洁净室设计-双冷源温湿度独立控制系统在電(diàn)子洁净厂房中的应用(yòng)

0 引言随着计算机、信息技术的发展，微電(diàn)子工业的发展已成為(wèi)世界技术进步的主要支柱。微電(diàn)子工业已成為(wèi)衡量一个國(guó)家的科(kē)學(xué)技术和经济发展实力的重要标志(zhì)，发达國(guó)家把微電(diàn)子工业作為(wèi)战略性产业［1］。近年来，境外微電(diàn)子工业大规模地向中國(guó)大陆转移，我國(guó)電(diàn)子工业发展迅速， 2010 年实现销售收入6. 3 万亿元，工业增加值 1. 5 万亿元，占 GDP 比重的5%，我國(guó)已成為(wèi)全球最大的電(diàn)子信息产品制造基地［2］。微電(diàn)子工业的重要特点之一就是生产車(chē)间对温度、湿度、洁净度要求高，特别是芯片、超大规模集成電(diàn)路生产車(chē)间更是如此。巨大的需求空间，使得对電(diàn)子洁净厂房空调系统进行深入研究显得尤為(wèi)重要。

1 電(diàn)子洁净厂房空调的特点

( 1) 控制参数多(duō)且控制精度高相对于一般空调系统，電(diàn)子洁净厂房空调不仅对温度、湿度有(yǒu)要求，还对洁净度和压力有(yǒu)相应要求，并且控制精度高［3］，相应地对自控系统的要求也较高。表1 中的数据可(kě)以说明这一点( 同一工艺在不同的生产间或厂房数据有(yǒu)一定差别) 。

( 2) 新(xīn)风量大電(diàn)子洁净厂房的新(xīn)风量通常按后面两项的最大值来确定:( 1) 满足人的卫生要求40m3 /h; ( 2) 补偿室内排风量和保持室内正压值所需新(xīn)风量之和。電(diàn)子洁净厂房绝大多(duō)数( 如 SMT、 PTH、印刷車(chē)间等) 都有(yǒu)废气或污染、热空气排出，排风量大，同时《電(diàn)子工业洁净厂房设计规范》对洁净室的正压作了明确要求，為(wèi)了满足规范要求，需要的新(xīn)风量较大。实际工程经验表明: 第二项所需新(xīn)风量通常大于第一项。

( 3) 空调负荷大電(diàn)子洁净厂房空调负荷包括围护结构负荷、人體(tǐ)负荷、照明负荷、设备负荷、新(xīn)风负荷。電(diàn)子洁净厂車(chē)间面积大、层高高、工艺设备发热量大，新(xīn)风量大，而且室内温度夏季较低，这些最终使得总负荷大。实际工程经验表明: 電(diàn)子洁净厂房夏季负荷指标都在300W/m 以上，有(yǒu)的甚至达到800W/m。

( 4)空调机房占地面积大、数量多(duō)電(diàn)子洁净厂房的负荷大、风量大、空气处理(lǐ)过程复杂( 热湿处理(lǐ)、过滤处理(lǐ)等) 、空调组段多(duō)、空调设备尺寸大，这些最终使得空调机房占地面积大，而且空调机房管路复杂布置不易。

2 常规温湿度独立控制系统的分(fēn)析与总结

温湿度独立控制系统的核心思想就是通过对新(xīn)风、回风的分(fēn)别处理(lǐ)实现温度和湿度的独立控制，对新(xīn)风的处理(lǐ)实现对房间的湿度的控制，对回风的处理(lǐ)实现对房间温度的控制。除湿和降温对冷源温度的要求不同:除湿时，若采用(yòng)冷冻除湿方式，要求冷源温度低于空气露点温度，处理(lǐ)后空气所要达到的露点温度越低，要求冷源温度也就越低; 降温时，只要求冷源温度低于室内干球温度，而室内干球温度相对较高，因而冷源温度也就可(kě)以相对较高，从而冷源设备可(kě)以采用(yòng) COP 较高的高温冷水机组。温湿度独立控制系统比传统空调系统能(néng)更好地控制房间湿度和满足室内热湿比的变化，房间湿度控制标准严格避免了再热损失［4］。由于在温度控制过程中使用(yòng)的是 COP 较高的高温冷水机组以及避免了再热损失，因而温湿度独立控制系统节能(néng)效果显著，文(wén)献［ 5］的研究表明在南方地區(qū)节能(néng)率為(wèi) 25% ～ 55%，在北方地區(qū)节能(néng)率為(wèi)10% ～30%。温湿度独立控制系统在实际应用(yòng)中有(yǒu)多(duō)种形式，其中应用(yòng)的较多(duō)的有(yǒu)以下几种，各形式间主要區(qū)别在于对新(xīn)风的处理(lǐ)方法不同。 ( 1) 转轮除湿 +高温冷源降温转轮分(fēn)為(wèi)处理(lǐ)區(qū)和再生區(qū)，新(xīn)风进入处理(lǐ)區(qū)后，由于吸湿剂的水蒸汽分(fēn)压力低于新(xīn)风的水蒸汽分(fēn)压力，新(xīn)风的水分(fēn)被吸湿剂吸附，除湿后的新(xīn)风被处理(lǐ)机送出。与此同时，再生空气经加热后进入转轮的再生區(qū)，由于在高温下，空气的水蒸汽分(fēn)压力低于吸湿剂的水蒸汽分(fēn)压力，原先吸附的水分(fēn)被脱附，并随湿空气排至室外，转轮则恢复了除湿能(néng)力。优点: 性能(néng)稳定，寿命長(cháng); 单位吸湿面积除湿量大;适用(yòng)温度范围宽: － 30 ～ 40℃［6］。缺点: 再生部分(fēn)的温风需要加热，耗電(diàn)较多(duō);接管较复杂。

( 2) 溶液除湿+高温冷源降温

溶液除湿是利用(yòng)吸湿溶液和处理(lǐ)空气之间的水蒸汽分(fēn)压力差来吸收处理(lǐ)空气的水蒸气，从而达到除湿的目的。优点: 除湿效果好，能(néng)连续工作，兼有(yǒu)清洁空气的功能(néng)［6］。缺点:设备比较复杂，初投资非常高，再生时需要有(yǒu)热源，冷却水耗量大。

( 3)双温冷源冷冻除湿 +降温该方式核心就是空调水系统采用(yòng)两套系统，低温冷冻水用(yòng)于处理(lǐ)新(xīn)风除湿，高温冷源系统用(yòng)于处理(lǐ)回风降温。低温冷冻水和高温冷冻水可(kě)通过低温冷水机组和高温冷水机组分(fēn)别获得，也可(kě)以通过双工况冷水机组一并获得。优点:除湿效果好。缺点: 制冷机房面积大，空调水系统管路复杂，管路占用(yòng)安装空间大，维修管理(lǐ)不便。

( 4) 单温冷源冷冻除湿 +降温单温冷源冷冻除湿降温就是除湿降温均采用(yòng)低温冷源，低温冷冻水在处理(lǐ)回风之前通过板式换热器换成12、 13℃的高温冷冻水，然后再对回风进行降温处理(lǐ)或直接用(yòng)低温冷源对回风进行处理(lǐ)。优点: 系统简单，维修管理(lǐ)方便，制冷机房面积小(xiǎo)。缺点:相对于其它几种方式能(néng)耗大。

( 5)联合除湿联合除湿分(fēn)為(wèi):冷冻一吸附式、吸附一冷却式除湿，其中吸附一冷却式除湿应用(yòng)相对较广。吸附一冷却式除湿具有(yǒu)适用(yòng)性广，设备简单，控制精度高，初投资成本低的优势［7］。

目前，上述五种形式中第一、二、五种在民(mín)用(yòng)建筑应用(yòng)得较多(duō)，第四种形式在電(diàn)子洁净厂房应用(yòng)得较多(duō)，文(wén)献［ 8］对第三种形式进行了相关研究，但该形式在实际工程中应用(yòng)得不多(duō)。这是由它们各自的特点和電(diàn)子洁净厂房﹑民(mín)用(yòng)建筑的特性决定的。民(mín)用(yòng)建筑主要是舒适性空调，温湿度控制精度、洁净度要求低，新(xīn)风和回风可(kě)以不混合而分(fēn)别送入房间，新(xīn)风量小(xiǎo)且不需中效过滤、高效过滤，整个系统相对较简单，这為(wèi)第一、二、五种方式的应用(yòng)创造了占空间上、维修管理(lǐ)上的条件; 而電(diàn)子洁净厂房则相反，為(wèi)了整个房间的温湿度、洁净度尽可(kě)能(néng)均匀且满足精度要求，新(xīn)风和回风必须混合后才能(néng)送入房间，新(xīn)风量大且需经过中效、高效过滤处理(lǐ)，整个系统复杂，空调机房大，若新(xīn)风处理(lǐ)再采用(yòng)第一、二、四、五种方式，会使得系统更复杂，空调机房更大，实现起来很(hěn)不容易。

3 双冷源温湿度独立控制系统的提出及其优势

3. 1双冷源温湿度独立控制系统的提出基于对常规温湿度独立控制系统的分(fēn)析总结，本文(wén)以既保证電(diàn)子洁净厂房的空气控制要求又(yòu)能(néng)高效节能(néng)為(wèi)出发点，提出了双冷源温湿度独立控制系统，该系统的基本思路是利用(yòng)高温冷冻水( 12、 13℃) 分(fēn)别对回风进行处理(lǐ)和对新(xīn)风进行预处理(lǐ)，新(xīn)风经过预处理(lǐ)后再用(yòng)直膨蒸发盘管进行深度除湿处理(lǐ)，回风处理(lǐ)控制温度，新(xīn)风处理(lǐ)控制湿度。双冷源温湿度独立控制系统与第2 大部分(fēn)所讨论的双温冷源冷冻除湿 +降温系统是不同的，主要區(qū)别之一就是前者使用(yòng)高温冷冻水 +直膨蒸发冷却而后者使用(yòng)的高温冷冻水 + 低温冷冻水。為(wèi)了节省空间、便于上自控系统、便于管理(lǐ)，本文(wén)将双冷源温湿度独立控制系统与组合式空调机组进行了有(yǒu)机组合，其详细构造如图1。由图1 可(kě)以看出该空调机组与常规组合式空调机组有(yǒu)很(hěn)大的區(qū)别: 常规组合式空调机组各组段水平地排列，新(xīn)回风不易实现分(fēn)别处理(lǐ)后再行混合，而该空调机组的前段在竖向分(fēn)為(wèi)上下两部分(fēn)，上部分(fēn)处理(lǐ)回风，下部分(fēn)处理(lǐ)新(xīn)风，在组段 7 进行混合。上、下部的尺寸比例可(kě)根据新(xīn)风比进行调整。

图1 双冷源温湿度独立控制系统机组组段图

3. 2 双冷源温湿度独立控制系统的优势相对于第2 大部分(fēn)所讨论的单温冷源冷冻除湿降温( 在電(diàn)子洁净厂房应用(yòng)较多(duō)) ，双冷源温湿度独立控制系统具有(yǒu)以下优势: ( 1) 用(yòng)高温冷冻水对新(xīn)风进行预处理(lǐ)，从数量上尽可(kě)能(néng)地减少低温冷源的依赖，提高整个系统的能(néng)效。 ( 2) 水冷冷水机组蒸发温度提高1℃，机组 COP 约提高3%［9］。回风处理(lǐ)和新(xīn)风预处理(lǐ)均使用(yòng)高温冷冻水( 12、 13℃) ，相对于 7℃冷冻水，水冷冷水机组的 COP 可(kě)提高15% ～18%。 ( 3) 系统简单，室外机布置灵活，管路布置容易，占用(yòng)室内空间小(xiǎo)，易于与组合式空调器配套使用(yòng)，方便上自动控制系统，方便管理(lǐ)。 ( 4) 对大新(xīn)风量的系统有(yǒu)很(hěn)强的适应性。

4 洁净室设计计算实例

4. 1工程简介该工程為(wèi)重庆某一電(diàn)子厂房，共3 层，各层建筑面积均為(wèi)9897m2，一层层高為(wèi) 6. 7m，二层、三层层高均為(wèi)5. 5m。各层主要車(chē)间均為(wèi)SMT、 PTH 生产車(chē)间。

4. 2 室内外计算参数 ( 1) 室外计算参数

( 2)室内计算参数 SMT 及 PTH 生产車(chē)间的室内设计参数 ta = 23 ±2℃; 湿度:40% ～60%;洁净度: ISO9 级。

4. 3空气处理(lǐ)过程空气处理(lǐ)流程如图 2 所示。下面将以第二层SMT 車(chē)间為(wèi)例，说明双冷源温湿度的设计计算过程，该車(chē)间面积為(wèi) 7903m2，新(xīn)风量為(wèi) 120000m3 /h ( 补充排风维持正压) ，采用(yòng)鸿业负荷计算软件6. 0 计算出总冷负荷為(wèi) 2908. 33kW，总湿负荷為(wèi) 505g/ s;室内总冷负荷為(wèi) 1172. 4kW( 不含新(xīn)风负荷) ，室内显热冷负荷為(wèi) 1012kW( 不含新(xīn)风负荷) ，室内湿负荷為(wèi) 49. 05g/s( 不含新(xīn)风湿负荷，员工未带口罩) 。该車(chē)间的空气处理(lǐ)过程在焓湿图上的表示如图3 所示。

( 1)送回风量房间状态点 N ( 23℃， 50%) 的露点温度為(wèi) 12℃，為(wèi)了使送风量尽可(kě)能(néng)地小(xiǎo)同时保证送风口不结露，确定送风温度為(wèi)14. 5℃，送风温差為(wèi) 8. 5℃。由室内冷负荷和湿冷负荷计算出热湿比ε為(wèi) 20632;根据室内状态点、热湿比、送风温差在焓湿图上可(kě)确定出送风状态点O 的状态参数: tW =14. 5℃，φW =81. 36%， iw =36. 90kJ/kg。

将数据代入公式计算得该过程所需制冷量: Q =40 ×( 89. 91 －58. 46) =1258kW

二级表冷: L1 ― L2

L2 的状态為(wèi): tL2 =17℃，φL2 = 89. 78%， iL2 = 46.17kJ/kg

将数据代入公式( 2) 计算得该过程所需制冷量 Q =40 ×( 58. 46 －46. 17) =491. 6kW

直膨蒸发盘管深冷除湿: L2 ― L3

L3 的状态為(wèi): tL3 = 10℃，φL3 = 95. 35%， iL3 = 29.39kJ/kg

将数据代入公式( 2) 计算得该过程所需制冷量: Q =40 ×( 46. 17 －29. 39) =671. 2kW

新(xīn)风处理(lǐ)所需总制冷量: 1258 + 491. 6 + 671. 2 =2420. 8kW

直膨蒸发盘管制冷量百分(fēn)比: 671. 2/2420. 8 = 27. 72%

由上面的计算数据可(kě)知，使用(yòng)低品位冷源( 高温冷冻水) 对新(xīn)风进行预冷处理(lǐ)，可(kě)以极大地减少对高品位冷源的依赖，从而提高系统整體(tǐ)能(néng)效。

( 3) 回风处理(lǐ)表冷处理(lǐ): N ― M 根据状态点 L1 和新(xīn)风比在焓湿图上可(kě)以确定出 M 点的参数: tM = 17℃，φM = 72.20%， iM = 40. 41kJ/kg

将 N 点的焓值、 M 点的焓值、回风量代入公式 ( 2) 计算得该过程所需总制冷量為(wèi):

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

( 4) 低品位冷源百分(fēn)率新(xīn)回风处理(lǐ)所需总制冷量 : 1258 +491. 6 + 671. 2 +487. 53 =2908. 33 kW

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

低品位冷源百分(fēn)率: 2237. 13/2908. 33= 76. 92%。

5 结论本文(wén)在分(fēn)析電(diàn)子洁净厂房空调特点、常规湿度独立控制系统特点的基础上，提出了双冷源温湿度独立控制系统，并对该系统进行了深入分(fēn)析，同时将其与组合式空调机组进行了有(yǒu)机组合，為(wèi)電(diàn)子洁净厂房空调设计提供了新(xīn)的思路。综观全文(wén)可(kě)以得到以下结论:

( 1) 電(diàn)子洁净厂房空调复杂，它具有(yǒu): 控制参数多(duō)控制精度高﹑新(xīn)风量大﹑空调负荷大﹑空调机房占地面积大数量多(duō)等特点。

( 2)温湿度独立控制系统在实际工程中有(yǒu)多(duō)种形式，每种形式各有(yǒu)特点，在实际应用(yòng)时应根据工程情况确定采用(yòng)适宜的形式。

( 3)使用(yòng)低品位冷源对新(xīn)风进行预冷处理(lǐ)，可(kě)以明显减少对高品位冷源的使用(yòng)，显著提高系统整體(tǐ)能(néng)效。

( 4)双冷源温湿度独立控制系统主要使用(yòng)高温冷冻水( 低品位冷源) ，对高品位冷源使用(yòng)量少，系统能(néng)效比高，且系统简单、占用(yòng)室内空间小(xiǎo)、易于与组合式空调器配套使用(yòng)、方便上自动控制系统、管理(lǐ)方便，该系统能(néng)很(hěn)好地适应電(diàn)子洁净厂房的空调特点。

［参考文(wén)献］

［1］      王小(xiǎo)霞．微電(diàn)子工业洁净厂房的设计探讨［D］南京: 东南大學(xué)硕士论文(wén)， 2006．

［2］      张喜东．浅谈我國(guó)電(diàn)子产业发展策战略［J］．中國(guó)化工贸易， 2011.7: 062 ～063．

［3］      陈霖新(xīn)洁净厂房的设计与施工［M］．北京:化學(xué)工业出版社， 2003．

［4］      住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中國(guó)建筑标准设计研究院．全國(guó)民(mín)用(yòng)建筑工程设计技术措施暖通空调．动力［M］．北京:中國(guó)计划出版社， 2009．

［5］      杨修飞，罗清海，杨会娟，等．温湿度独立控制空调系统的现状分(fēn)析［ J］．能(néng)源工程， 2011， 8: 58 ～60．

［6］      陆耀庆．实用(yòng)供热空调设计手册实用(yòng)节能(néng)技术［M］．北京: 中國(guó)建筑工业出版社， 2010．

［7］      董彬，芮胜军，赵慧，等．联合除湿式温湿度恒定装置的实验研究［ J］．建筑热能(néng)通风空调，2008， 2( 27) :32 ～35．

［8］      王飞．基于双温冷源的温湿度独立控制空调系统的研究［D］．广州:华南理(lǐ)工大學(xué)硕士论文(wén)，2011．

赵雷昌，傅建勋．温湿度独立控制在常温低湿环境空调设计中的应用(yòng)分(fēn)析