半導(dǎo)體廠房無塵潔凈車間降低能耗的10個解決方案

       行業(yè)電子潔凈室廠房中都是微電子設(shè)備，這些設(shè)備的特點是工作信號電壓很低（一般只有10伏左右），抗干擾能力差，對防靜電的要求高，在設(shè)備運行中，產(chǎn)生的靜電干擾精密儀表正常工作狀態(tài)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失準(zhǔn)、產(chǎn)品及設(shè)備性能不穩(wěn)定；更為嚴(yán)重，就是直接導(dǎo)致器件不能操作，完全失去功能。

       無塵潔凈室需要建造，很大原因是因為在設(shè)計和建造工廠時，由于成本的考慮走捷徑，或者是因為方案設(shè)計不專業(yè)，造成了不合理的因素。由于無塵廠房工程方面，很多是一次性的投入，成本相當(dāng)高的，高效率的設(shè)計和高效率設(shè)備通常需要很大的前期投入，由于種種原因，造成很多“小處節(jié)約大處浪費”的所謂捷徑和削減成本，會造成工廠的運行性能降低和能耗增加。

       對已建成工廠的改建通常會陷入到毫無意義的經(jīng)濟漩渦當(dāng)中。升級的投資收回率通常比直接購買新設(shè)備要高很多。大部分工廠設(shè)備翻新的投資回收期不超過兩年。也就是說，通常投資收回率至少是50%，對照投資新的固定資產(chǎn)，則只有10%到15%（即投資回收期需要七年時間）。這些情況降低了企業(yè)的競爭力和投資股東的興趣。在今天高度發(fā)達的工業(yè)中，無塵車間運行和產(chǎn)品設(shè)計一樣需要改革。

下面合景凈化工程公司就新建廠房和現(xiàn)有工廠提供解決能效的10個技巧進行分析如下：

       一、低斷面風(fēng)速設(shè)計斷面風(fēng)速就是空氣處理部件中空氣經(jīng)過過濾器或者加熱/冷卻盤管的速度低斷面風(fēng)速（LFV）設(shè)計使用更大的空氣處理器和較小的風(fēng)機，從而降低空氣的流速，降低能耗和設(shè)備壽命成本。

       大部分工程師根據(jù)“經(jīng)驗”把空氣處理器設(shè)計成500英寸/分鐘。這樣的設(shè)計雖然節(jié)省時間，但是卻增加了運作費用。在低斷面風(fēng)速（LFV）設(shè)計中，使用更大的空氣處理器和更小的風(fēng)機，從而降低空氣的流速，降低能耗和設(shè)壽命成本。

       壓降決定了風(fēng)機的能量損耗。由“平方定則”可知壓降與速度下降的平方成正比。如果斷面風(fēng)速降低20%，那么壓降將下降36%；如果斷面風(fēng)速降低50%，壓降將下降四分之三。根據(jù)“立方定則”，風(fēng)機能耗的變化與流量變化的立方成正比。如果空氣流量降低50%，風(fēng)機能耗將下降88%。

       因此，較大尺寸的空氣處理器、較大的過濾器和盤管面積消耗較少的風(fēng)機能量，可以使用比較小的風(fēng)機和馬達。小風(fēng)機給空氣添加的熱量比較少，降低了冷卻的難度。厚度小的盤管更容易清洗、工作效率更高，所以冷凍水的溫度可以更高。過濾器在低斷面風(fēng)速情況下，工作效果更好、壽命更長。

       LFV設(shè)計減少了空氣和水的壓降，減小了冷卻盤管的帶水量。流線型設(shè)計，幾乎沒有尖角，從而使壓降減少10%到15%。LFV設(shè)計也可以把壓降降低四分之一。目標(biāo)是使能量損耗降低至少25%，減小變速風(fēng)機的大小。最優(yōu)的斷面風(fēng)速范圍是250-450英尺/分鐘，具體取決于使用情況和能量消耗。

       二、換氣次數(shù)潔凈室維持一定的空氣流量來保持清潔度和顆粒數(shù)

       流量根據(jù)每小時的換氣次數(shù)來確定，同時這也決定了風(fēng)機尺寸、建筑構(gòu)型和能量消耗。在保持潔凈度的前提條件下，空氣流速的降低可以降低建造及能耗成本。換氣次數(shù)降低20%就可以使風(fēng)機的尺寸降低50%。空氣潔凈度比節(jié)約能耗更重要，但是最新的研究成果已經(jīng)有降低潔凈成本的記載了。關(guān)于最佳換氣次數(shù)還沒有達成共識。許多原則都已過時，是建立在老觀念上，采用低效的空氣過濾器。調(diào)查顯示，ISO第5級標(biāo)準(zhǔn)的潔凈室推薦的換氣次數(shù)變化范圍是從250到700以上。

       美國的一所國家實驗室正在確定ISO第5級潔凈室的標(biāo)準(zhǔn)。研究顯示，實際換氣次數(shù)范圍是90到250――比操作規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)低很多，而且不會影響生產(chǎn)和潔凈度。因此建議ISO第5級潔凈室的換氣次數(shù)大約是200，保守的上限是300。

       三、馬達效率馬達消耗了潔凈室的大部分電能

       連續(xù)運轉(zhuǎn)的馬達每月消耗大量的電力。適當(dāng)?shù)靥岣咝?、適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)尺寸，在翻新后，經(jīng)濟效果多半是不錯的。效率增加幾個百分點，利潤就可增加。使用優(yōu)質(zhì)高效的馬達，不一定會花費太多。高效率意味著最小，在改變馬達的尺寸之前先盡量減小負荷。在輸出量變化時，利用變速驅(qū)動（VSD）可以提高操作效率。

       四、變速驅(qū)動的冷凍機變速驅(qū)動冷凍機能節(jié)省大量的能量和金錢

       許多潔凈室的設(shè)計人員和操作人員認為，沒有必要使用變速驅(qū)動冷凍機，因為負荷通常是恒定的，多級冷凍機機組通?？刂茷楦哓摵蛇\轉(zhuǎn)。但是負荷恒定的冷凍機通常工作在滿負荷以下。變速驅(qū)動冷凍機通常工作在全負荷的90%-95%以節(jié)省能量。一臺1000噸的冷凍機穩(wěn)定工作在滿負荷的70%，如果使用了變速驅(qū)動，每年就可節(jié)省兩萬到三萬美元。根據(jù)生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)，電能的價格是0.05美元/千瓦時，這樣大約一年就可以回收成本。

       多級冷凍機冷水式機組很少高負荷運轉(zhuǎn)。通常情況下，現(xiàn)場負荷通常不是正好匹配機組的能級變化。許多操作人員運行額外的冷凍機以求可靠，一旦某個冷凍機發(fā)生故障，其它的冷凍機可以立刻補充，接替其全部負荷，因此冷水式機組經(jīng)常是讓冷凍機在制冷能力的60%到80%運轉(zhuǎn)。

       在購買新冷凍機的時候，指定購買變速驅(qū)動冷凍機是劃算的。用變速驅(qū)動冷凍機可降低能耗，同時讓其他冷凍機可靠性運行。有許多的研究和實驗證明，變速驅(qū)動冷凍機的效果是很好的。二十多年來，變速驅(qū)動冷凍機制造廠商制造出更可靠性的產(chǎn)品，用在新建的和升級的潔凈工廠里面。

       五、雙溫度冷凍循環(huán)冷凍系統(tǒng)通常設(shè)計成可以承受最大負荷，不管最大負荷發(fā)生得是否頻繁

    流程中處于冷凍循環(huán)的冷凍水溫度，是由所有負荷中只占一小部分的極端熱負荷來確定，這只是許多情況中的一兩種。這會造成冷凍能力過剩，在負荷不足的情況下效率低下。當(dāng)供給的冷凍水的溫度較低時，冷凍機的工作效率也會很低。平均來說，冷凍水的供給溫度每增加一華氏度，冷凍器效率就提高一個百分點以上。如果劃分負荷，提供兩個不同溫度的冷凍水，那么工作效率將會更高。

       設(shè)計者可以使用并聯(lián)循環(huán)管路，將他們分成兩個子系統(tǒng)，這樣可以在需要最大冷量的時候，冷凍機可以工作在相對不很苛刻的條件下。設(shè)計人員可以使用并聯(lián)循環(huán)管路，將他們成兩個子系統(tǒng)，這樣可以在需要最大冷量的時候，冷凍機可以工作在相對不很苛刻的條件下。用專用冷凍機進行中等溫度的循環(huán)（例如55oF到65oF），它的運作是針對冷凍水的溫度進行優(yōu)化的，可以滿足工廠的大部分需要。另一個較小的高效冷凍機提供溫度較低的循環(huán)（例如：39oF到43oF），可以滿足負荷中要求苛刻的部分。

       這個方案可以迅速增加整個冷凍機機組的效率提高百分之二十五或更多。對于相同容量的冷凍機，高溫工作要比低溫工作花費小得多。

       六、冷卻塔的優(yōu)化高效冷卻塔通過降低冷凝水的供給溫度來提高冷凍機效率

       所有的冷卻塔都應(yīng)該并聯(lián)工作，在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷，效果卻達到最佳。從冷凍機中每輸出一噸冷凍水，一般的冷卻塔需要100瓦的能量。效率提高可高達十倍，例如采用更為接近入口、出口溫差、更有效的氣流設(shè)計、優(yōu)質(zhì)高效的配有變速驅(qū)動馬達的風(fēng)機、減少高度以限制泵的揚程以及增加填充面積（選擇大尺寸的塔）等。不同的外界空氣的濕溫度和冷卻水的供給溫度，這個溫差有所不同，應(yīng)該控制在3oF到5oF之間。所有的冷卻塔都應(yīng)該并聯(lián)工作，在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷卻達到最佳。

       許多任務(wù)廠使用多級塔，它們使用單速或雙速的風(fēng)機，并且把塔分成不同的階段。一個塔全速運轉(zhuǎn)直到負荷超過它的承受能力，然后另一個塔開啟，它工作在較低或較高的功率狀態(tài)。這個方案可以導(dǎo)致冷卻塔負荷出現(xiàn)較大的、不斷遞增的變化，頻繁地低于或者超過要求的額定值，從而出現(xiàn)鋸齒狀的能耗狀況，降低冷凍機的效率。

       因而所有的冷卻塔都應(yīng)該并行工作，在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷卻達到最佳。如果更多的塔在低速狀態(tài)下工作，使用變速驅(qū)動調(diào)節(jié)風(fēng)機的速度，隨負載變化而調(diào)整，根據(jù)“立方定律”，在較低的速度下風(fēng)機可以節(jié)省能量。工廠通常采用專門一個冷卻塔為每一個冷凍機供應(yīng)冷凝水。這種構(gòu)想不允許冷凍機利用冷卻塔并行運作。只有為冷凝水系統(tǒng)加上普通的集管才允許冷卻塔并行運行，不考慮冷卻要求。

       七、自由冷卻使用外面的空氣進行冷卻是經(jīng)濟的，在商業(yè)大樓得到廣泛采用

       另外一種 “自由冷卻”方案適用于需要恒定的冷凍水以及風(fēng)機盤管的系統(tǒng)，比如潔凈室。自由冷卻技術(shù)直接利用處在低溫或低濕度環(huán)境中的冷卻塔制造冷凍水，減少或取代冷凍機的使用。根據(jù)天氣的變化，使用自由冷卻系統(tǒng)可以把冷卻系統(tǒng)的耗能減少到十分之一（從0.5千瓦/冷噸減少到0.05千瓦/冷噸）。

       直接與工藝負荷進行熱交換，可以使自由冷卻技術(shù)利用（凈化工程）外面溫度較高的大氣，要比用在二級或者三級熱交換系統(tǒng)進行熱交換的時間長出若干個小時。由板式熱交換器分隔開來的冷卻水和冷凝水之間的溫差很接近（比如只有2oF）。當(dāng)溫度和濕度相當(dāng)?shù)蜁r，冷卻塔可以獨立運行，無需風(fēng)機。根據(jù)溫濕圖，很多地方每年有很多的時間都可以進行自由冷卻。

       八、熱量回收許多任務(wù)廠都要消耗大量的能量來制熱，同時又消耗更多的能量從工藝過程中移除“廢”熱，卻沒有把這兩個過程結(jié)合起來。回收的熱量可以用來預(yù)熱新風(fēng)，送風(fēng)再熱，以及其它用途。AHU預(yù)熱盤管可以用廢水預(yù)熱外來的空氣（在炎熱的天氣下也可預(yù)冷）。

       再熱盤管可以從空氣壓縮機或者冷凍機的冷凝器回水中回收廢熱，同時節(jié)省了冷凍機能量和鍋爐燃料。熱交換器可以使不能混合或者直接接觸的不同介質(zhì)進行熱量交換。

       九、變頻泵過去配備變頻驅(qū)動的設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，而且控制復(fù)雜，所以很多工程師和管理人員不愿意使用變頻驅(qū)動。

       可靠性比節(jié)能更重要，而老的變頻驅(qū)動可靠性差。最近十年中，變頻驅(qū)動可靠性提高了，價格降低了。許多關(guān)鍵系統(tǒng)現(xiàn)在都在使用變頻驅(qū)動。

       我們認為在潔凈室中的許多系統(tǒng)和各類的泵上使用變頻驅(qū)動是安全（凈化工程）和劃算的。實際上，可以證明考慮投資回收率卻不使用變頻驅(qū)動是不負責(zé)任的，因為其投資回收期不滿一年。冷凍水和冷凝水的泵系統(tǒng)流量變化較大，冷凍水和冷凝水系統(tǒng)有最小流量要求，基本上在50%到75%之間。根據(jù)“立方定則”，流量減少很小，就會產(chǎn)生可觀的能量節(jié)約。流量減少20%，就會產(chǎn)生幾乎50%的泵功率下降。

       大多數(shù)已知的冷凍水系統(tǒng)使用一級泵定流量/二級泵變流量設(shè)計，二級泵采用變頻驅(qū)動。使用變頻驅(qū)動時，所有冷凍水要使用雙道通閥，否則就失去使用變頻泵的意義了。新建工廠時，使用變流量一級泵系統(tǒng)，不再需要二級泵，節(jié)省了工程費用。運行適當(dāng)，這套簡單可靠的系統(tǒng)可以通過冷凍機中的冷凍水流量變化而節(jié)約大量能源。這項技術(shù)被冷凍機供應(yīng)商和各種專業(yè)協(xié)會所廣泛宣揚。

       十、離心式壓縮機空氣壓縮機的改進節(jié)約了大量能源

       離心式壓縮機是無油的，比螺桿式壓縮機的效率高很多。但是離心式壓縮機不能空轉(zhuǎn)，這使得他們在負載低的情況下效率很低。最有效和經(jīng)濟的辦法是離心式和螺桿式壓縮機兩者結(jié)合使用。選用離心機組滿足基本負荷，再用小一些的螺桿式機組滿足峰值負荷。壓縮機組應(yīng)該配有熱回收系統(tǒng)。

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