潔凈室設計-雙冷源溫濕度獨立控制系統在電子潔凈廠房中的應用

0 引言隨著計算機、信息技術的發展，微電子工業的發展已成為世界技術進步的主要支柱。微電子工業已成為衡量一個國家的科學技術和經濟發展實力的重要標志，發達國家把微電子工業作為戰略性產業［1］。近年來，境外微電子工業大規模地向中國大陸轉移，我國電子工業發展迅速， 2010 年實現銷售收入6. 3 萬億元，工業增加值 1. 5 萬億元，占 GDP 比重的5%，我國已成為全球最大的電子信息產品制造基地［2］。微電子工業的重要特點之一就是生產車間對溫度、濕度、潔凈度要求高，特別是芯片、超大規模集成電路生產車間更是如此。巨大的需求空間，使得對電子潔凈廠房空調系統進行深入研究顯得尤為重要。

1 電子潔凈廠房空調的特點

( 1) 控制參數多且控制精度高相對于一般空調系統，電子潔凈廠房空調不僅對溫度、濕度有要求，還對潔凈度和壓力有相應要求，并且控制精度高［3］，相應地對自控系統的要求也較高。表1 中的數據可以說明這一點( 同一工藝在不同的生產間或廠房數據有一定差別) 。

( 2) 新風量大電子潔凈廠房的新風量通常按后面兩項的最大值來確定:( 1) 滿足人的衛生要求40m3 /h; ( 2) 補償室內排風量和保持室內正壓值所需新風量之和。電子潔凈廠房絕大多數( 如 SMT、 PTH、印刷車間等) 都有廢氣或污染、熱空氣排出，排風量大，同時《電子工業潔凈廠房設計規范》對潔凈室的正壓作了明確要求，為了滿足規范要求，需要的新風量較大。實際工程經驗表明: 第二項所需新風量通常大于第一項。

( 3) 空調負荷大電子潔凈廠房空調負荷包括圍護結構負荷、人體負荷、照明負荷、設備負荷、新風負荷。電子潔凈廠車間面積大、層高高、工藝設備發熱量大，新風量大，而且室內溫度夏季較低，這些最終使得總負荷大。實際工程經驗表明: 電子潔凈廠房夏季負荷指標都在300W/m 以上，有的甚至達到800W/m。

( 4)空調機房占地面積大、數量多電子潔凈廠房的負荷大、風量大、空氣處理過程復雜( 熱濕處理、過濾處理等) 、空調組段多、空調設備尺寸大，這些最終使得空調機房占地面積大，而且空調機房管路復雜布置不易。

2 常規溫濕度獨立控制系統的分析與總結

溫濕度獨立控制系統的核心思想就是通過對新風、回風的分別處理實現溫度和濕度的獨立控制，對新風的處理實現對房間的濕度的控制，對回風的處理實現對房間溫度的控制。除濕和降溫對冷源溫度的要求不同:除濕時，若采用冷凍除濕方式，要求冷源溫度低于空氣露點溫度，處理后空氣所要達到的露點溫度越低，要求冷源溫度也就越低; 降溫時，只要求冷源溫度低于室內干球溫度，而室內干球溫度相對較高，因而冷源溫度也就可以相對較高，從而冷源設備可以采用 COP 較高的高溫冷水機組。溫濕度獨立控制系統比傳統空調系統能更好地控制房間濕度和滿足室內熱濕比的變化，房間濕度控制標準嚴格避免了再熱損失［4］。由于在溫度控制過程中使用的是 COP 較高的高溫冷水機組以及避免了再熱損失，因而溫濕度獨立控制系統節能效果顯著，文獻［ 5］的研究表明在南方地區節能率為 25% ～ 55%，在北方地區節能率為10% ～30%。溫濕度獨立控制系統在實際應用中有多種形式，其中應用的較多的有以下幾種，各形式間主要區別在于對新風的處理方法不同。 ( 1) 轉輪除濕 +高溫冷源降溫轉輪分為處理區和再生區，新風進入處理區后，由于吸濕劑的水蒸汽分壓力低于新風的水蒸汽分壓力，新風的水分被吸濕劑吸附，除濕后的新風被處理機送出。與此同時，再生空氣經加熱后進入轉輪的再生區，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，轉輪則恢復了除濕能力。優點: 性能穩定，壽命長; 單位吸濕面積除濕量大;適用溫度范圍寬: － 30 ～ 40℃［6］。缺點: 再生部分的溫風需要加熱，耗電較多;接管較復雜。

( 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，從而達到除濕的目的。優點: 除濕效果好，能連續工作，兼有清潔空氣的功能［6］。缺點:設備比較復雜，初投資非常高，再生時需要有熱源，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水系統采用兩套系統，低溫冷凍水用于處理新風除濕，高溫冷源系統用于處理回風降溫。低溫冷凍水和高溫冷凍水可通過低溫冷水機組和高溫冷水機組分別獲得，也可以通過雙工況冷水機組一并獲得。優點:除濕效果好。缺點: 制冷機房面積大，空調水系統管路復雜，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之前通過板式換熱器換成12、 13℃的高溫冷凍水，然后再對回風進行降溫處理或直接用低溫冷源對回風進行處理。優點: 系統簡單，維修管理方便，制冷機房面積小。缺點:相對于其它幾種方式能耗大。

( 5)聯合除濕聯合除濕分為: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用相對較廣。吸附一冷卻式除濕具有適用性廣，設備簡單，控制精度高，初投資成本低的優勢［7］。

目前，上述五種形式中第一、二、五種在民用建筑應用得較多，第四種形式在電子潔凈廠房應用得較多，文獻［ 8］對第三種形式進行了相關研究，但該形式在實際工程中應用得不多。這是由它們各自的特點和電子潔凈廠房﹑民用建筑的特性決定的。民用建筑主要是舒適性空調，溫濕度控制精度、潔凈度要求低，新風和回風可以不混合而分別送入房間，新風量小且不需中效過濾、高效過濾，整個系統相對較簡單，這為第一、二、五種方式的應用創造了占空間上、維修管理上的條件; 而電子潔凈廠房則相反，為了整個房間的溫濕度、潔凈度盡可能均勻且滿足精度要求，新風和回風必須混合后才能送入房間，新風量大且需經過中效、高效過濾處理，整個系統復雜，空調機房大，若新風處理再采用第一、二、四、五種方式，會使得系統更復雜，空調機房更大，實現起來很不容易。

3 雙冷源溫濕度獨立控制系統的提出及其優勢

3. 1雙冷源溫濕度獨立控制系統的提出基于對常規溫濕度獨立控制系統的分析總結，本文以既保證電子潔凈廠房的空氣控制要求又能高效節能為出發點，提出了雙冷源溫濕度獨立控制系統，該系統的基本思路是利用高溫冷凍水( 12、 13℃) 分別對回風進行處理和對新風進行預處理，新風經過預處理后再用直膨蒸發盤管進行深度除濕處理，回風處理控制溫度，新風處理控制濕度。雙冷源溫濕度獨立控制系統與第2 大部分所討論的雙溫冷源冷凍除濕 +降溫系統是不同的，主要區別之一就是前者使用高溫冷凍水 +直膨蒸發冷卻而后者使用的高溫冷凍水 + 低溫冷凍水。為了節省空間、便于上自控系統、便于管理，本文將雙冷源溫濕度獨立控制系統與組合式空調機組進行了有機組合，其詳細構造如圖1。由圖1 可以看出該空調機組與常規組合式空調機組有很大的區別: 常規組合式空調機組各組段水平地排列，新回風不易實現分別處理后再行混合，而該空調機組的前段在豎向分為上下兩部分，上部分處理回風，下部分處理新風，在組段 7 進行混合。上、下部的尺寸比例可根據新風比進行調整。

圖1 雙冷源溫濕度獨立控制系統機組組段圖

3. 2 雙冷源溫濕度獨立控制系統的優勢相對于第2 大部分所討論的單溫冷源冷凍除濕降溫( 在電子潔凈廠房應用較多) ，雙冷源溫濕度獨立控制系統具有以下優勢: ( 1) 用高溫冷凍水對新風進行預處理，從數量上盡可能地減少低溫冷源的依賴，提高整個系統的能效。 ( 2) 水冷冷水機組蒸發溫度提高1℃，機組 COP 約提高3%［9］?；仫L處理和新風預處理均使用高溫冷凍水( 12、 13℃) ，相對于 7℃冷凍水，水冷冷水機組的 COP 可提高15% ～18%。 ( 3) 系統簡單，室外機布置靈活，管路布置容易，占用室內空間小，易于與組合式空調器配套使用，方便上自動控制系統，方便管理。 ( 4) 對大新風量的系統有很強的適應性。

4 潔凈室設計計算實例

4. 1工程簡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 生產車間。

4. 2 室內外計算參數 ( 1) 室外計算參數

( 2)室內計算參數 SMT 及 PTH 生產車間的室內設計參數 ta = 23 ±2℃; 濕度:40% ～60%;潔凈度: ISO9 級。

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計計算過程，該車間面積為 7903m2，新風量為 120000m3 /h ( 補充排風維持正壓) ，采用鴻業負荷計算軟件6. 0 計算出總冷負荷為 2908. 33kW，總濕負荷為 505g/ s;室內總冷負荷為 1172. 4kW( 不含新風負荷) ，室內顯熱冷負荷為 1012kW( 不含新風負荷) ，室內濕負荷為 49. 05g/s( 不含新風濕負荷，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)送回風量房間狀態點 N ( 23℃， 50%) 的露點溫度為 12℃，為了使送風量盡可能地小同時保證送風口不結露，確定送風溫度為14. 5℃，送風溫差為 8. 5℃。由室內冷負荷和濕冷負荷計算出熱濕比ε為 20632;根據室內狀態點、熱濕比、送風溫差在焓濕圖上可確定出送風狀態點O 的狀態參數: tW =14. 5℃，φW =81. 36%， iw =36. 90kJ/kg。

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

二級表冷: L1 ― L2

L2 的狀態為: tL2 =17℃，φL2 = 89. 78%， iL2 = 46.17kJ/kg

將數據代入公式( 2) 計算得該過程所需制冷量 Q =40 ×( 58. 46 －46. 17) =491. 6kW

直膨蒸發盤管深冷除濕: L2 ― L3

L3 的狀態為: tL3 = 10℃，φL3 = 95. 35%， iL3 = 29.39kJ/kg

將數據代入公式( 2) 計算得該過程所需制冷量: Q =40 ×( 46. 17 －29. 39) =671. 2kW

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

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

由上面的計算數據可知，使用低品位冷源( 高溫冷凍水) 對新風進行預冷處理，可以極大地減少對高品位冷源的依賴，從而提高系統整體能效。

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

將 N 點的焓值、 M 點的焓值、回風量代入公式 ( 2) 計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 結論本文在分析電子潔凈廠房空調特點、常規濕度獨立控制系統特點的基礎上，提出了雙冷源溫濕度獨立控制系統，并對該系統進行了深入分析，同時將其與組合式空調機組進行了有機組合，為電子潔凈廠房空調設計提供了新的思路。綜觀全文可以得到以下結論:

( 1) 電子潔凈廠房空調復雜，它具有: 控制參數多控制精度高﹑新風量大﹑空調負荷大﹑空調機房占地面積大數量多等特點。

( 2)溫濕度獨立控制系統在實際工程中有多種形式，每種形式各有特點，在實際應用時應根據工程情況確定采用適宜的形式。

( 3)使用低品位冷源對新風進行預冷處理，可以明顯減少對高品位冷源的使用，顯著提高系統整體能效。

( 4)雙冷源溫濕度獨立控制系統主要使用高溫冷凍水( 低品位冷源) ，對高品位冷源使用量少，系統能效比高，且系統簡單、占用室內空間小、易于與組合式空調器配套使用、方便上自動控制系統、管理方便，該系統能很好地適應電子潔凈廠房的空調特點。

［參考文獻］

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趙雷昌，傅建勛．溫濕度獨立控制在常溫低濕環境空調設計中的應用分析