洁净室空调的节能

同济大学暖通空调及燃气研究所

徐文华
2009年9月

关键词：洁净室 空调能耗 节能措施

内容：

1.概述
2.洁净室空调的能耗特点
3.洁净室空调的节能技术措施
4.结语
5.参考文献
6.相关阅读

1.概述

1.1洁净室的应用与发展

·应用领域广泛

    微电子、平板显示器、精密加工、精细化工、生物制品与生物安全、医疗、医药、食品、化妆品...

·规模巨大

    大型洁净厂房中洁净区的面积可达数万平米

·对环境的要求越来越高

    粒子浓度、AMC、静电、微震动...

·净化空调的作用至关重要

1.2洁净室空调的能耗情况

    我国几个洁净室的能耗统计^[1] 见下表：

·洁净室能耗统计的部分数据^[1] ：

·能耗为一般办公建筑的10～30倍

·8寸芯片厂1.86KW/㎡，12寸芯片厂2.88KW/㎡

·5代TFT厂0.98KW/㎡，6代TFT厂1.66KW/㎡

·其中空调通风及冷热源能耗约占40～70%

1.3其他专业对洁净室空调能耗的影响

·周边环境
·厂区规划
·工艺
·人物流
·维护结构形式及材料
·施工
·操作规程

    ——空调节能不是空调专业一家的事情

1.4洁净室空调的节能潜力很大

·总能耗高意味着即时节能比例不大但实际节能效果很可观

·节能管理或改造所需投资与生产线投资与运行费用相比很小

·许多企业实施节能改造与加强节能管理后收益明显^[2]

·政府与主管部门支持力度很大

2.洁净室的能耗特点

2.1空调负荷结构与普通空调有明显差别

·空调主要设备分为：

    新风负荷、室内负荷（照明、设备、人员）、维护结构传热负荷。洁净室的维护结构传热负荷占比例很小，但新风负荷、空气输送负荷（风机温升）比例大

下表：

不同级别净化空调负荷组成比例

对更高级别的垂直单向流洁净室^[3] ：

·对换气次数达400～500次/h，风机全压达1000～1500Pa，采用集中送风系统的风机温升负荷为500～700W/㎡

·由于工业排风量大，新风负荷按不同工艺要求可达400～800W/㎡

·维护结构、人员与照明三项负荷不到空调总负荷的10%

2.2系统风量大、阻力高，输送能耗大

·数十到数百次的换气次数

·三级甚至更多的过滤器级别配置

·新风及排风处理要求高

2.3运行时间长

·16～24小时连续运行

·非生产期间值班运行

2.4全年需要供冷

    ...

2.5送风温差小，再热负荷大

·大风量导致送风温差小，一次回风系统需要再热，再热量可能远大于室内负荷

见下图：

一次回风系统空气处理过程

3.洁净室空调的节能技术措施

    普通空调节能的所有技术措施原则上也适用于洁净室空调，但净化空调还有自身的特殊性

3.1合理确定换气次数

·室内空气洁净度与室外大气含尘浓度、过滤器配置级别、气流组织形式、室内发尘量及换气次数等众多因素有关，盲目增加换气次数没有意义

·高级别的洁净室（如ISO5级）在实际工程中也有采用非单向流的形式

3.2尽可能运用短循环降低空气输送能耗

见下图：

小型洁净室

大型洁净厂房

3.3利用微环境降低系统能耗

见下图：

微环境与常规洁净室的对比示意图

以某个微环境ISO1级+ISO7及背景环境系统的洁净厂房为例，与传统方式相比^[4] ：

·净化空调系统及厂房的总能耗均减少近80%
·造价减少1400美圆/㎡
·同时获得更灵活的工艺适应性和更高的成品率

3.4利用二次回风降低再热负荷

见图：

新风集中处理一次回风

自带新风一次回风

自带新风二次回风

·采用二次回风并不一定能完全取代再热，但可以减少再热量

以某制药厂风量为19965m³/h，新风比为20%，全压为300pa的空调机组夏季工况为例^[5] ：

·采用二次回风比一次回风降低能耗34.6%

·不仅减少了再热造成的冷热抵消额外能耗，一次风量的减少还可减小空调机组的表冷器有效面积，减低了材料消耗与造价

·对于洁净度要求更高的洁净室，由于高换气次数、小送风温差，一次回风系统再热负荷更大，采用二次回风节能效果更明显

图：洁净手术间两次回风空调系统示意图

3.5热回收及排风再利用

·排风热回收、冷水机组冷凝热回收

·工艺排热利用

·工艺排风循环利用

图：含有害气体的排风热回收^[1]

图：含有害粉尘的排风净化后循环利用

3.6温湿度独立控制、非冷冻除湿技术

·由于工艺排风及正压要求，洁净室的新风量较大，新风负荷大

·除湿负荷通常是新风负荷的主要组成

·常规的冷冻除湿能耗大，应利用其他非冷凝除湿技术（固体、液体除湿），利用废热再生除湿剂

3.7变频控制

·风机、水泵的变频控制，减少输送能耗

·定风量系统也可能需要风机变频

3.8免费供冷、供热

免费：不启用人工冷热源的供冷与供热

·过度季及冬季用冷却水供冷

·过度季及冬季用新风供冷

3.9 选用高效节能的冷热源及系统形式

·采用能效比高的冷热源主机

·采用不同冷冻水出水温度的组合冷源

·采用大温差系统

·“新”能源与“新”系统形式（例如水源、地源热泵系统；太阳能辅助系统等）的应用

3.10加强监控与运行管理

·合理设置各项室内环境控制参数

·能耗的计量及相关仪表和系统

·运行调控、相关控制部件和自控系统

·设备、部件与系统的维护保养

·能耗管理机构、制度、人员、责任制

3.11其他措施

·必要的设备和系统更新 风冷改水冷、直流电机FFU、换新主机等

·对工艺设备及流程提出合理改进 开放式污染源改封闭或半封闭等

·提供维护结构的气密性

...

4.结语

4.1注意避免节能效果评价的一些误区

1) 关于泵与风机变频的节能效果

·泵与风机定律：

只适用于相似工况（管网不作调节的简单系统）

·实际泵与风机能耗 N=L×P/η 流量改变时扬程并不按上诉规律相应改变

2)关于排风回收热的节能效果

·热回收装置的理论效率 显热效率 全热效率

·实际回收效益还需考虑：

    采用热回收装置后增加的系统能耗（过滤器、管路系统等）、室外气候条件变化的影响、热回收装置性能的衰减、过度季节旁通等

·不能简单比较回收热量与回收系统能耗

3)关于蓄能（冰蓄能、水蓄热蓄冷）技术的节能性

·对于用户而言，采用蓄能技术可能运行费用但不节能

    蓄冰系统可以采用大温差系统降低输送能耗，但主机的制冷量及能耗效率系数都会降低
    蓄能过程伴随能量损耗
    系统复杂增加能耗
    运行费用的节省取决于当地分时电价及政策

·对电厂而言，提高了负荷低谷阶段的发电效率可以节能减排

·要认真做好技术经济分析比较

4.2节能工作是科学问题、技术问题、工程实际问题

·必须认真诊断、设计、施工、调试、运行管理才能取得实效

·节能效益与投资回收期的评价与计算要科学、合理、细致、全面

·要考核实际的节能减排效果，而不是理论分析计算的书面数字

·要转变净化空调强调产品过程的质量和安全而忽视能耗的老观念

参考资料

[1]陈霖新.洁净室与节能.2008中国国际洁净技术论坛文集.苏州.2008
[2]上海市集成电路行业协会.上海市集成电路产业节能减排经验汇编.上海.2009
[3]张利群.电子工程高级别洁净室的建造特点.第十届中国国际洁净技术论坛文集.苏州.2007
[4]姜伟康等.微电子工业与洁净技术的发展.洁净与空调技术.北京.2005-5
[5]魏云娟.一次回风系统和二次回风系统的比较实例.洁净与空调技术.北京.2008-3

本文由同名PPT讲义摘录而成。

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