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半导体厂房空调系统节能研究

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摘要：在社会和经济发展过程中，许多领域对半导体的需求不断增加，半导体行业发展速度不断加快，但是半导体生产需要大量的电力能源，为降低电能消耗，控制生产成本，许多企业积极建设洁净厂房。本文围绕半导体厂房空调系统节能展开讨论，根据半导体厂房环境质量需求，实施有效的空调节能措施，有助于降低电能的消耗。

Abstract： In the process of social and economic development， the demand for semiconductors in many fields is increasing， and the development speed of the semiconductor industry is accelerating. However， semiconductor production requires a large amount of electrical energy. In order to reduce electrical energy consumption and control production costs， many companies are actively building clean factories. This article discusses the energy saving of the air-conditioning system of semiconductor plants. According to the environmental quality requirements of semiconductor plants， the implementation of effective air-conditioning energy-saving measures can help reduce the consumption of electrical energy.

关键词：半导体;厂房;空调系统;节能研究

Key words： semiconductor;plant;air-conditioning system;energy saving research

中图分类号：TU831 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2020）15-0233-02

0 ?引言

提高半导体厂房空调系统的节能水平，需要在洁净室中进行相关研究，包括洁净室气流组织、洁净室高耗能原因分析以及洁净室节能方案分析等，通过分析获得空调系统节能参数，同时结合半导体厂房实际消耗电能，综合调控空调系统，从而获得良好的节能效果，以便控制运行成本，获得更好的经济效益。

1 ?洁净空调系统节能分析

1.1 洁净室技术介绍

半导体厂房需要在较高质量的环境中生产半导体，通过洁净室模拟实际生产环境，分析洁净室内的灰尘、有害气体等物质，并实施有效的措施，有效控制洁净室的洁净度。在通过洁净室对空调系统进行节能分析时，需要满足以下三个条件，一是防止微粒进入到洁净室，二是防止微粒堆积，三是及时快速的清理微粒。

根据洁净室系统原理，新风由管道进入到初始过滤器，经过温湿度处理设备以及中效过滤器，可以保证洁净室内空气质量符合实验要求。在洁净室系统运行过程中，需要使用到洁净室维护结构、空调净化系统以及附属设备。

在洁净室内应用空气洁净技术，可以与传统的空调系统进行对比，对比内容如下：①洁净空调满足生产工艺过程中空气参数、室内环境等要求，而民用空调满足人员舒适度的要求;②空气参数及室内环境对比，洁净空调实现温度、湿度控制，精度要求高，满足洁净度要求，民用空调无法精准控制洁净度;③主要冷负荷对比，洁净空调设备具备散热以及产生新风热量等功能，民用空调具有维护结构热量功能;④送风量和回风量对比，洁净空调必须满足换气次数，并且每次换气产生较大的风量，民用空调需求量较小。

对洁净室洁净度等级需求进行分析，按照国际标准，洁净室内中等级粒子允许最大浓度，由公式C2≈10N（D/d）2.08，在公式中C2代表粒子最大允许浓度，单位为pc/m3，N代表洁净度等级，D代表基本参考粒径，d代表被考虑的粒径。结合公式计算半导体材料生产时厂房空气洁净度等级，若采用拉单晶生产工艺，空气洁净度等级在4-5个0.3um范围内，若采用切、磨、抛生产工艺，空气洁净度等级在5-7个0.3um范围内。

1.2 洁净室气流组织

洁净室气流组织按照单向流洁净室、非单向流洁净室、矢流洁净室等组织形式进行分析。在单向流洁净室气流组织内，充分利用该组织特点，包括：①在均压流作用下，洁净室内空气断面流速处于均压状态;②在单向流洁净室内产生侧向吹风，可以保证气流断面处于正常状态;③在单向洁净室内设置涡流设备。单向洁净室运行原理，是在洁净室内建立高效过滤器顶棚，洁净空气由顶棚传入到室内，通过回风道将污染空气排出潔净室。非单向流洁净室称为乱流洁净室，在室内产生的气流组织，可以分为顶送顶回、顶送侧下回以及侧送测回等。矢流洁净室具有排出室内颗粒、净化空气的功能，并且还具有以下特点：①流线间横向扩散能力较弱，但是会在送风口上端，产生反向气流，有助于排出室内的污染空气;②在洁净室的下风侧和两侧，会产生辐流涡流区，可以消除流向方向产生的回风。基于矢流洁净室具有的辐流功能，可以将洁净室内的洁净度提高至100级，并且造价较低，广泛应用在半导体厂房。

1.3 洁净室高耗能原因分析

在洁净室运行过程中，会消耗较多的电能，通常情况下洁净室空调系统消耗的电能，是普通空调系统的15倍，引发洁净室高耗能的原因有以下几点：①半导体厂房需要较高的洁净度，并且在生产状态下，需要较多的空气，同时增加换气次数。在洁净空调系统运行过程中，通常需要2-3级过滤方法，而在每次过滤空气过程中，产生的阻力会影响到进风量，需要提高风机功率，才能消除产生的阻力。此外按照ISO6级标准，设定洁净室面积为96m2，高为3m，采用垂直单向气流组织通风方式，每小时内换气次数在300-400次范围内，从而消耗较多的电能;②为提高半导体生产质量，获得良好的半导体，需要将洁净室内的湿度和温度控制在稳定的状态，通常情况下湿度控制在35%-55%范围内，温度控制在23℃±2℃范围内，将上述参数控制在稳定的状态，需要空调系统具备较高的制冷和制热功能，从而消耗较多的电能;③通常情况下半导体厂需要24小时生产，空调系统会按照7×24小时的工作制保持在运行状态。为降低洁净室空调系统电能消耗，一般采用以下节能方式：①采用变风量运行模式;②尽量减少风机温升负荷;③提高设备效率以及降低功率消耗;④控制合适的新风量;⑤采用蓄冷方式。

1.4 洁净室节能方案分析

洁净室节能方案分析，主要分析洁净室气流组织节能、洁净室空气处理节能以及洁净室冷源系统节能。洁净室气流组织节能进行分析，可以利用组织阻止外界灰尘进入到洁净室内，并且有效去除室内粉尘，还能控制气流速度，保证洁净室内洁净度满足生产需求。洁净室空气处理节能分析，通常采用两种空气处理方法，一是集中式空气处理方法，二是分散式空气处理方法。洁净室冷源系统节能具有以下特点，根据半导体生产要求，将生产环境的温度控制在23℃±2℃范围内，需要冷水机组、循环水泵节能装置以及冷却塔节能装置。

2 ?洁净空调系统节能综合分析

2.1 冷水系统节能分析

以某半导体企业为例，该企业具有万级洁净室4个，十万级洁净室6个，可以独立完成二极管、三极管封装生产。在每个洁净室厂房内，都配有电力系统、水系统、其它系统以及暖通空调系统，在车间内使用上送上回、上送侧回两种气流组织形式。通过对洁净室每个测点的温度值进行分析，通常情况下温度在23.1℃-25.2℃范围内。参照全厂用电情况，单月最大用电量为1067820kWh，最小用电量为585690kWh。最大用电量集中在夏季，此时空调系统制冷过程中消耗较多的电能。

2.2 冷水机组节能分析

该企业生产半导体过程中，整个厂区配置两台冷水机组，制冷能力分别为200吨和500吨，其中500吨为离心式冷水机组，运行功率为328kW。在夏季500吨冷水机组满负荷运转，进入到冬季，500吨冷水机组80%处于运行状态。为降低机组的电能消耗，并且提高机组的运行效率，根据公式IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.0%×D，在公式中A代表100%满负荷性能系数、B代表75%负荷性能系数、C代表50%负荷性能系数、D代表50%负荷性能系数。

2.3 水泵变频节能及意义分析

该厂在生产半导体过程中，厂房内配置循环水泵，并按照一用一备的原则，需要四台循环水泵。水泵选用上海上泵集团生产的，该水泵型号为ISGR150-315，流量为每小时200m3，扬程为32m，有效轴功率为22.1kW。在水泵运行过程中，若转速保持在100%状态，节电率为0，若转速为50%时，节电率为87.5%。结合公式30kW·h×27.1%=8.13kW·h，一臺水泵按照全年300天计算，全年节电量费用为58536元，可以获得充分的节能功效。在洁净室气流组织设计过程中，应根据温度和湿度要求，通过调节厂房空调系统，并且对变频系统进行改造，同时加强厂房管理，针对运行中存在的问题实施解决措施，最大程度控制空调系统的电能消耗，使空调系统保持在最佳的运行状态。

2.4 半导体工厂节能措施分析

在半导体生产中，应当分析其设备的特性，例如洁净室内冷负荷增大，排气量增大等从而应该对用电量进行考虑，降低设备的待机状态，降低用电量。把握排气量与真空的要求，做好匹配及值之间的误差，避免铺张浪费的事情，如在清洗装置的过程中，降低消耗水的量，二次侧配管时则应降低循环管的排水量，从而达到节能的要求。

3 ?结语

综上所述，在半导体厂家生产过程中，通过洁净室空调系统节能研究发现，既要提高厂房空调器利用率，还要降低电能的消耗，需要厂房根据实际生产需求，运用科学合理的送风方法，并且分析冷水系统节能、冷水机组节能以及水泵变频节能等，有助于充分发挥空调的节能作用，为半导体企业生产降低运行成本，并且获得更多的经济效益。

参考文献：

[1]张惠泉，赵建忠.我国半导体产业现状及对新一轮发展的思考[J].中国集成电路，2005（5）：52.

[2]张利群.对高级别洁净厂房空调设计的探讨[J].洁净与空调技术，2004（2）：329.

[3]黄振凯.关于洁净室设计中的若干问题[J].四川建筑，2004（3）：898.

作者简介：董学鑫（1985-），男，河南濮阳人，本科，研究方向为洁净室空调技术及科研管理。

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