潔凈室設(shè)計(jì)-雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)在電子潔凈廠房中的應(yīng)用

0 引言隨著計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)的發(fā)展，微電子工業(yè)的發(fā)展已成為世界技術(shù)進(jìn)步的主要支柱。微電子工業(yè)已成為衡量一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)力的重要標(biāo)志，發(fā)達(dá)國(guó)家把微電子工業(yè)作為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)［1］。近年來，境外微電子工業(yè)大規(guī)模地向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移，我國(guó)電子工業(yè)發(fā)展迅速， 2010 年實(shí)現(xiàn)銷售收入6. 3 萬億元，工業(yè)增加值 1. 5 萬億元，占 GDP 比重的5%，我國(guó)已成為全球最大的電子信息產(chǎn)品制造基地［2］。微電子工業(yè)的重要特點(diǎn)之一就是生產(chǎn)車間對(duì)溫度、濕度、潔凈度要求高，特別是芯片、超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)車間更是如此。巨大的需求空間，使得對(duì)電子潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究顯得尤為重要。

1 電子潔凈廠房空調(diào)的特點(diǎn)

( 1) 控制參數(shù)多且控制精度高相對(duì)于一般空調(diào)系統(tǒng)，電子潔凈廠房空調(diào)不僅對(duì)溫度、濕度有要求，還對(duì)潔凈度和壓力有相應(yīng)要求，并且控制精度高［3］，相應(yīng)地對(duì)自控系統(tǒng)的要求也較高。表1 中的數(shù)據(jù)可以說明這一點(diǎn)( 同一工藝在不同的生產(chǎn)間或廠房數(shù)據(jù)有一定差別) 。

( 2) 新風(fēng)量大電子潔凈廠房的新風(fēng)量通常按后面兩項(xiàng)的最大值來確定:( 1) 滿足人的衛(wèi)生要求40m3 /h; ( 2) 補(bǔ)償室內(nèi)排風(fēng)量和保持室內(nèi)正壓值所需新風(fēng)量之和。電子潔凈廠房絕大多數(shù)( 如 SMT、 PTH、印刷車間等) 都有廢氣或污染、熱空氣排出，排風(fēng)量大，同時(shí)《電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)潔凈室的正壓作了明確要求，為了滿足規(guī)范要求，需要的新風(fēng)量較大。實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明: 第二項(xiàng)所需新風(fēng)量通常大于第一項(xiàng)。

( 3) 空調(diào)負(fù)荷大電子潔凈廠房空調(diào)負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、人體負(fù)荷、照明負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷。電子潔凈廠車間面積大、層高高、工藝設(shè)備發(fā)熱量大，新風(fēng)量大，而且室內(nèi)溫度夏季較低，這些最終使得總負(fù)荷大。實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明: 電子潔凈廠房夏季負(fù)荷指標(biāo)都在300W/m 以上，有的甚至達(dá)到800W/m。

( 4)空調(diào)機(jī)房占地面積大、數(shù)量多電子潔凈廠房的負(fù)荷大、風(fēng)量大、空氣處理過程復(fù)雜( 熱濕處理、過濾處理等) 、空調(diào)組段多、空調(diào)設(shè)備尺寸大，這些最終使得空調(diào)機(jī)房占地面積大，而且空調(diào)機(jī)房管路復(fù)雜布置不易。

2 常規(guī)溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的分析與總結(jié)

溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的核心思想就是通過對(duì)新風(fēng)、回風(fēng)的分別處理實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的獨(dú)立控制，對(duì)新風(fēng)的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)房間的濕度的控制，對(duì)回風(fēng)的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)房間溫度的控制。除濕和降溫對(duì)冷源溫度的要求不同:除濕時(shí)，若采用冷凍除濕方式，要求冷源溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，處理后空氣所要達(dá)到的露點(diǎn)溫度越低，要求冷源溫度也就越低; 降溫時(shí)，只要求冷源溫度低于室內(nèi)干球溫度，而室內(nèi)干球溫度相對(duì)較高，因而冷源溫度也就可以相對(duì)較高，從而冷源設(shè)備可以采用 COP 較高的高溫冷水機(jī)組。溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)能更好地控制房間濕度和滿足室內(nèi)熱濕比的變化，房間濕度控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格避免了再熱損失［4］。由于在溫度控制過程中使用的是 COP 較高的高溫冷水機(jī)組以及避免了再熱損失，因而溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，文獻(xiàn)［ 5］的研究表明在南方地區(qū)節(jié)能率為 25% ～ 55%，在北方地區(qū)節(jié)能率為10% ～30%。溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有多種形式，其中應(yīng)用的較多的有以下幾種，各形式間主要區(qū)別在于對(duì)新風(fēng)的處理方法不同。 ( 1) 轉(zhuǎn)輪除濕 +高溫冷源降溫轉(zhuǎn)輪分為處理區(qū)和再生區(qū)，新風(fēng)進(jìn)入處理區(qū)后，由于吸濕劑的水蒸汽分壓力低于新風(fēng)的水蒸汽分壓力，新風(fēng)的水分被吸濕劑吸附，除濕后的新風(fēng)被處理機(jī)送出。與此同時(shí)，再生空氣經(jīng)加熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的再生區(qū)，由于在高溫下，空氣的水蒸汽分壓力低于吸濕劑的水蒸汽分壓力，原先吸附的水分被脫附，并隨濕空氣排至室外，轉(zhuǎn)輪則恢復(fù)了除濕能力。優(yōu)點(diǎn): 性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng); 單位吸濕面積除濕量大;適用溫度范圍寬: － 30 ～ 40℃［6］。缺點(diǎn): 再生部分的溫風(fēng)需要加熱，耗電較多;接管較復(fù)雜。

( 2) 溶液除濕+高溫冷源降溫

溶液除濕是利用吸濕溶液和處理空氣之間的水蒸汽分壓力差來吸收處理空氣的水蒸氣，從而達(dá)到除濕的目的。優(yōu)點(diǎn): 除濕效果好，能連續(xù)工作，兼有清潔空氣的功能［6］。缺點(diǎn):設(shè)備比較復(fù)雜，初投資非常高，再生時(shí)需要有熱源，冷卻水耗量大。

( 3)雙溫冷源冷凍除濕 +降溫該方式核心就是空調(diào)水系統(tǒng)采用兩套系統(tǒng)，低溫冷凍水用于處理新風(fēng)除濕，高溫冷源系統(tǒng)用于處理回風(fēng)降溫。低溫冷凍水和高溫冷凍水可通過低溫冷水機(jī)組和高溫冷水機(jī)組分別獲得，也可以通過雙工況冷水機(jī)組一并獲得。優(yōu)點(diǎn):除濕效果好。缺點(diǎn): 制冷機(jī)房面積大，空調(diào)水系統(tǒng)管路復(fù)雜，管路占用安裝空間大，維修管理不便。

( 4) 單溫冷源冷凍除濕 +降溫單溫冷源冷凍除濕降溫就是除濕降溫均采用低溫冷源，低溫冷凍水在處理回風(fēng)之前通過板式換熱器換成12、 13℃的高溫冷凍水，然后再對(duì)回風(fēng)進(jìn)行降溫處理或直接用低溫冷源對(duì)回風(fēng)進(jìn)行處理。優(yōu)點(diǎn): 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維修管理方便，制冷機(jī)房面積小。缺點(diǎn):相對(duì)于其它幾種方式能耗大。

( 5)聯(lián)合除濕聯(lián)合除濕分為:冷凍一吸附式、吸附一冷卻式除濕，其中吸附一冷卻式除濕應(yīng)用相對(duì)較廣。吸附一冷卻式除濕具有適用性廣，設(shè)備簡(jiǎn)單，控制精度高，初投資成本低的優(yōu)勢(shì)［7］。

目前，上述五種形式中第一、二、五種在民用建筑應(yīng)用得較多，第四種形式在電子潔凈廠房應(yīng)用得較多，文獻(xiàn)［ 8］對(duì)第三種形式進(jìn)行了相關(guān)研究，但該形式在實(shí)際工程中應(yīng)用得不多。這是由它們各自的特點(diǎn)和電子潔凈廠房﹑民用建筑的特性決定的。民用建筑主要是舒適性空調(diào)，溫濕度控制精度、潔凈度要求低，新風(fēng)和回風(fēng)可以不混合而分別送入房間，新風(fēng)量小且不需中效過濾、高效過濾，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)較簡(jiǎn)單，這為第一、二、五種方式的應(yīng)用創(chuàng)造了占空間上、維修管理上的條件; 而電子潔凈廠房則相反，為了整個(gè)房間的溫濕度、潔凈度盡可能均勻且滿足精度要求，新風(fēng)和回風(fēng)必須混合后才能送入房間，新風(fēng)量大且需經(jīng)過中效、高效過濾處理，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜，空調(diào)機(jī)房大，若新風(fēng)處理再采用第一、二、四、五種方式，會(huì)使得系統(tǒng)更復(fù)雜，空調(diào)機(jī)房更大，實(shí)現(xiàn)起來很不容易。

3 雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的提出及其優(yōu)勢(shì)

3. 1雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的提出基于對(duì)常規(guī)溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的分析總結(jié)，本文以既保證電子潔凈廠房的空氣控制要求又能高效節(jié)能為出發(fā)點(diǎn)，提出了雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基本思路是利用高溫冷凍水( 12、 13℃) 分別對(duì)回風(fēng)進(jìn)行處理和對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理，新風(fēng)經(jīng)過預(yù)處理后再用直膨蒸發(fā)盤管進(jìn)行深度除濕處理，回風(fēng)處理控制溫度，新風(fēng)處理控制濕度。雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)與第2 大部分所討論的雙溫冷源冷凍除濕 +降溫系統(tǒng)是不同的，主要區(qū)別之一就是前者使用高溫冷凍水 +直膨蒸發(fā)冷卻而后者使用的高溫冷凍水 + 低溫冷凍水。為了節(jié)省空間、便于上自控系統(tǒng)、便于管理，本文將雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)與組合式空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了有機(jī)組合，其詳細(xì)構(gòu)造如圖1。由圖1 可以看出該空調(diào)機(jī)組與常規(guī)組合式空調(diào)機(jī)組有很大的區(qū)別: 常規(guī)組合式空調(diào)機(jī)組各組段水平地排列，新回風(fēng)不易實(shí)現(xiàn)分別處理后再行混合，而該空調(diào)機(jī)組的前段在豎向分為上下兩部分，上部分處理回風(fēng)，下部分處理新風(fēng)，在組段 7 進(jìn)行混合。上、下部的尺寸比例可根據(jù)新風(fēng)比進(jìn)行調(diào)整。

圖1 雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)機(jī)組組段圖

3. 2 雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)相對(duì)于第2 大部分所討論的單溫冷源冷凍除濕降溫( 在電子潔凈廠房應(yīng)用較多) ，雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì): ( 1) 用高溫冷凍水對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理，從數(shù)量上盡可能地減少低溫冷源的依賴，提高整個(gè)系統(tǒng)的能效。 ( 2) 水冷冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度提高1℃，機(jī)組 COP 約提高3%［9］?；仫L(fēng)處理和新風(fēng)預(yù)處理均使用高溫冷凍水( 12、 13℃) ，相對(duì)于 7℃冷凍水，水冷冷水機(jī)組的 COP 可提高15% ～18%。 ( 3) 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，室外機(jī)布置靈活，管路布置容易，占用室內(nèi)空間小，易于與組合式空調(diào)器配套使用，方便上自動(dòng)控制系統(tǒng)，方便管理。 ( 4) 對(duì)大新風(fēng)量的系統(tǒng)有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

4 潔凈室設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

4. 1工程簡(jiǎn)介該工程為重慶某一電子廠房，共3 層，各層建筑面積均為9897m2，一層層高為 6. 7m，二層、三層層高均為5. 5m。各層主要車間均為SMT、 PTH 生產(chǎn)車間。

4. 2 室內(nèi)外計(jì)算參數(shù) ( 1) 室外計(jì)算參數(shù)

( 2)室內(nèi)計(jì)算參數(shù) SMT 及 PTH 生產(chǎn)車間的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù) ta = 23 ±2℃; 濕度:40% ～60%;潔凈度: ISO9 級(jí)。

4. 3空氣處理過程空氣處理流程如圖 2 所示。下面將以第二層SMT 車間為例，說明雙冷源溫濕度的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，該車間面積為 7903m2，新風(fēng)量為 120000m3 /h ( 補(bǔ)充排風(fēng)維持正壓) ，采用鴻業(yè)負(fù)荷計(jì)算軟件6. 0 計(jì)算出總冷負(fù)荷為 2908. 33kW，總濕負(fù)荷為 505g/ s;室內(nèi)總冷負(fù)荷為 1172. 4kW( 不含新風(fēng)負(fù)荷) ，室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷為 1012kW( 不含新風(fēng)負(fù)荷) ，室內(nèi)濕負(fù)荷為 49. 05g/s( 不含新風(fēng)濕負(fù)荷，員工未帶口罩) 。該車間的空氣處理過程在焓濕圖上的表示如圖3 所示。

( 1)送回風(fēng)量房間狀態(tài)點(diǎn) N ( 23℃， 50%) 的露點(diǎn)溫度為 12℃，為了使送風(fēng)量盡可能地小同時(shí)保證送風(fēng)口不結(jié)露，確定送風(fēng)溫度為14. 5℃，送風(fēng)溫差為 8. 5℃。由室內(nèi)冷負(fù)荷和濕冷負(fù)荷計(jì)算出熱濕比ε為 20632;根據(jù)室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)、熱濕比、送風(fēng)溫差在焓濕圖上可確定出送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O 的狀態(tài)參數(shù): tW =14. 5℃，φW =81. 36%， iw =36. 90kJ/kg。

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得該過程所需制冷量: Q =40 ×( 89. 91 －58. 46) =1258kW

二級(jí)表冷: L1 ― L2

L2 的狀態(tài)為: tL2 =17℃，φL2 = 89. 78%， iL2 = 46.17kJ/kg

將數(shù)據(jù)代入公式( 2) 計(jì)算得該過程所需制冷量 Q =40 ×( 58. 46 －46. 17) =491. 6kW

直膨蒸發(fā)盤管深冷除濕: L2 ― L3

L3 的狀態(tài)為: tL3 = 10℃，φL3 = 95. 35%， iL3 = 29.39kJ/kg

將數(shù)據(jù)代入公式( 2) 計(jì)算得該過程所需制冷量: Q =40 ×( 46. 17 －29. 39) =671. 2kW

新風(fēng)處理所需總制冷量: 1258 + 491. 6 + 671. 2 =2420. 8kW

直膨蒸發(fā)盤管制冷量百分比: 671. 2/2420. 8 = 27. 72%

由上面的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，使用低品位冷源( 高溫冷凍水) 對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷處理，可以極大地減少對(duì)高品位冷源的依賴，從而提高系統(tǒng)整體能效。

( 3) 回風(fēng)處理表冷處理: N ― M 根據(jù)狀態(tài)點(diǎn) L1 和新風(fēng)比在焓濕圖上可以確定出 M 點(diǎn)的參數(shù): tM = 17℃，φM = 72.20%， iM = 40. 41kJ/kg

將 N 點(diǎn)的焓值、 M 點(diǎn)的焓值、回風(fēng)量代入公式 ( 2) 計(jì)算得該過程所需總制冷量為:

Q =77. 88 ×( 46. 67 －40. 41)=487. 53kW

( 4) 低品位冷源百分率新回風(fēng)處理所需總制冷量 : 1258 +491. 6 + 671. 2 +487. 53 =2908. 33 kW

低品位冷源所需提供的總制冷量:1258 +491. 6 +487. 53 =2237. 13 kW

低品位冷源百分率: 2237. 13/2908. 33= 76. 92%。

5 結(jié)論本文在分析電子潔凈廠房空調(diào)特點(diǎn)、常規(guī)濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了深入分析，同時(shí)將其與組合式空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了有機(jī)組合，為電子潔凈廠房空調(diào)設(shè)計(jì)提供了新的思路。綜觀全文可以得到以下結(jié)論:

( 1) 電子潔凈廠房空調(diào)復(fù)雜，它具有: 控制參數(shù)多控制精度高﹑新風(fēng)量大﹑空調(diào)負(fù)荷大﹑空調(diào)機(jī)房占地面積大數(shù)量多等特點(diǎn)。

( 2)溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)在實(shí)際工程中有多種形式，每種形式各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)工程情況確定采用適宜的形式。

( 3)使用低品位冷源對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷處理，可以明顯減少對(duì)高品位冷源的使用，顯著提高系統(tǒng)整體能效。

( 4)雙冷源溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)主要使用高溫冷凍水( 低品位冷源) ，對(duì)高品位冷源使用量少，系統(tǒng)能效比高，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占用室內(nèi)空間小、易于與組合式空調(diào)器配套使用、方便上自動(dòng)控制系統(tǒng)、管理方便，該系統(tǒng)能很好地適應(yīng)電子潔凈廠房的空調(diào)特點(diǎn)。

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