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(lái)，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(wàn)億元，工業(yè)增加值 1. 5 萬(wàn)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(shuō)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(lái)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(guò)程復(fù)雜( 熱濕處理、過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)低溫冷水機(jī)組和高溫冷水機(jī)組分別獲得，也可以通過(guò)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(guò)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(guò)濾、高效過(guò)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(guò)中效、高效過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(shuō)明雙冷源溫濕度的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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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