印制電路板廠房暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計分析

王志軍 殷小濤

（無錫深南電路有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

印制電路板（PCB）廣泛應(yīng)用于通訊電子、消費電子、計算機(jī)、汽車電子、國防及航空航天等領(lǐng)域，是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)品不可或缺的電子元器件。隨著當(dāng)前云技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的快速發(fā)展，印制電路板需求越來越大，產(chǎn)品要求越來越高。為滿足市場的需求，新建、擴(kuò)建印制電路板生產(chǎn)廠房越來越多。PCB生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜、設(shè)備發(fā)熱量大、環(huán)境要求高，致使空調(diào)能耗極高，空調(diào)系統(tǒng)全年能耗約占全廠總用量的30～40%，因此暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計勢在必行。

1 廠房暖通空調(diào)狀況分析

PCB工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)過程工序較多，各工序中生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)熱量、廢氣排放量及環(huán)境需求均不相同，從而導(dǎo)致了暖通空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜，且運行能源消耗大的現(xiàn)象。表1是華東地區(qū)某大型PCB廠房空調(diào)參數(shù)及冷負(fù)荷的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可以看出，此類廠房空調(diào)能耗較大，生產(chǎn)區(qū)域單位面積平均冷負(fù)荷大于350 W/m2。由此可見，暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計非常必要，見表1。

廠房暖通空調(diào)系統(tǒng)運行能耗主要受以下因素的影響：

（1）室內(nèi)外環(huán)境溫濕度，室內(nèi)潔凈度等；

（2）生產(chǎn)設(shè)備發(fā)熱量、廢氣排放量；

（3）冷熱源有效利用率；

（4）空調(diào)系統(tǒng)輸送水/風(fēng)量、阻力；

（5）暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的運行效率。

由室外氣候及生產(chǎn)工藝直接制約的因素，此次不做研討。本文重點從提高冷熱源利用率、降低空調(diào)系統(tǒng)輸送能耗、提升空調(diào)設(shè)備運行效率等方面進(jìn)行分析，以降低冷熱源、空調(diào)系統(tǒng)的綜合運行能耗。

表1 生產(chǎn)車間空調(diào)參數(shù)及負(fù)荷狀況

2 冷熱源系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

2.1 冷熱源的選用

（1）熱源的選用應(yīng)優(yōu)先采用城市、區(qū)域供熱或工廠余熱。高度集中地?zé)嵩茨苄Ц?，便于管理，有利于環(huán)保，為國家能源政策所鼓勵，使用費用相對較低；

（2）對于峰谷電價差異比較大的地區(qū)，利用低估電價時段蓄冷有顯著經(jīng)濟(jì)效益時，可采用蓄冷系統(tǒng)供冷；

（3）冷源應(yīng)首先考慮采用天然冷源，無條件采用天然冷源時，可采用人工冷源。

2.2 冷熱源機(jī)房的設(shè)置

（1）當(dāng)生產(chǎn)廠區(qū)多棟廠房距離較近時，應(yīng)集中設(shè)置供冷、供熱機(jī)房，以便于充分利用各廠房負(fù)荷的參數(shù)特性，減小冷熱源設(shè)備的容量，管理集中、方便，可以提高能源的利用率。

（2）當(dāng)生產(chǎn)廠區(qū)多棟廠房距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)分別獨立設(shè)置供冷、供熱機(jī)房，機(jī)房的位置盡可能靠近廠房，以縮短輸送管路，減少輸送能耗。

2.3 供冷、供熱系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

2.3.1 中、低溫冷凍水的應(yīng)用

基于PCB工廠冷源需求量大、應(yīng)用場所多、冷凍水溫度要求不同等特性，供冷宜采用中、低溫冷凍水兩套供應(yīng)系統(tǒng)。中溫冷凍水供回水溫為13 ℃/18 ℃，用于工藝設(shè)備降溫、干盤管及風(fēng)機(jī)盤管制冷。低溫冷凍水供回水溫為7 ℃/12 ℃，用于組合式空調(diào)箱（MAU、AHU）降溫除濕。冷水機(jī)出水溫度提高1 ℃，機(jī)組COP提高約2～3%，相比傳統(tǒng)的單一低溫冷凍水供應(yīng)系統(tǒng)，冷水機(jī)綜合能耗降低約10%。

2.3.2 變流量水系統(tǒng)的應(yīng)用

多棟廠房集中設(shè)置的供冷、供熱機(jī)房，宜采用二次泵變流量系統(tǒng)，二次泵應(yīng)根據(jù)各廠房需求特性分別選用、控制。每棟廠房獨立設(shè)置的供冷、供熱機(jī)房，宜采用一次泵變流量系統(tǒng)。

2.3.3 冷卻塔節(jié)能運行的應(yīng)用

通過監(jiān)測室外濕球溫度，重置冷卻水溫度控制設(shè)定值，以此來調(diào)整冷卻塔風(fēng)扇運行數(shù)量、頻率，避免冷卻塔風(fēng)扇過度運行產(chǎn)生的能源浪費。通常冷卻水溫度控制設(shè)定值比室外濕球溫度高3 ℃。

2.3.4 機(jī)房群控的應(yīng)用

充分利用機(jī)房群控的技術(shù)，通過監(jiān)測供回水溫度、流量及壓力等參數(shù)，自動調(diào)節(jié)冷水機(jī)、水泵及冷卻塔等設(shè)備運行負(fù)荷，以降低機(jī)房整體能耗。水泵運行頻率宜通過監(jiān)測最不利回路供回水壓差進(jìn)行控制。為了運行穩(wěn)定，也可直接通過監(jiān)測供回水主管壓差進(jìn)行控制。

2.3.5 自由冷卻的應(yīng)用

廠房生產(chǎn)設(shè)備發(fā)熱量大，大部分空調(diào)需全年制冷，且部分生產(chǎn)設(shè)備也需全年降溫。鑒于此，對于冬季環(huán)境溫度較低的地區(qū)，應(yīng)充利用天然冷源，可采用冷卻塔直接制冷。從以往使用經(jīng)驗看，在華東地區(qū)，每年有三個月可使用自由冷卻系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。

2.3.6 熱回收的應(yīng)用

工廠壓縮空氣使用量大，且用量穩(wěn)定，因此空壓機(jī)熱回收可作為穩(wěn)定的熱源使用。從以往使用數(shù)據(jù)看，空壓機(jī)熱回收量約占總用量的15%。

廠房冬季冷量需求較大，若不采用自由冷卻的情況下，可利用冷水機(jī)全熱回收。從以往應(yīng)用案例看，在華東地區(qū)，冷水機(jī)與空壓機(jī)熱回收總量即可滿足全廠冬季空調(diào)的使用。

2.4 冷熱源系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能

冷水機(jī)的選型應(yīng)結(jié)合工廠特性、市政能源狀況，以及環(huán)境氣候特點綜合評估后選用。印制線路板廠房多數(shù)情況會選用電動壓縮式冷水機(jī)組，對于冷凍水用量需求較大的廠房，宜采用高效、環(huán)保的離心式冷水機(jī)組?？紤]到廠房全年冷負(fù)荷需求量的變化，為保證供冷系統(tǒng)全年穩(wěn)定、高效的運行，每個供冷機(jī)房宜設(shè)置一臺變頻冷水機(jī)組。具備市政蒸汽供應(yīng)的地區(qū)，應(yīng)采用市政蒸汽與水進(jìn)行換熱來制取熱水，其中換熱器的選用至關(guān)重要。結(jié)合以往應(yīng)用案例看，螺旋螺紋管式換熱器具有傳熱系數(shù)高（7000～8000 W/m2.K）、換熱效率高、耐高溫高壓、外形體積小等特點，非常適合應(yīng)用于汽-水換熱。

水泵作為空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)的動力源，對水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用，但同時水泵也是其中主要的耗能設(shè)備。在空調(diào)水系統(tǒng)中，水泵約占整個水系統(tǒng)能耗的20%，因此水泵的節(jié)能設(shè)計非常重要。水泵選用參數(shù)要合理，并配置合適、高效的電機(jī)。水泵電機(jī)采用變頻驅(qū)動，可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化，自動調(diào)節(jié)運行頻率，以保證水泵有效、高效的運行。

3 空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備的節(jié)能設(shè)計

3.1 空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

3.1.1 潔凈室空調(diào)系統(tǒng)的合理選用

PCB廠房潔凈室潔凈度等級一般為N6、N7，其車間具有數(shù)量多、面積小、冷負(fù)荷大、新風(fēng)需求量大等特點，并且應(yīng)市場的發(fā)展，潔凈室車間會隨生產(chǎn)工藝的變化進(jìn)行改造?；诖?，印制線路板廠房潔凈室宜采用新風(fēng)機(jī)組（MAU）+風(fēng)機(jī)過濾單元（FFU）+干盤管（DC）的組合方式進(jìn)行空氣處理，相比一/二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，該空調(diào)系統(tǒng)具備空氣循環(huán)耗能小、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、升級改造方便等特點。新風(fēng)處理機(jī)組（MAU）風(fēng)機(jī)采用變頻驅(qū)動，風(fēng)機(jī)頻率根據(jù)室內(nèi)壓差自動調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)過濾單元（FFU）選用高效的直流電機(jī)，可根據(jù)高效過濾器的使用狀況調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運行速率，避免在系統(tǒng)投用初期，過風(fēng)量運行造成不必要的能源浪費。干盤管（DC）采用13 ℃的中溫冷凍水，降低了冷水機(jī)運行能耗。

在進(jìn)行廠房工藝布局設(shè)計時，應(yīng)盡可能將不同潔凈度、不同溫濕度要求的區(qū)域分隔開，分別設(shè)置單獨的空調(diào)系統(tǒng)，獨立控制?？照{(diào)機(jī)房應(yīng)盡可能靠近所使用的區(qū)域，縮短風(fēng)管長度，減少輸送阻力，節(jié)省運行成本。

3.1.2 恒溫恒濕車間空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化

PCB廠房恒溫恒濕車間具有設(shè)備發(fā)熱量大、新風(fēng)需求量大、室內(nèi)濕負(fù)荷小等特點。對于溫濕度控制精度較高的區(qū)域，可采用優(yōu)化后的一次回風(fēng)系統(tǒng)（圖1），相比傳統(tǒng)的一次回風(fēng)系統(tǒng)，組合式空調(diào)箱增加了冷卻段、回風(fēng)段。第一段冷卻段采用7℃的低溫冷凍水，其主要功能是降溫除濕，控制室內(nèi)濕度；第二段冷卻段采用13 ℃的中溫冷凍水，其主要功能是降溫，控制室內(nèi)溫度。相比傳統(tǒng)一次回風(fēng)系統(tǒng)，避免了冷卻除濕后的再熱，消除了冷熱抵消的能源浪費；盡量采用13 ℃中溫冷凍水，提高冷水機(jī)的運行效率，降低冷水機(jī)的運行能耗如圖1。

圖1 一次回風(fēng)系統(tǒng)/組合式空調(diào)箱結(jié)構(gòu)

對于溫濕度控制精度相對較低的區(qū)域，可采用一次回風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)（圖2）。新風(fēng)電動調(diào)節(jié)閥的開度根據(jù)車間的壓差進(jìn)行控制，以保證補(bǔ)充適當(dāng)?shù)男嘛L(fēng)量，考慮到一般回風(fēng)側(cè)管路較長，相對新風(fēng)側(cè)沿程阻力較大，所以回風(fēng)側(cè)不需設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥。夏季工況下，室內(nèi)濕度通過冷卻段冷水閥的開度進(jìn)行控制，室內(nèi)溫度通過風(fēng)機(jī)運行頻率進(jìn)行控制。冬季工況下，風(fēng)機(jī)可在較低頻率下運行，室內(nèi)溫度通過冷卻段、加熱段的水閥開度進(jìn)行控制，室內(nèi)濕度通過加濕器開度進(jìn)行控制。相比傳統(tǒng)的一次回風(fēng)系統(tǒng)，減少了冷熱抵消的能源浪費，降低了空氣輸送的能耗。但風(fēng)機(jī)運行頻率較低時，送風(fēng)量較小，送風(fēng)相對室內(nèi)溫差較大，不適宜應(yīng)用于溫度控制精度較高的車間如圖2。

圖2 一次回風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)/組合式空調(diào)箱結(jié)構(gòu)

3.1.3 普通加工車間環(huán)境微負(fù)壓控制的應(yīng)用

普通加工車間生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生少量有害氣體，生產(chǎn)設(shè)備廢氣排放量大，操作人員工作崗位固定，因此采用全新風(fēng)空氣處理機(jī)組進(jìn)行崗位送風(fēng)和環(huán)境補(bǔ)風(fēng)。為了減少對周邊生產(chǎn)車間的環(huán)境影響，該區(qū)域采用微負(fù)壓控制，以避免有害氣體對外擴(kuò)散，同時減少從周邊環(huán)境的取風(fēng)量。廢氣處理系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)控，風(fēng)機(jī)采用變頻驅(qū)動，通過監(jiān)控廢氣處理系統(tǒng)管道的壓力，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運行頻率，合理控制生產(chǎn)設(shè)備的廢氣排放量。通過區(qū)域微負(fù)壓控制，自動調(diào)節(jié)新風(fēng)空調(diào)處理機(jī)組的運行頻率，合理有效的進(jìn)行崗位送風(fēng)和環(huán)境補(bǔ)風(fēng)，減少冷熱源、風(fēng)機(jī)的能耗，降低空調(diào)運行成本。

3.1.4 生產(chǎn)設(shè)備排氣余熱的回收利用

對于部分生產(chǎn)設(shè)備（烤箱、烘干設(shè)備等）產(chǎn)生的高溫、低污染的廢氣，可采用熱回收新風(fēng)機(jī)組，回收生產(chǎn)設(shè)備廢氣余熱。對于部分無污染、與室內(nèi)空氣焓差小的工藝設(shè)備排氣，可直接排至車間內(nèi)，以降低環(huán)境補(bǔ)風(fēng)量、減少新風(fēng)處理能耗，對于溫濕度要求高的車間，節(jié)能效果非常顯著。

3.2 空調(diào)末端設(shè)備的節(jié)能

3.2.1 加濕器的選用

對于部分設(shè)備發(fā)熱量大，濕度控制精度較低的恒溫恒濕車間，在滿足濕度控制要求的情況下，宜采用等焓加濕（濕膜加濕、高壓微霧加濕等），充分利用水汽化吸熱的物理特性，減少冷源的消耗。

3.2.2 風(fēng)機(jī)的選用

風(fēng)機(jī)的選用參數(shù)要合理，盡可能選用高效率的風(fēng)機(jī)，馬達(dá)與風(fēng)機(jī)宜采用直連。受外部氣候環(huán)境及廠房生產(chǎn)負(fù)荷的影響，空調(diào)系統(tǒng)時常不在設(shè)計工況下運行，風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)與實際運行需求會存在差異。風(fēng)機(jī)采用變頻控制，通過監(jiān)控風(fēng)量或風(fēng)壓等變量，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運行轉(zhuǎn)速，以滿足系統(tǒng)實際需要，避免了通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥產(chǎn)生的不必要能耗。

3.2.3 控制閥的選用

控制閥的選用型式、參數(shù)是否合理，對空調(diào)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性及能耗影響非常大。閥門的選用型式、參數(shù)應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)特性，詳細(xì)計算、分析后確定。對于變流量水系統(tǒng)，空調(diào)末端控制水閥應(yīng)采用二通調(diào)節(jié)閥，通常采用等百分比型調(diào)節(jié)閥?？照{(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，通常采用對開式多頁調(diào)節(jié)閥。

4 總結(jié)

本文根據(jù)印制電路板廠房的特點，結(jié)合多年的項目設(shè)計與運營經(jīng)驗，對暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計進(jìn)行了分析與總結(jié)，以便為同類廠房建設(shè)提供參考。本文所提及的暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計方案，并非在所有同類廠房均適用，各項目應(yīng)結(jié)合自身特點，綜合評估后選用。