，如在非单向流洁净室内设置洁净工作台、洁净工作棚或层流罩等局部单向流洁净区：采用微环境／隔离装置等。

2）降低气流速度、换气次数由于髙效过滤器及污染控制水平的提髙，以及流体动力学技术的发展，经验和研究已经认为可降低洁净室的气醜度／换气次数，有导则等对气流速度／换气次数的推荐值已有所降低。在实际的设计、调试、生产过程中，应以满足规范要求、生产工艺的需求为标准，不宜留过髙的富余量。尤其是在调试、检测过程及工程竣工初期运行中，各项指标远远髙于设计及规范的要求对节能是不利的。

3）提升洁净室的密封性能及正压控制不过高提升洁净室的密封性能，及意味着外界污染物进入洁净室几率的减少，洁净室可以在更低的气流速度/换气次数的条件下达到要求。施工、监理应更多的关注这方面内容，严把工程质量。

4.2.3、减少空气系统阻力

洁净室的循环风量和新风量都很大，应按具体情况慎重考虑合理的减少空气系统的阻力。减少空气系统阻力，意味着输送空气功率的减少，风机功率的减少是节能，更重要的是降低了系统的热负荷，节能效果非常明显，如前所述，在髙级别的洁净室中采用FFU（风机过滤单元）的形式与采用集中送风方式比较，可使空调系统热负荷大幅下降。减少空气系统阻力，可采用的方法包括：

1）采用合理的空气输送系统，

2）风道应采用低风速并注意平滑过渡以减少阻力》

3）采用髙效设备，减少空气处理设备的阻力？

4）降低多空地板的阻力，

5）降低干表冷的阻力，如有可能的条件下增加干表冷的面积以降低干表冷迎风面速《采用椭圆管式的干表冷换热器等，

6）合理选用ＨＥＰＡ／ＵＬＰＡ过滤器并降低其迎面风速。

4.2.4、雜控制排风系统的排赌

排风量的控制对有些洁净室的节能意义重大，如1C生产工艺的排风较大，工艺设备更新快，一些设备的排风量不易确定，往往采用很保守的数据，运行时排风量的波动亦较大。排风量的增加必然会造纖风负荷的加大。控制排離，可采取的方法包括：

1）尽量采用变賊排離，

2）采取密闭式排风罩在同等的排风效果下尽量减少排Mi，

3）—组排风机组所带末端不宜过多，不同工艺设备需要的排风风压是不同的，是否共用一个系统，应经过经济技术比较确定

4）所有排风支管的末端均应装设密闭性能好的调节阀，因排风系统工作时并不是所有的工艺设备均需排风，末端调节阀密闭性能不好，会造成较大漏风，这点在安装、验收时应与特别关注

5）除有毒、有害、易燃易爆等排风系统外，在一般排风系统的热回收也是重要的节能的途径。

4.2.5、工艺设备的发热量、空调参数

工艺设备的发热量只能通过工艺设备本身解决，空调参数的确定在满足生产工艺要求的前提下，不应过高过严要求。否则，其能耗会大幅度上升。另外负荷计算时安全裕量不应留有过大，否则设备的耗电会大大增加。

4.2.6、空调系统各设备的效率及节能方式洁净室的空调系统（包括冷冻水系统）能耗较大，因此采用髙效率的风机、水泵、冷水机组及电机等具有明显的节能和经济效益。在选择设备时还要注意设备在运行点时保持较髙的效率。

1）空调机组风机的变频控制

洁净室的空调机组通常是指空调雛（AHU）、新风机组（MAU）、循环机组（RAU），一般情况下，新风机组（MAU）应采用变频控制，空调机组（AHU）、循环相组（RAU）是否采用变频控制，应根据工艺生产特点，空调工况计算后经经济技术比较后作出。

在新风系统中，粗、中、高效过滤器的阻力是随系统投入运行时间变化的，在新风机组设计时其风机风压一般是按中、高效过滤器的终阻力来确定的，过滤器的终阻力通常按初阻力的２倍计算。这样新风机组在相当长的运行时间内系统的实际阻力远远低于所配风机的压头，如没变频调节措施，只能靠关小新风系统总风管上的阀门来达到系统送风量，当系统运行一段时间后，由于空气过滤器容尘量的增加而阻力逐渐上升，系统送风量也会随之逐渐下降，为系统送风量满足维持房间洁净等级的要求，只能定期开大新风管上的阀门，这样不仅浪费能源，对运行管理也带来很大不便，故新风机组应采用变频控制，多采用根据洁净厂房的正压值控制风机转速以确保新风量。

随着变频技术的发展和变频系统价格的下降，以及、社会、业主对节能降耗的重视，空调机组（AHU）、循环机组（RAU）也越来越多的采用变频控制，这不仅节省能源，同时也解决了不生产时低风量运行问题。

2）风机和电机采用直联

风机的驱动采用电机直联的方式，不仅风机的传动效率高（电动直联为100％，三角皮带传动为95％），而且可以减少机组震动对工艺设备的影响。

3）直流式FFU的应用

FFU（风机过滤单元）从电源方面分为直流和交流两种形式，交流式一般设3:5档调节电压的方式来调节电机的转速，以满足FFU出风口风速的需要，由于控制元件为FFU自带，分布在洁净室吊顶各个位置，控制起来不方便。直流式FFU配一个直流调速器，电机无电刷，噪音小，直流电机的转子是永磁的，节省了三相异步电动机的转子电流消耗。同交流FFU相比，直流式FFU电机功率更小，电机发热更少，减少无关能耗，也有效降低空调负荷。有资料表明，同交流式FFU相比，直流式FFU经过2年左右时间可将前期投入的差值拉平（按每台FFU每年运行350天，每天运行24ｈ计）。同交流式FFU相比，直流式FFU控制更为方便，简单，这一优点在大型的洁净工程中比较突出。

4）中低温冷冻水系统分别设置和采用带热回收式冷水机组

在老的电子工厂中，通常只设置单一温度的冷冻水供应系统，为了保证新风机组的除湿，只能设置低温冷冻水系统，有的系统、用冷点均对冷冻水温度要求很是宽松，尤其是随着干表冷器越来越多的应用，对冷冻水的温度也提出要求，这就使中低温冷冻水系统的设置不仅成为可能，而且是必须。对于大型的电子工厂，冷冻水的供应可分成中低温两个系统，采用中温冷水机组的方式。中温冷水机组制冷性能优于低温冷水机组，如前所述：一般冷水机组出水温度提高，能耗降低2％，出力增加3％（需视具体机组情况而定），这样采用12X：的冷冻水系统可使冷水机组运行比5X：时节省15％-18％，节能效果明显。需要指出的是，为了达到的节能目的，一旦设置了中温冷冻机组，应尽量扩大中温冷冻水的使用范围，如新风处理系统的表冷，变配电所降温空调系统的表冷器，工艺冷却水系统，纯水系统的冷却等。

洁净室一年四季均需要冷水，同时，冬季电子工厂也需要大量的低热水，经经济技术比较后可采用带热回收式的冷水机组，以达到节能目的。

5）冷冻水、冷却水采用大温差常规空调中，冷水机组冷冻水供回水温度为7/12℃，冷却水供回水温度32t：/37r，均采５℃温差。

如将冷冻水的供回水温度调整为7℃／14℃，采用TC温差，则冷冻水流量约可减少为原来的71.5％，由于水泵的动力与流量成正比，因此能耗也为原来的71.5％（注意需核算空调机等的盘管面积）。冷却水温度也可采用大温差的方式，如冷却水供回水温度32X：40℃，但是冷却水温度的提髙，冷水机组的COP性能有所下降，不过这种情况主要发生在夏季的白天，在夏季晚上，过渡季节，冬季和部分负荷运行时，冷却水回水温度一般不会达到４（TC，冷水机组运行工况大部分时间没有设计工况严苛，对冷水机组性能影响不大。需要注意的是采用大温差的冷却水运行温度只适用于一年四季运行的冷水机组，单纯的舒适空调、公共建筑等的冷水机组采用这种方法意义不大，甚至更加耗能。

6）自由冷却系统的应用

所谓自由冷却系统，根据当地的气候特点，在冬季或过渡季节，利用自然环境的“冷量”供冷，即利用工程项目中的制冷系统，在冬季或过渡季节冷水机组不制冷，而用冷却塔循环冷却供冷。自由冷却系统阀门控制较多，宜采用全自动控制方式，以确保净化空调所需温度的冷水。

7）准确、有效、方便、快捷的控制系统不论何时，准确、有效、可靠的自动控制系统是非常重要的，只有系统可靠运行，参数符合设计要求，才不会造成浪费，才能节能。

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结论

洁净室空调系统的节能是一个综合的系统工程，并不是所有的方式均适用。要根据项目的具体情况综合考虑一次投资和日常运行费用有选择的采用。