暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)在集成電路廠房中的應(yīng)用分析

劉亞均

集成電路廠房屬于特殊的建筑工業(yè)廠房，主流采用“三明治”Ball Room 潔凈車間設(shè)計(jì)方案，內(nèi)部空間大、建筑能耗高，且對(duì)潔凈度、溫度、濕度、壓差、靜電以及氣態(tài)分子級(jí)污染物等有著較高的要求。同時(shí)集成電路廠房在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢氣，因此需要在保證潔凈室正壓及各項(xiàng)參數(shù)不變情況下確保高效排放，基于此，其新風(fēng)的需求量也非常大。有效加強(qiáng)暖通空調(diào)的節(jié)能設(shè)計(jì)，才能在有效滿足集成電路生產(chǎn)的同時(shí)，降低集成電路廠房的運(yùn)行成本。因此有必要對(duì)暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)在集成電路廠房中的應(yīng)用進(jìn)行探索，提出一些具體的設(shè)計(jì)應(yīng)用方法與措施，使暖通空調(diào)設(shè)計(jì)節(jié)能效果得到提高，從而降低廠房運(yùn)行能耗，節(jié)約更多集成電路生產(chǎn)成本，推動(dòng)集成電路生產(chǎn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)更好發(fā)展。

1 加強(qiáng)暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)的必要性

首先，從宏觀層面來看，在經(jīng)濟(jì)全球化的時(shí)代背景下，能源危機(jī)已成為全球面臨的重要問題，節(jié)能降耗必然是未來的發(fā)展趨勢(shì)之一[1]。由于暖通空調(diào)本身能耗較大，因此必須要加強(qiáng)節(jié)能設(shè)計(jì)，降低暖通能耗，提高能源利用效率，有利于緩解當(dāng)前國(guó)內(nèi)面臨的能源壓力。

其次，從能源利用的角度來看，相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)在能源利用方面依然存在一定的差距，具體表現(xiàn)在以下幾方面：一是能源利用效率低；二是優(yōu)質(zhì)能源供應(yīng)低；三是可再生能源開發(fā)利用低。同時(shí)，我國(guó)是一個(gè)典型的“多煤少油”國(guó)家，優(yōu)質(zhì)能源本身較少，且很容易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此必須要注重加強(qiáng)暖通空調(diào)的節(jié)能設(shè)計(jì)，提升能源的利用效率，從而改善我國(guó)能源利用效率低下的問題。

最后，從集成電路自身產(chǎn)業(yè)環(huán)境及現(xiàn)代社會(huì)的需求情況看，我國(guó)每年在集成電路行業(yè)的貿(mào)易逆差達(dá)到近4 000 億美元，超越石油進(jìn)口且在保持高位增長(zhǎng)。在國(guó)家政策性的支持下，從2015 年開始，我國(guó)在集成電路工廠上的建設(shè)投資平均每年約達(dá)5 000 億人民幣。目前，集成電路廠房的單座能耗為4 萬～10 萬kVA，其中維持產(chǎn)線使用暖通設(shè)施的耗能約占整個(gè)廠房能耗的20%，因此必須要加強(qiáng)對(duì)建筑暖通空調(diào)的節(jié)能設(shè)計(jì)，合理減少暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行帶來的能耗，從而顯著提升整體建筑的能源利用率，降低建筑能耗。

2 集成電路廠房特點(diǎn)

集成電路廠房有以下特點(diǎn)：（1）平面不固定，需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝需求，實(shí)施高差錯(cuò)層等針對(duì)性設(shè)計(jì)；（2）廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)高大，一般采用筏板+華夫孔結(jié)構(gòu)+Truss 設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，結(jié)構(gòu)及空間構(gòu)造復(fù)雜；（3）為滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，集成電路廠房設(shè)備與工藝物資輸送系統(tǒng)復(fù)雜，多達(dá)150 多種各類管線交叉；（4）在集成電路廠房?jī)?nèi)，生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量較多且體積較大，同時(shí)，廠房?jī)?nèi)核心潔凈生產(chǎn)區(qū)的跨度達(dá)到40 ～60 m；（5）集成電路廠房的屋面節(jié)能設(shè)計(jì)非常重要，對(duì)屋面排水、防水、保溫、隔熱等有著較高的要求；（6）集成電路廠房的整體能耗高，生產(chǎn)設(shè)備發(fā)熱量大，潔凈生產(chǎn)區(qū)發(fā)熱量根據(jù)產(chǎn)線的每個(gè)工藝制程節(jié)點(diǎn)不同，基本維持在350 ～1 000 W/m2；（7）從生產(chǎn)角度來看，集成電路廠房以生產(chǎn)集成電路元器件為主，這些產(chǎn)品對(duì)溫度、濕度、潔凈度等比較敏感。因此在實(shí)際進(jìn)行暖通空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要加強(qiáng)對(duì)上述因素的控制，要求全年溫度在（22±1）℃，濕度控制在45%±5%，潔凈度為ISO 1.5 ～I(xiàn)SO 5.5。此外，在集成電路廠房風(fēng)量控制方面，還應(yīng)注重加強(qiáng)潔凈室的空氣清潔度與濕熱平衡。

3 集成電路廠房中暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)原則

3.1 節(jié)能降耗原則

集成電路廠房在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，為了提升集成電路器件的生產(chǎn)質(zhì)量，必須要嚴(yán)格控制潔凈室內(nèi)的溫度、濕度、潔凈度以及壓差等參數(shù)，因此空調(diào)系統(tǒng)是全年不停供的狀態(tài)，暖通設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際消耗的能源巨大，不利于系統(tǒng)節(jié)能[1]?；诖?，在實(shí)際進(jìn)行集成電路廠房暖通空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循節(jié)能降耗原則，在滿足集成電路廠房種種生產(chǎn)環(huán)境的條件下，加強(qiáng)節(jié)能降耗的合理設(shè)計(jì)，有效降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗，通過合理的節(jié)能設(shè)計(jì)減少集成電路廠房的生產(chǎn)成本。

3.2 因地制宜原則

在集成電路廠房中進(jìn)行暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循因地制宜原則。一方面，需結(jié)合集成電路廠房的實(shí)際生產(chǎn)情況，加強(qiáng)與建筑專業(yè)的配合，提高暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，更好地彰顯廠房節(jié)能的效率，使廠房布置更加滿足暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的需要[2]。另一方面，在實(shí)際進(jìn)行暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮集成電路廠房實(shí)際的氣候條件，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，合理利用外部熱源、新風(fēng)等，提升暖通空調(diào)的節(jié)能效果。

3.3 科學(xué)規(guī)范原則

在集成電路廠房進(jìn)行暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)的過程中，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，明確廠房不同生產(chǎn)區(qū)域的制冷、供暖、通風(fēng)、廢氣有序排放等需求，嚴(yán)格遵循科學(xué)規(guī)范的原則，在國(guó)家相關(guān)規(guī)范的指導(dǎo)下加強(qiáng)暖通空調(diào)的節(jié)能設(shè)計(jì)，使其既滿足集成電路廠房的生產(chǎn)需求，又能夠起到良好的節(jié)能效果。另外，在實(shí)際進(jìn)行集成電路廠房暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，還應(yīng)融入以人為本的設(shè)計(jì)理念，為廠房?jī)?nèi)工作人員提供一個(gè)更好的生產(chǎn)環(huán)境，從而促使暖通空調(diào)在集成電路生產(chǎn)中發(fā)揮出更大的作用價(jià)值。

4 集成電路廠房中暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

4.1 冷凍站節(jié)能設(shè)計(jì)探討

在集成電路廠房冷凍站的設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先考慮冷凍機(jī)組和冷藏機(jī)組的搭配使用，有條件的情況下還可以應(yīng)用中溫?zé)峄厥占夹g(shù)，確保能耗配比的最優(yōu)化，同時(shí)在冷卻水系統(tǒng)的設(shè)置上要重點(diǎn)關(guān)注冷卻塔的水力平衡，有效提升能耗價(jià)值，并關(guān)注冷卻塔出入口水溫差與風(fēng)機(jī)變頻之間的聯(lián)動(dòng)。

冰機(jī)選擇上，應(yīng)優(yōu)先考慮降低冷凝器與蒸發(fā)器之間的壓力差，以冷凍水出口溫度與冷卻水入口溫度的差值作為設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求，合理提升冷凍水出口溫度，降低冷卻水入口溫度，可以起到良好的節(jié)能作用。

為了加強(qiáng)對(duì)熱量的充分利用，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇氣候補(bǔ)償方式。通過結(jié)合集成電路廠房外部氣候溫度的變化及室內(nèi)供暖的需求，先提前完成室內(nèi)溫度設(shè)置，然后再通過安裝氣候補(bǔ)償器完成供水溫度的自動(dòng)化控制，從而對(duì)廠房供熱系統(tǒng)的供水溫度進(jìn)行氣候補(bǔ)償，起到良好的節(jié)能降耗作用。在這一過程中，需安裝智能控制節(jié)能閥和氣候補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)按需供暖[3]。

在廠房室外氣候出現(xiàn)變化時(shí)，可通過傳感器將室外溫度的變化實(shí)時(shí)傳遞給氣候補(bǔ)償器，氣候補(bǔ)償器迅速響應(yīng)，結(jié)合預(yù)先設(shè)置好的調(diào)節(jié)關(guān)系曲線，向三通閥輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，改變供回水的混合比例，確保供水溫度能夠滿足生產(chǎn)需求，不會(huì)造成多余熱量浪費(fèi)，保證室內(nèi)供暖正常運(yùn)行?？偠灾?，氣候補(bǔ)償器能夠有效結(jié)合室外環(huán)境溫度變化，靈活進(jìn)行一次供回水側(cè)冷/熱媒流量的調(diào)整，以此來控制出水/送風(fēng)溫度，不僅可實(shí)現(xiàn)一次側(cè)供水流量的自動(dòng)調(diào)整，還能夠間接控制二次側(cè)供水溫度，在滿足室內(nèi)供暖需求的同時(shí)，利用外界的氣候溫度變化保障室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性，節(jié)能效果明顯。

4.2 核心潔凈生產(chǎn)區(qū)的暖通節(jié)能設(shè)計(jì)

在集成電路廠房中，最核心的區(qū)域?yàn)闈崈羯a(chǎn)區(qū)，為滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，該區(qū)域需要365 d、全天24 h 將溫度控制在（22±1）℃，濕度控制在45%±5%，潔凈度為ISO 1.5 ～I(xiàn)SO 5.5。潔凈生產(chǎn)區(qū)的核心暖通設(shè)備采用新風(fēng)機(jī)組（Makeup Air Unit，MAU）+風(fēng)機(jī)過濾單元（Fan Filter Unit，F(xiàn)FU）+干式冷卻盤管（Dry Cooling Coil，DCC）的設(shè)計(jì)來保證潔凈室的溫濕度和潔凈度達(dá)標(biāo)。

其中，MAU 主要負(fù)責(zé)保證潔凈室的正壓以及濕負(fù)荷，確保潔凈室內(nèi)外壓差可控，同時(shí)對(duì)潔凈室內(nèi)濕度進(jìn)行精密控制；FFU 負(fù)責(zé)控制潔凈室空氣的潔凈度和各個(gè)工藝區(qū)之間的壓差；DCC 負(fù)責(zé)控制潔凈室的熱負(fù)荷，確保潔凈室內(nèi)溫度波動(dòng)在產(chǎn)線需求值之間。

因集成電路生產(chǎn)工藝需求，會(huì)不斷向室外排放產(chǎn)線廢氣，為確保潔凈室時(shí)刻保持不低于15 Pa 的正壓（相對(duì)室外），同時(shí)又為了確保潔凈室不會(huì)因?yàn)楸Ｕ龎盒嘛L(fēng)的大量融入導(dǎo)致潔凈室溫濕度參數(shù)失衡，在實(shí)際設(shè)置新風(fēng)機(jī)組時(shí)，要求出風(fēng)設(shè)置采用等焓送風(fēng)的方式。為了確保新風(fēng)的等焓送風(fēng)，新風(fēng)機(jī)組需要對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行顯熱、潛熱等多類別處理，使用5 ～12 ℃的冰水和18 ～22 ℃的中溫水，同時(shí)設(shè)置水洗等裝置。新風(fēng)機(jī)組風(fēng)量巨大，目前主流集成電路廠房的MAU新風(fēng)指標(biāo)基本在60 ～90 cm3/h，因此一個(gè)集成電路工廠維持潔凈室生產(chǎn)需要的新風(fēng)量維持在100 萬～300 萬cm3/h的數(shù)量級(jí)別[4]。如此大的新風(fēng)量做到溫濕度精密控制需要大量的能耗，因此在MAU 機(jī)組設(shè)計(jì)上可以采取以下多個(gè)節(jié)能方式。

（1）新風(fēng)機(jī)組的設(shè)置可以考慮不同工藝區(qū)之間共用備機(jī)，減少備機(jī)數(shù)量，在減少初投資的情況下有效減少維護(hù)備用機(jī)組帶來的能源消耗。

（2）新風(fēng)機(jī)組大量多功能段使用冰水、中溫水，因此新風(fēng)機(jī)房位置的設(shè)置可以考慮靠近冷凍站位置，減少空調(diào)水輸送需要的能源，同時(shí)對(duì)中溫水而言，可以考慮在冷凍站設(shè)置中溫冰機(jī)及中溫?zé)峄厥毡鶛C(jī)與冷機(jī)配套使用，也可以采用冰水和熱水在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行混水制取，起到良好的節(jié)能作用。

（3）新風(fēng)機(jī)組的風(fēng)機(jī)效率選擇需重點(diǎn)關(guān)注，優(yōu)先考慮直聯(lián)傳動(dòng)，采用四六級(jí)馬達(dá)設(shè)備，同時(shí)建議風(fēng)機(jī)及水泵全部采用變頻控制，確保按需投入。

（4）新風(fēng)機(jī)組的外殼要求采用保溫厚度不小于75 mm 板材進(jìn)行制作，新風(fēng)集風(fēng)管的板材采用50 mm 厚聚氨酯夾心彩鋼板，確保節(jié)能保溫效果。

FFU 系統(tǒng)分布在吊頂龍骨上，可以有效控制潔凈室的氣流狀態(tài)，從而確保集成電路產(chǎn)線生產(chǎn)需要的潔凈度及不同工藝制程區(qū)之間的壓差梯度。首先，在實(shí)際進(jìn)行FFU 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮應(yīng)用直流無刷電機(jī)，既能滿足風(fēng)機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，還能起到良好的節(jié)能效果。其次，根據(jù)集成電路產(chǎn)線要求特點(diǎn)建議將風(fēng)速控制在0.45 m/s 左右，將高效濾紙的高度控制為70 ～90 mm，在保證運(yùn)行有效期的前提下也能減少運(yùn)行阻力，提升節(jié)能效果。最后，可以通過群組化控制，在其控制系統(tǒng)上設(shè)計(jì)壓差控制傳感器，控制其群體及單臺(tái)的運(yùn)行頻率，在滿足潔凈室使用要求的前提下實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。通過采用上述運(yùn)行方式，既能夠滿足集成電路廠房潔凈室的工藝生產(chǎn)需求，又能夠起到良好的節(jié)能效果。

4.3 暖通設(shè)計(jì)與CFD 技術(shù)融合的節(jié)能探討

集成電路廠房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如上文描述，有空間高大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)線對(duì)溫濕度、壓差、潔凈度的要求極高。此外，集成電路廠房運(yùn)行能耗巨大，因此暖通設(shè)計(jì)即使存在局部小瑕疵，也可能造成每年上千萬的能源浪費(fèi)。

基于此，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)啟動(dòng)暖通設(shè)計(jì)與仿真模擬相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，同時(shí)可以控制運(yùn)轉(zhuǎn)期間的能耗。這項(xiàng)技術(shù)可以與集成電路工廠潔凈室生產(chǎn)線的需求做到高效精益的結(jié)合，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)開始使用的仿真技術(shù)主要是CFD 仿真模擬技術(shù)，個(gè)別高端項(xiàng)目采用暖通設(shè)計(jì)輔助模擬修正設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行，并獲得了不錯(cuò)的效果[5]。

CFD 仿真技術(shù)主要是在項(xiàng)目中進(jìn)行全廠區(qū)的暖通大氣流模擬，協(xié)助設(shè)計(jì)師完成廠區(qū)布局的最優(yōu)化和節(jié)能化。以CFD仿真控制集成電路廠房潔凈室氣流穩(wěn)定度及溫濕度為例，這個(gè)技術(shù)可以修正暖通設(shè)計(jì)中溫濕度、潔凈度不均勻的情況，從而協(xié)助調(diào)整干表冷器及高效風(fēng)機(jī)過濾單元的布置率?？梢詫?shí)現(xiàn)暖通設(shè)計(jì)的精細(xì)化，降低建設(shè)初投資，同時(shí)也降低廠房運(yùn)行后的能耗。

4.4 工藝廢氣冷熱量回收

集成電路廠房潔凈室內(nèi)的溫度長(zhǎng)期保持在（22±1）℃，濕度控制在45%±5%，同時(shí)因工藝生產(chǎn)需要，每小時(shí)從潔凈室內(nèi)向外部排出百萬立方的恒溫氣體。此類廠房設(shè)計(jì)上可以考慮利用此特點(diǎn)，合理規(guī)劃廢氣系統(tǒng)管線，有效節(jié)省非核心區(qū)的能耗，達(dá)到綠色節(jié)能的要求[6]。

5 結(jié)語

目前，集成電路廠房的市場(chǎng)建設(shè)需求巨大，能耗也非常大，因此無論是從宏觀能源危機(jī)的角度，還是從建筑節(jié)能的角度來看，都需要加強(qiáng)暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)方面的工作。在實(shí)際暖通節(jié)能設(shè)計(jì)方案的開展過程中，還應(yīng)充分結(jié)合集成電路廠房的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，明確設(shè)計(jì)原則，并細(xì)化各個(gè)部分的節(jié)能設(shè)計(jì)措施及策略，助力暖通空調(diào)節(jié)能效果得到穩(wěn)步提升，降低集成電路廠房的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。