暖通空调节能设计在集成电路厂房中的应用分析

刘亚均

集成电路厂房属于特殊的建筑工业厂房，主流采用“三明治”Ball Room 洁净车间设计方案，内部空间大、建筑能耗高，且对洁净度、温度、湿度、压差、静电以及气态分子级污染物等有着较高的要求。同时集成电路厂房在生产过程中会产生大量废气，因此需要在保证洁净室正压及各项参数不变情况下确保高效排放，基于此，其新风的需求量也非常大。有效加强暖通空调的节能设计，才能在有效满足集成电路生产的同时，降低集成电路厂房的运行成本。因此有必要对暖通空调节能设计在集成电路厂房中的应用进行探索，提出一些具体的设计应用方法与措施，使暖通空调设计节能效果得到提高，从而降低厂房运行能耗，节约更多集成电路生产成本，推动集成电路生产行业实现更好发展。

1 加强暖通空调节能设计的必要性

首先，从宏观层面来看，在经济全球化的时代背景下，能源危机已成为全球面临的重要问题，节能降耗必然是未来的发展趋势之一[1]。由于暖通空调本身能耗较大，因此必须要加强节能设计，降低暖通能耗，提高能源利用效率，有利于缓解当前国内面临的能源压力。

其次，从能源利用的角度来看，相较于发达国家，我国在能源利用方面依然存在一定的差距，具体表现在以下几方面：一是能源利用效率低；二是优质能源供应低；三是可再生能源开发利用低。同时，我国是一个典型的“多煤少油”国家，优质能源本身较少，且很容易造成严重的环境污染。因此必须要注重加强暖通空调的节能设计，提升能源的利用效率，从而改善我国能源利用效率低下的问题。

最后，从集成电路自身产业环境及现代社会的需求情况看，我国每年在集成电路行业的贸易逆差达到近4 000 亿美元，超越石油进口且在保持高位增长。在国家政策性的支持下，从2015 年开始，我国在集成电路工厂上的建设投资平均每年约达5 000 亿人民币。目前，集成电路厂房的单座能耗为4 万～10 万kVA，其中维持产线使用暖通设施的耗能约占整个厂房能耗的20%，因此必须要加强对建筑暖通空调的节能设计，合理减少暖通空调系统运行带来的能耗，从而显著提升整体建筑的能源利用率，降低建筑能耗。

2 集成电路厂房特点

集成电路厂房有以下特点：（1）平面不固定，需要结合实际生产工艺需求，实施高差错层等针对性设计；（2）厂房内部结构高大，一般采用筏板+华夫孔结构+Truss 设计相结合的方式，结构及空间构造复杂；（3）为满足实际生产需求，集成电路厂房设备与工艺物资输送系统复杂，多达150 多种各类管线交叉；（4）在集成电路厂房内，生产设备数量较多且体积较大，同时，厂房内核心洁净生产区的跨度达到40 ～60 m；（5）集成电路厂房的屋面节能设计非常重要，对屋面排水、防水、保温、隔热等有着较高的要求；（6）集成电路厂房的整体能耗高，生产设备发热量大，洁净生产区发热量根据产线的每个工艺制程节点不同，基本维持在350 ～1 000 W/m2；（7）从生产角度来看，集成电路厂房以生产集成电路元器件为主，这些产品对温度、湿度、洁净度等比较敏感。因此在实际进行暖通空调设计时，必须要加强对上述因素的控制，要求全年温度在（22±1）℃，湿度控制在45%±5%，洁净度为ISO 1.5 ～ISO 5.5。此外，在集成电路厂房风量控制方面，还应注重加强洁净室的空气清洁度与湿热平衡。

3 集成电路厂房中暖通空调节能设计原则

3.1 节能降耗原则

集成电路厂房在实际生产时，为了提升集成电路器件的生产质量，必须要严格控制洁净室内的温度、湿度、洁净度以及压差等参数，因此空调系统是全年不停供的状态，暖通设备长时间持续运转，实际消耗的能源巨大，不利于系统节能[1]。基于此，在实际进行集成电路厂房暖通空调设计时，应遵循节能降耗原则，在满足集成电路厂房种种生产环境的条件下，加强节能降耗的合理设计，有效降低暖通空调系统的能耗，通过合理的节能设计减少集成电路厂房的生产成本。

3.2 因地制宜原则

在集成电路厂房中进行暖通空调节能设计还应遵循因地制宜原则。一方面，需结合集成电路厂房的实际生产情况，加强与建筑专业的配合，提高暖通空调设计的科学合理性，更好地彰显厂房节能的效率，使厂房布置更加满足暖通空调系统节能设计的需要[2]。另一方面，在实际进行暖通空调节能设计时，还应考虑集成电路厂房实际的气候条件，进行针对性设计，合理利用外部热源、新风等，提升暖通空调的节能效果。

3.3 科学规范原则

在集成电路厂房进行暖通空调节能设计的过程中，还应结合实际生产情况，明确厂房不同生产区域的制冷、供暖、通风、废气有序排放等需求，严格遵循科学规范的原则，在国家相关规范的指导下加强暖通空调的节能设计，使其既满足集成电路厂房的生产需求，又能够起到良好的节能效果。另外，在实际进行集成电路厂房暖通空调系统设计的过程中，还应融入以人为本的设计理念，为厂房内工作人员提供一个更好的生产环境，从而促使暖通空调在集成电路生产中发挥出更大的作用价值。

4 集成电路厂房中暖通空调节能设计应用分析

4.1 冷冻站节能设计探讨

在集成电路厂房冷冻站的设计中，应优先考虑冷冻机组和冷藏机组的搭配使用，有条件的情况下还可以应用中温热回收技术，确保能耗配比的最优化，同时在冷却水系统的设置上要重点关注冷却塔的水力平衡，有效提升能耗价值，并关注冷却塔出入口水温差与风机变频之间的联动。

冰机选择上，应优先考虑降低冷凝器与蒸发器之间的压力差，以冷冻水出口温度与冷却水入口温度的差值作为设计参考数据，结合实际生产要求，合理提升冷冻水出口温度，降低冷却水入口温度，可以起到良好的节能作用。

为了加强对热量的充分利用，在设计时应选择气候补偿方式。通过结合集成电路厂房外部气候温度的变化及室内供暖的需求，先提前完成室内温度设置，然后再通过安装气候补偿器完成供水温度的自动化控制，从而对厂房供热系统的供水温度进行气候补偿，起到良好的节能降耗作用。在这一过程中，需安装智能控制节能阀和气候补偿器，实现按需供暖[3]。

在厂房室外气候出现变化时，可通过传感器将室外温度的变化实时传递给气候补偿器，气候补偿器迅速响应，结合预先设置好的调节关系曲线，向三通阀输出调节信号，改变供回水的混合比例，确保供水温度能够满足生产需求，不会造成多余热量浪费，保证室内供暖正常运行。总而言之，气候补偿器能够有效结合室外环境温度变化，灵活进行一次供回水侧冷/热媒流量的调整，以此来控制出水/送风温度，不仅可实现一次侧供水流量的自动调整，还能够间接控制二次侧供水温度，在满足室内供暖需求的同时，利用外界的气候温度变化保障室内温度的稳定性，节能效果明显。

4.2 核心洁净生产区的暖通节能设计

在集成电路厂房中，最核心的区域为洁净生产区，为满足实际生产要求，该区域需要365 d、全天24 h 将温度控制在（22±1）℃，湿度控制在45%±5%，洁净度为ISO 1.5 ～ISO 5.5。洁净生产区的核心暖通设备采用新风机组（Makeup Air Unit，MAU）+风机过滤单元（Fan Filter Unit，FFU）+干式冷却盘管（Dry Cooling Coil，DCC）的设计来保证洁净室的温湿度和洁净度达标。

其中，MAU 主要负责保证洁净室的正压以及湿负荷，确保洁净室内外压差可控，同时对洁净室内湿度进行精密控制；FFU 负责控制洁净室空气的洁净度和各个工艺区之间的压差；DCC 负责控制洁净室的热负荷，确保洁净室内温度波动在产线需求值之间。

因集成电路生产工艺需求，会不断向室外排放产线废气，为确保洁净室时刻保持不低于15 Pa 的正压（相对室外），同时又为了确保洁净室不会因为保正压新风的大量融入导致洁净室温湿度参数失衡，在实际设置新风机组时，要求出风设置采用等焓送风的方式。为了确保新风的等焓送风，新风机组需要对室外新风进行显热、潜热等多类别处理，使用5 ～12 ℃的冰水和18 ～22 ℃的中温水，同时设置水洗等装置。新风机组风量巨大，目前主流集成电路厂房的MAU新风指标基本在60 ～90 cm3/h，因此一个集成电路工厂维持洁净室生产需要的新风量维持在100 万～300 万cm3/h的数量级别[4]。如此大的新风量做到温湿度精密控制需要大量的能耗，因此在MAU 机组设计上可以采取以下多个节能方式。

（1）新风机组的设置可以考虑不同工艺区之间共用备机，减少备机数量，在减少初投资的情况下有效减少维护备用机组带来的能源消耗。

（2）新风机组大量多功能段使用冰水、中温水，因此新风机房位置的设置可以考虑靠近冷冻站位置，减少空调水输送需要的能源，同时对中温水而言，可以考虑在冷冻站设置中温冰机及中温热回收冰机与冷机配套使用，也可以采用冰水和热水在现场进行混水制取，起到良好的节能作用。

（3）新风机组的风机效率选择需重点关注，优先考虑直联传动，采用四六级马达设备，同时建议风机及水泵全部采用变频控制，确保按需投入。

（4）新风机组的外壳要求采用保温厚度不小于75 mm 板材进行制作，新风集风管的板材采用50 mm 厚聚氨酯夹心彩钢板，确保节能保温效果。

FFU 系统分布在吊顶龙骨上，可以有效控制洁净室的气流状态，从而确保集成电路产线生产需要的洁净度及不同工艺制程区之间的压差梯度。首先，在实际进行FFU 设计时，应优先考虑应用直流无刷电机，既能满足风机高效运转，还能起到良好的节能效果。其次，根据集成电路产线要求特点建议将风速控制在0.45 m/s 左右，将高效滤纸的高度控制为70 ～90 mm，在保证运行有效期的前提下也能减少运行阻力，提升节能效果。最后，可以通过群组化控制，在其控制系统上设计压差控制传感器，控制其群体及单台的运行频率，在满足洁净室使用要求的前提下实现高效节能。通过采用上述运行方式，既能够满足集成电路厂房洁净室的工艺生产需求，又能够起到良好的节能效果。

4.3 暖通设计与CFD 技术融合的节能探讨

集成电路厂房的结构特点如上文描述，有空间高大、结构复杂的特点，同时产线对温湿度、压差、洁净度的要求极高。此外，集成电路厂房运行能耗巨大，因此暖通设计即使存在局部小瑕疵，也可能造成每年上千万的能源浪费。

基于此，行业内已经启动暖通设计与仿真模拟相结合的方式来实现精准设计，同时可以控制运转期间的能耗。这项技术可以与集成电路工厂洁净室生产线的需求做到高效精益的结合，行业内已经开始使用的仿真技术主要是CFD 仿真模拟技术，个别高端项目采用暖通设计辅助模拟修正设计的方式进行，并获得了不错的效果[5]。

CFD 仿真技术主要是在项目中进行全厂区的暖通大气流模拟，协助设计师完成厂区布局的最优化和节能化。以CFD仿真控制集成电路厂房洁净室气流稳定度及温湿度为例，这个技术可以修正暖通设计中温湿度、洁净度不均匀的情况，从而协助调整干表冷器及高效风机过滤单元的布置率。可以实现暖通设计的精细化，降低建设初投资，同时也降低厂房运行后的能耗。

4.4 工艺废气冷热量回收

集成电路厂房洁净室内的温度长期保持在（22±1）℃，湿度控制在45%±5%，同时因工艺生产需要，每小时从洁净室内向外部排出百万立方的恒温气体。此类厂房设计上可以考虑利用此特点，合理规划废气系统管线，有效节省非核心区的能耗，达到绿色节能的要求[6]。

5 结语

目前，集成电路厂房的市场建设需求巨大，能耗也非常大，因此无论是从宏观能源危机的角度，还是从建筑节能的角度来看，都需要加强暖通空调节能设计方面的工作。在实际暖通节能设计方案的开展过程中，还应充分结合集成电路厂房的生产工艺特点，明确设计原则，并细化各个部分的节能设计措施及策略，助力暖通空调节能效果得到稳步提升，降低集成电路厂房的生产经营成本。