半導(dǎo)體廠房無塵潔凈車間降低能耗的10個(gè)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(diǎn)是工作信號(hào)電壓很低（一般只有10伏左右），抗干擾能力差，對(duì)防靜電的要求高，在設(shè)備運(yùn)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?yàn)樵谠O(shè)計(jì)和建造工廠時(shí)，由于成本的考慮走捷徑，或者是因?yàn)榉桨冈O(shè)計(jì)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(jì)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(fèi)”的所謂捷徑和削減成本，會(huì)造成工廠的運(yùn)行性能降低和能耗增加。

       對(duì)已建成工廠的改建通常會(huì)陷入到毫無意義的經(jīng)濟(jì)漩渦當(dāng)中。升級(jí)的投資收回率通常比直接購(gòu)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(duì)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(shí)間）。這些情況降低了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和投資股東的興趣。在今天高度發(fā)達(dá)的工業(yè)中，無塵車間運(yùn)行和產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(gè)技巧進(jìn)行分析如下：

       一、低斷面風(fēng)速設(shè)計(jì)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(jì)使用更大的空氣處理器和較小的風(fēng)機(jī)，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(yàn)”把空氣處理器設(shè)計(jì)成500英寸/分鐘。這樣的設(shè)計(jì)雖然節(jié)省時(shí)間，但是卻增加了運(yùn)作費(fèi)用。在低斷面風(fēng)速（LFV）設(shè)計(jì)中，使用更大的空氣處理器和更小的風(fēng)機(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)能量，可以使用比較小的風(fēng)機(jī)和馬達(dá)。小風(fēng)機(jī)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(zhǎng)。

       LFV設(shè)計(jì)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(jì)，幾乎沒有尖角，從而使壓降減少10%到15%。LFV設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)的換氣次數(shù)來確定，同時(shí)這也決定了風(fēng)機(jī)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(jī)的尺寸降低50%?？諝鉂崈舳缺裙?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(dá)成共識(shí)。許多原則都已過時(shí)，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(jí)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(guó)的一所國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在確定ISO第5級(jí)潔凈室的標(biāo)準(zhǔn)。研究顯示，實(shí)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(huì)影響生產(chǎn)和潔凈度。因此建議ISO第5級(jí)潔凈室的換氣次數(shù)大約是200，保守的上限是300。

       三、馬達(dá)效率馬達(dá)消耗了潔凈室的大部分電能

       連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的馬達(dá)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(jì)效果多半是不錯(cuò)的。效率增加幾個(gè)百分點(diǎn)，利潤(rùn)就可增加。使用優(yōu)質(zhì)高效的馬達(dá)，不一定會(huì)花費(fèi)太多。高效率意味著最小，在改變馬達(dá)的尺寸之前先盡量減小負(fù)荷。在輸出量變化時(shí)，利用變速驅(qū)動(dòng)（VSD）可以提高操作效率。

       四、變速驅(qū)動(dòng)的冷凍機(jī)變速驅(qū)動(dòng)冷凍機(jī)能節(jié)省大量的能量和金錢

       許多潔凈室的設(shè)計(jì)人員和操作人員認(rèn)為，沒有必要使用變速驅(qū)動(dòng)冷凍機(jī)，因?yàn)樨?fù)荷通常是恒定的，多級(jí)冷凍機(jī)機(jī)組通?？刂茷楦哓?fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。但是負(fù)荷恒定的冷凍機(jī)通常工作在滿負(fù)荷以下。變速驅(qū)動(dòng)冷凍機(jī)通常工作在全負(fù)荷的90%-95%以節(jié)省能量。一臺(tái)1000噸的冷凍機(jī)穩(wěn)定工作在滿負(fù)荷的70%，如果使用了變速驅(qū)動(dòng)，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(jià)格是0.05美元/千瓦時(shí)，這樣大約一年就可以回收成本。

       多級(jí)冷凍機(jī)冷水式機(jī)組很少高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。通常情況下，現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷通常不是正好匹配機(jī)組的能級(jí)變化。許多操作人員運(yùn)行額外的冷凍機(jī)以求可靠，一旦某個(gè)冷凍機(jī)發(fā)生故障，其它的冷凍機(jī)可以立刻補(bǔ)充，接替其全部負(fù)荷，因此冷水式機(jī)組經(jīng)常是讓冷凍機(jī)在制冷能力的60%到80%運(yùn)轉(zhuǎn)。

       在購(gòu)買新冷凍機(jī)的時(shí)候，指定購(gòu)買變速驅(qū)動(dòng)冷凍機(jī)是劃算的。用變速驅(qū)動(dòng)冷凍機(jī)可降低能耗，同時(shí)讓其他冷凍機(jī)可靠性運(yùn)行。有許多的研究和實(shí)驗(yàn)證明，變速驅(qū)動(dòng)冷凍機(jī)的效果是很好的。二十多年來，變速驅(qū)動(dòng)冷凍機(jī)制造廠商制造出更可靠性的產(chǎn)品，用在新建的和升級(jí)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(jì)成可以承受最大負(fù)荷，不管最大負(fù)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(fù)荷中只占一小部分的極端熱負(fù)荷來確定，這只是許多情況中的一兩種。這會(huì)造成冷凍能力過剩，在負(fù)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(shí)，冷凍機(jī)的工作效率也會(huì)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(gè)百分點(diǎn)以上。如果劃分負(fù)荷，提供兩個(gè)不同溫度的冷凍水，那么工作效率將會(huì)更高。

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

       這個(gè)方案可以迅速增加整個(gè)冷凍機(jī)機(jī)組的效率提高百分之二十五或更多。對(duì)于相同容量的冷凍機(jī)，高溫工作要比低溫工作花費(fèi)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(jī)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(dá)到最佳。從冷凍機(jī)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(dá)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(jì)、優(yōu)質(zhì)高效的配有變速驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的風(fēng)機(jī)、減少高度以限制泵的揚(yáng)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(gè)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(dá)到最佳。

       許多任務(wù)廠使用多級(jí)塔，它們使用單速或雙速的風(fēng)機(jī)，并且把塔分成不同的階段。一個(gè)塔全速運(yùn)轉(zhuǎn)直到負(fù)荷超過它的承受能力，然后另一個(gè)塔開啟，它工作在較低或較高的功率狀態(tài)。這個(gè)方案可以導(dǎo)致冷卻塔負(fù)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(jī)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(dá)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(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度，隨負(fù)載變化而調(diào)整，根據(jù)“立方定律”，在較低的速度下風(fēng)機(jī)可以節(jié)省能量。工廠通常采用專門一個(gè)冷卻塔為每一個(gè)冷凍機(jī)供應(yīng)冷凝水。這種構(gòu)想不允許冷凍機(jī)利用冷卻塔并行運(yùn)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(yùn)行，不考慮冷卻要求。

       七、自由冷卻使用外面的空氣進(jìn)行冷卻是經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(fù)荷進(jìn)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(jí)或者三級(jí)熱交換系統(tǒng)進(jìn)行熱交換的時(shí)間長(zhǎng)出若干個(gè)小時(shí)。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(shí)，冷卻塔可以獨(dú)立運(yùn)行，無需風(fēng)機(jī)。根據(jù)溫濕圖，很多地方每年有很多的時(shí)間都可以進(jìn)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(shí)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(gè)過程結(jié)合起來?；厥盏臒崃靠梢杂脕眍A(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(jī)或者冷凍機(jī)的冷凝器回水中回收廢熱，同時(shí)節(jié)省了冷凍機(jī)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(jìn)行熱量交換。

       九、變頻泵過去配備變頻驅(qū)動(dòng)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(dòng)。

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

       我們認(rèn)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(dòng)是安全（凈化工程）和劃算的。實(shí)際上，可以證明考慮投資回收率卻不使用變頻驅(qū)動(dòng)是不負(fù)責(zé)任的，因?yàn)槠渫顿Y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(huì)產(chǎn)生可觀的能量節(jié)約。流量減少20%，就會(huì)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(jí)泵定流量/二級(jí)泵變流量設(shè)計(jì)，二級(jí)泵采用變頻驅(qū)動(dòng)。使用變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(shí)，使用變流量一級(jí)泵系統(tǒng)，不再需要二級(jí)泵，節(jié)省了工程費(fèi)用。運(yùn)行適當(dāng)，這套簡(jiǎn)單可靠的系統(tǒng)可以通過冷凍機(jī)中的冷凍水流量變化而節(jié)約大量能源。這項(xiàng)技術(shù)被冷凍機(jī)供應(yīng)商和各種專業(yè)協(xié)會(huì)所廣泛宣揚(yáng)。

       十、離心式壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)的改進(jìn)節(jié)約了大量能源

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

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