微電子潔凈廠房的設(shè)計分析

林喜云

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微電子潔凈廠房的設(shè)計分析

林喜云

（上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團工程建設(shè)咨詢有限公司 上海 200041）

針對某微電子工業(yè)廠房項目工程，分析電子工業(yè)潔凈廠房的凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，以及防排煙系統(tǒng)的設(shè)計。同時根據(jù)電子潔凈廠房工藝設(shè)備的參數(shù)，簡述氣體動力系統(tǒng)設(shè)計。

潔凈廠房；微電子工業(yè)

0 引言

隨著國家科技的進步，微電子行業(yè)在國內(nèi)異軍突起，為滿足各個電子潔凈廠房對室內(nèi)空氣溫濕度精密控制的要求，對潔凈室的空氣處理設(shè)計提出了更高的要求。同時為配合車間內(nèi)設(shè)備及生產(chǎn)線的運轉(zhuǎn)，廠房防火空間高度及跨度均給防火安全設(shè)計帶來的一定的難度，該工程所存在消防問題的解決辦法和措施。

1 工程概況

本工程地處上海，為改造項目，原廠房已與2010年建成，為普通單層廠房，建筑平面尺寸為85m×35m，層高為13.5m高，現(xiàn)根據(jù)業(yè)主需求改造為潔凈廠房（以光刻機為主設(shè)備），潔凈度：ISO Class6（1000級），設(shè)計潔凈車間區(qū)域為82m×30m，其余為設(shè)備用房。此次改造為滿足潔凈室密閉的要求，在原廠房內(nèi)四周增設(shè)一層庫板，庫板防火性能要求為耐火極限1.5小時。換鞋，更衣，風(fēng)淋等輔助房間設(shè)置在緊貼廠房南邊的新建建筑內(nèi)；潔凈車間內(nèi)部的溫度、濕度要求見主要設(shè)計參數(shù)。

2 室內(nèi)外主要設(shè)計參數(shù)

潔凈車間室內(nèi)空調(diào)設(shè)計參數(shù)：

全年室內(nèi)設(shè)計干球溫度：22℃±1℃；

全年室內(nèi)設(shè)計相對濕度：50±5%。

表1 室外設(shè)計主要參數(shù)

3 空調(diào)冷熱源、水系統(tǒng)設(shè)計及項目負(fù)荷參數(shù)

3.1 工程冷熱源及水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

本工程夏季冷源采用的是設(shè)置在動力中心的離心式冷水機組供冷，供回水溫度為7/12℃。

冬季采用的是設(shè)置在鍋爐房的燃?xì)忮仩t供熱，燃?xì)忮仩t出水溫度為90℃，回水溫度為60℃，通過板式換熱器提供空調(diào)熱水，供回水溫度為60/45℃。

車間內(nèi)干盤管水系統(tǒng)冷源由離心式冷水機組提供，經(jīng)水—水板式換熱器，提供14℃冷凍水，回水溫度為18℃。

車間工藝水系統(tǒng)冷源由離心式冷水機組提供，經(jīng)水—水板式換熱器，提供18℃冷凍水，回水溫度為28℃。

3.2 潔凈車間冬、夏季節(jié)負(fù)荷

潔凈車間的負(fù)荷主要以滿足工藝設(shè)備生產(chǎn)為主，工人工作環(huán)境舒適為輔準(zhǔn)則設(shè)計，在計算統(tǒng)計負(fù)荷量時以業(yè)主和設(shè)備廠家提供的參數(shù)為主。

3.2.1 夏季負(fù)荷

潔凈車間干盤管冷負(fù)荷415kW；空調(diào)箱新風(fēng)系統(tǒng)冷負(fù)荷2353kW；空壓機冷負(fù)荷：350kW（業(yè)主提供）；純水機房冷負(fù)荷350kW（業(yè)主提供）。

3.2.2 冬季負(fù)荷

冬季負(fù)荷：空調(diào)箱新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷1598kW。

4 空調(diào)系統(tǒng)形式

微電子廠房的凈化主要是廠房內(nèi)的生產(chǎn)區(qū)域。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，凈化等級為1000級，設(shè)計單向流的空調(diào)系統(tǒng)形式，本工程采用的是組合式空調(diào)機組（MAU處理新風(fēng)）+干盤管（DCC處理回風(fēng)）+FFU（高效送風(fēng)口）空調(diào)系統(tǒng)形式；考慮設(shè)備高度及行車高度后，在整個生產(chǎn)區(qū)域上方7.95m的高度設(shè)置一個潔凈空腔，潔凈空腔高度為2m。在潔凈空腔上部設(shè)置設(shè)備平臺（原土建沒有，現(xiàn)新增），新風(fēng)機組、排風(fēng)風(fēng)機、臭氧處理及其他設(shè)備均放置在設(shè)備平臺上。夏季：室外的新風(fēng)經(jīng)過過濾及降溫除濕處理后，送入潔凈空腔。冬季：室內(nèi)的熱排風(fēng)通過板式熱交換機組，預(yù)熱室外新風(fēng)，經(jīng)過濾，加熱加濕處理后，送入潔凈空腔。送入潔凈空腔內(nèi)的新風(fēng)與潔凈車間內(nèi)經(jīng)過干盤管處理的回風(fēng)混合，由FFU送入潔凈車間。FFU的吸入口端設(shè)置中效過濾器，出口端設(shè)置高效過濾器。送入室內(nèi)的風(fēng)通過架空地板的開孔，回到潔凈車間兩側(cè)的回風(fēng)墻內(nèi)。

圖1 潔凈車間空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)圖

5 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

一般的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時按空調(diào)精度選定送風(fēng)溫差，在根據(jù)余熱余濕計算送風(fēng)量，而在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)量是根據(jù)壓差控制來確定的?！稘崈魪S房設(shè)計規(guī)范》（GB 50073—2013）中規(guī)定“潔凈室（區(qū)）與周圍的空間必須維持一定的壓差。并按工藝要求決定維持正壓差或負(fù)壓差。不同等級的潔凈室之間的壓差不宜小于5Pa，潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間的壓差不應(yīng)小于5Pa，潔凈區(qū)與室外的壓差不應(yīng)小于10Pa。潔凈室維持不同的壓差值所需的壓差風(fēng)量，根據(jù)潔凈室特點，宜采用縫隙法或換氣次數(shù)法確定”。

5.1 縫隙法計算滲透風(fēng)量[2]

此方法既考慮了潔凈室維護結(jié)構(gòu)的氣密性，又考慮了室內(nèi)維持不同的壓差值所需的正壓風(fēng)量，因此，縫隙法比按房間的換氣次數(shù)估算較為合理和精確。

式中：為維持潔凈室壓差值所需的壓差風(fēng)量，m3/h；根據(jù)維護結(jié)構(gòu)氣密性確定的安全系數(shù)。可取1.1～1.2；為當(dāng)潔凈室為某一壓差值時，其維護結(jié)構(gòu)單位長度的滲透風(fēng)量，m3/h；為維護結(jié)構(gòu)的隙縫長度，m。

單位長度縫隙滲透空氣量用公式計算是比較困難的，一般是通過不同形式的門、窗進行多次的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計后得出的。

5.2 換氣次數(shù)法，宜按下列數(shù)據(jù)選用[2]

壓差5Pa時，滲漏換氣次數(shù)取1次～2次/h；

壓差10Pa時，滲漏換氣次數(shù)取2次～4次/h；

對于混凝土外墻無窗廠房，滲漏換氣次數(shù)可取0.5次/h;

對于氣密性好的大型潔凈廠房，換氣次數(shù)可取下限值。

5.3 本工程潔凈室新風(fēng)量的設(shè)計

潔凈室內(nèi)的新鮮空氣量應(yīng)取下列兩項中的最大值：

（1）補償室內(nèi)排風(fēng)量和保持室內(nèi)正壓值所需新鮮空氣量之和

（2）保證供給潔凈室內(nèi)每人每小時的新鮮空氣量不下于40m3

本工程設(shè)備工藝排風(fēng)按照業(yè)主提供的設(shè)備參數(shù)計算，業(yè)主提供潔凈車間的設(shè)備為：5臺6G-TFT光刻機；一臺008光配向設(shè)備；一條G4.5工藝線；生產(chǎn)設(shè)備人員約為80人。

5.3.1 6G—TFT光刻機五臺

根據(jù)業(yè)主提供的光刻機性能參數(shù)，每臺末端熱排風(fēng)為300m3/min（業(yè)主要求滿負(fù)荷運行設(shè)計）；熱排風(fēng)溫度≤60℃，5×300m3/min。

5.3.2 008光配向設(shè)備；

末端熱排風(fēng)：168m3/min；熱排風(fēng)溫度≤100℃

臭氧排氣：16m3/min

5.3.3 G4.5工藝線設(shè)備

表2 工藝設(shè)備通風(fēng)參數(shù)

5.4 廠房新風(fēng)量計算

廠房內(nèi)潔凈區(qū)域?qū)痈?.95m，面積為2100m2。根據(jù)上面敘述要求，本次設(shè)計廠房內(nèi)外壓差為10Pa時，氣密性好無外窗，滲漏換氣次數(shù)取1次/h，計算廠房滲漏量為：2100m2×7.95m×1次/h= 16695m3/h。所以計算潔凈區(qū)域最小新風(fēng)量為上述所有風(fēng)量之和，計算約為121600m3/h，按此風(fēng)量選擇新風(fēng)處理機組。

5.4.1 新風(fēng)機組的設(shè)計選擇及冬季排風(fēng)的熱回收

根據(jù)上面計算，本次設(shè)計選擇組合式新風(fēng)機組三臺放置在設(shè)備平臺上，兩用一備，每臺風(fēng)量為65000m3/h，采用變頻控制。由于設(shè)備機臺排風(fēng)溫度較高，夏季排風(fēng)均直接排至室外，冬季排風(fēng)預(yù)熱新風(fēng)，采用兩臺全熱交換器，全熱交換器設(shè)置在設(shè)備平臺上面，每臺處理風(fēng)量為60000m3/h。

5.4.2 新風(fēng)處理機組的裝置由各功能段組成

新風(fēng)入口→初級過濾器→中級過濾器→一次加熱（冷卻）盤管→干蒸汽加濕（純水）→擋水板→二次加熱盤管→風(fēng)機段→高效過濾器（出口）。新風(fēng)經(jīng)處理后送至潔凈空腔內(nèi)。

5.5 潔凈車間回風(fēng)處理

本工程對于回風(fēng)的方式前面已經(jīng)提到，送入室內(nèi)的風(fēng)通過架空地板的開孔，回到潔凈車間兩側(cè)的回風(fēng)墻內(nèi)?；仫L(fēng)墻回至設(shè)備夾層，并在回風(fēng)墻側(cè)設(shè)置干盤管（DCC），使室內(nèi)的回風(fēng)全部經(jīng)過干盤管處理后，由風(fēng)機送回至潔凈空腔內(nèi)。干盤管僅承擔(dān)室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，用于末端裝置處理的空調(diào)水系統(tǒng)采用高溫水（供回水水溫為14℃/18℃，由制冷機組提供的冷水通過板式換熱器提供）。特別注意的是，由于生產(chǎn)設(shè)備本身重量偏重，結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計了很多的設(shè)備基礎(chǔ)平臺及出貨通道，車間地面剩余部分為高壓開孔地板，作為回風(fēng)口，為保證回風(fēng)品質(zhì)（回風(fēng)風(fēng)量以及回風(fēng)風(fēng)速），滿足室內(nèi)潔凈度要求，地板的開孔率不小于25%。

5.6 潔凈空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量設(shè)計

根據(jù)上面敘述要求，設(shè)計空調(diào)送風(fēng)量如表3所示。

表3 潔凈空調(diào)風(fēng)量表

6 消防系統(tǒng)的設(shè)計

本工程根據(jù)建筑火災(zāi)危險性定義為丙類廠房，由《建筑防火設(shè)計規(guī)范》GB 50016—2014中的8.5.2條規(guī)定，丙類廠房設(shè)置排煙設(shè)施[5]；本工程地處上海市，又根據(jù)上海的《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》DG J08—88—2006中的4.1.6條“防煙分區(qū)不宜大于2000m2，長邊不應(yīng)大于60m。當(dāng)室內(nèi)高度超過6m，且具有對流條件時，長邊不應(yīng)大于75m”的規(guī)定，設(shè)計潔凈車間內(nèi)部劃分為2個防煙分區(qū)，設(shè)置機械排煙系統(tǒng)。為不影響潔凈車間內(nèi)部的行車移動，貼潔凈空腔下部設(shè)置活動式電動檔煙垂壁，平時收起，消防時電動檔煙垂壁自動下降至檔煙工作位置。

6.1 排煙系統(tǒng)設(shè)計

按照規(guī)范要求，風(fēng)機的風(fēng)量應(yīng)按各防煙分區(qū)中最大一個分區(qū)的排煙量、風(fēng)管（風(fēng)道）的漏風(fēng)量及其他防煙分區(qū)的排煙口或排煙閥的漏風(fēng)量之和計算。本潔凈車間防煙分區(qū)劃分后，防煙分區(qū)一面積1000m2，防煙分區(qū)二面積1100m2，層高為7.95m。

排煙量按DG J08—88—2006中公式5.2.5計算：

式中，為排煙量，m3/s；0為環(huán)境溫度下氣體的密度，kg/m3，通常0=20，0=1.2(kg/m3)；0為環(huán)境的絕對溫度，K；為煙氣的絕對溫度，K，=T+。

帶入各個數(shù)字，計算結(jié)果為25821m3/s，排煙風(fēng)機風(fēng)量按計算排煙量的1.1倍選擇。排煙風(fēng)機設(shè)置在潔凈空腔上部的設(shè)備平臺上面，風(fēng)機四周用耐火極限不下于2小時的防火板包裹。

6.2 消防補風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

按照《建筑防火設(shè)計規(guī)范》和上海市《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》的要求，消防補風(fēng)量不應(yīng)小于排煙量的50%，且補風(fēng)口宜設(shè)置在消防區(qū)域儲煙倉以下。本工程為潔凈廠房，消防補風(fēng)不能從室外直接引入，故采用新風(fēng)空調(diào)機組處理后的潔凈空氣作為消防補風(fēng)。經(jīng)過空調(diào)處理機組處理后的室外新風(fēng)，在送至潔凈空腔前分出一支，直接經(jīng)風(fēng)管送至潔凈空腔下部的車間內(nèi)，補風(fēng)風(fēng)口離地4.0m。分支風(fēng)管上面設(shè)置電動閥，平時關(guān)閉，消防聯(lián)動開啟。

7 動力中心設(shè)計

整個廠區(qū)規(guī)劃設(shè)計一個動力中心，為整個廠區(qū)服務(wù)。動力中心內(nèi)設(shè)有冷熱源系統(tǒng)及空壓站、純水處理中心及氮氣供給中心。本項目僅僅為工程規(guī)劃第一期，總共規(guī)劃五期，后續(xù)一期一期啟用。本期涉及到的部分在此做一簡述。

7.1 冷源

冷源來自動力中心的2臺500RT離心式冷水機組為本車間服務(wù)，制冷機組夏季提供7℃冷凍水，冷凍回水溫度為12℃。干盤管、空壓機（水冷式）及工藝?yán)渌枥淞烤?jīng)各自的板式換熱器提供。水泵及板式換熱器設(shè)置在機房內(nèi)，機房內(nèi)設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)。冷卻塔直接設(shè)置在廠房外側(cè)，就近動力機房。冬季冷水機組不運行，空壓機所需的冷量有冷卻塔提供的水經(jīng)過板式換熱器供給。

7.2 熱源

熱源采用的是燃?xì)忮仩t，燃?xì)庥墒姓烊粴馓峁瑥S區(qū)內(nèi)設(shè)有燃?xì)庹{(diào)壓站，經(jīng)調(diào)壓站的燃?xì)庵苯庸┲铃仩t房。燃?xì)忮仩t內(nèi)的一臺鍋爐為本期服務(wù)。鍋爐一次供回水溫度為90/60℃，通過板式換熱器提供工程用60/45℃的熱水。板式換熱器及輸送水泵均設(shè)置在鍋爐房內(nèi)，鍋爐房屋頂上設(shè)有膨脹水箱，補水來自純水處理中心，鍋爐房均按規(guī)范要求設(shè)置平時通風(fēng)及事故排風(fēng)系統(tǒng)。

7.3 空氣壓縮系統(tǒng)

空壓站產(chǎn)生的壓縮空氣提供給生產(chǎn)工藝，按照車間內(nèi)6G—TFT光刻機和1條工藝線的需求且同時使用系數(shù)為1考慮，即總用氣負(fù)荷為27.61Nm3/min，最大用氣壓力為0.65MPa，壓力露點≤-40℃，無油，含塵粒徑≤0.01μm。根據(jù)業(yè)主提供的參數(shù)，空壓機房內(nèi)兩臺水冷無油螺桿空壓機為本期服務(wù)，一臺變頻（排氣量為：24.4m3/min），一臺定頻（排氣量為：24.6m3/min），同時設(shè)置微熱吸附式干燥機、過濾器及儲氣罐，儲氣罐容積為5m3。水冷式空壓機需要的冷量由動力中心的制冷機組提供。空壓機房采用自然通風(fēng)換氣，在外墻上設(shè)置百葉窗。

7.4 真空系統(tǒng)

根據(jù)業(yè)主提供的工程需求，按車間內(nèi)6G—TFT光刻機和1條工藝線的需求且同時使用系數(shù)為1考慮，即總用氣負(fù)荷為2m3/min，極限壓力為20kPa，真空泵房內(nèi)設(shè)置2臺油潤滑旋片真空泵（一用一備）和一個2m3的真空罐，以及相應(yīng)閥門和控制裝置附件。根據(jù)工程需求設(shè)計真空泵房最終抽氣規(guī)模為：總抽氣速率≥2m3/min，真空泵入口工作壓力為20kPa。

7.5 液氮站供氣系統(tǒng)

根據(jù)業(yè)主提供的工程需求，按車間內(nèi)6G—TFT光刻機和1條工藝線的需求且同時使用系數(shù)為1考慮，即總用氣負(fù)荷為0.47Nm3/min，最大用氣壓力為0.65MPa，選用液氮儲罐容積為5m3，且最大連續(xù)供氣時間為五天，業(yè)主要求采用租賃一套移動式氮氣供應(yīng)裝置，并就近安裝在車間綠化帶內(nèi)露天設(shè)置。

7.6 純水系統(tǒng)

純水系統(tǒng)由專業(yè)廠家設(shè)計，此處不敘述。本工程的冬季加濕及鍋爐補水均有純水機房提供。

8 結(jié)論

通過對微電子潔凈廠房的分析設(shè)計，提醒設(shè)計工程人員只有對潔凈室內(nèi)工藝設(shè)備了解清楚，積極配合工藝、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣以及給排水等各專業(yè)，才能做到設(shè)計合理，做出優(yōu)秀的、滿足生產(chǎn)要求的項目工程。

[1] GB50019—2015,工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[2] GB 50073—2013,潔凈廠房設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2013.

[3] GB 50073—2008,電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[4] GB 16297—1996,大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1997

[5] GB 50016—2014,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[6] DG J08—88—2006,上海市工程建設(shè)規(guī)范-建筑防排煙技術(shù)規(guī)程[S].上海:上海市新聞出版局,2006.

[7] 李婕璇.“干盤管”在電子潔凈廠房中應(yīng)用的分析[J].發(fā)電與空調(diào),2013,32(2):58-62.

[8] 馬海龍.潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計及特點[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計,2017,4(3).

Analysis of the Design of Microelectronic Clean Plant

Lin Xiyun

(Shanghai Xian Dai Architecture, Engineering Consulting Co., Ltd, Shanghai, 200041)

Aiming at a microelectronics industrial plant project, the design of clean air conditioning system in the clean workshop of electronics industry is analyzed, and the design of gas power system is briefly described according to the parameters of the process equipment of the electronic clean workshop.

clean workshop; microelectronics industry

1671-6612（2019）01-025-5

TU83

B

林喜云（1980-），女，研究生，工程師，E-mail：lin6825@126.com

2019-02-22