如保讓潔凈室更節(jié)能：

一、摘要：潔凈室里存在大量可以節(jié)約能源的地方，例如暖氣、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）、工藝?yán)鋮s、壓縮空氣以及一些其他的設(shè)施。

HVAC系統(tǒng)消耗的電力超過了整座晶片制造廠用電量的一半。之所以造成大量浪費電力及HVAC的容量過剩，很大程度上是因為在設(shè)計和建造工廠時走捷徑，盡可能地壓縮前期投入，而不顧后期運行費用。高效率的設(shè)計和高效率設(shè)備需要很大的前期投入。那種“小處節(jié)約大處浪費”的所謂捷徑和削減成本，會造成工廠的運行性能降低和能耗增加。
對已建成工廠的改建通常會陷入到毫無意義的經(jīng)濟(jì)漩渦當(dāng)中。升級的投資收回率通常比直接購買新設(shè)備要高很多。大部分工廠設(shè)備翻新的投資回收期不超過兩年――也就是說，通常投資收回率至少是50%，對照投資新的固定資產(chǎn)，則只有10%到15%（即投資回收期需要七年時間）。這些情況降低了企業(yè)的競爭力和投資股東的興趣。在今天高度發(fā)達(dá)的工業(yè)中，工廠運行和產(chǎn)品設(shè)計一樣需要改革。
高效率地利用能源的例子很多。挖掘浪費的能源比賣產(chǎn)品更能增加利潤，因為節(jié)約下來的錢在最終效益中馬上就能體現(xiàn)出來。雖然能源的成本占晶片產(chǎn)品成本占不到百分之二，但是電能卻是晶片制造商在運行中的開支卻是最大的，每座工廠每年總共要消耗上百萬美元的電能。在新建工廠時，節(jié)能措施可以節(jié)約資本和建造時間。雖然初步設(shè)計報價昂貴，但是經(jīng)濟(jì)翻新的可能性仍然存在。設(shè)備翻新的投資回收期不超過兩年，總體而言，在某種程度上投資收回率是較高的。

一、 低斷面風(fēng)速設(shè)計
斷面風(fēng)速就是空氣處理部件中空氣經(jīng)過過濾器或者加熱/冷卻盤管的速度。
大部分工程師根據(jù)“經(jīng)驗”把空氣處理器設(shè)計成500英寸/分鐘。這樣的設(shè)計雖然節(jié)省時間，但是卻增加了運作費用。在低斷面風(fēng)速（LFV）設(shè)計中，使用更大的空氣處理器和更小的風(fēng)機(jī)，從而降低空氣的流速，降低能耗和設(shè)壽命成本。
壓降決定了風(fēng)機(jī)的能量損耗。由“平方定則”可知壓降與速度下降的平方成正比。如果斷面風(fēng)速降低20%，那么壓降將下降36%；如果斷面風(fēng)速降低50%，壓降將下降四分之三。根據(jù)“立方定則”，風(fēng)機(jī)能耗的變化與流量變化的立方成正比。如果空氣流量降低50%，風(fēng)機(jī)能耗將下降88%。
因此，較大尺寸的空氣處理器、較大的過濾器和盤管面積消耗較少的風(fēng)機(jī)能量，可以使用比較小的風(fēng)機(jī)和馬達(dá)。小風(fēng)機(jī)給空氣添加的熱量比較少，降低了冷卻的難度。厚度小的盤管更容易清洗、工作效率更高，所以冷凍水的溫度可以更高。過濾器在低斷面風(fēng)速情況下，工作效果更好、壽命更長。
LFV設(shè)計減少了空氣和水的壓降，減小了冷卻盤管的帶水量。流線型設(shè)計，幾乎沒有尖角，從而使壓降減少10%到15%。
LFV設(shè)計也可以把壓降降低四分之一。目標(biāo)是使能量損耗降低至少25%，減小變速風(fēng)機(jī)的大小。最優(yōu)的斷面風(fēng)速范圍是250-450英尺/分鐘，具體取決于使用情況和能量消耗。

二、換氣次數(shù)
潔凈室維持一定的空氣流量來保持清潔度和顆粒數(shù)。流量根據(jù)每小時的換氣次數(shù)來確定，同時這也決定了風(fēng)機(jī)尺寸、建筑構(gòu)型和能量消耗。在保持潔凈度的前提條件下，空氣流速的降低可以降低建造及能耗成本。換氣次數(shù)降低20%就可以使風(fēng)機(jī)的尺寸降低50%。空氣潔凈度比節(jié)約能耗更重要，但是最新的研究成果已經(jīng)有降低潔凈成本的記載了。
關(guān)于最佳換氣次數(shù)還沒有達(dá)成共識。許多原則都已過時，是建立在老觀念上，采用低效的空氣過濾器。調(diào)查顯示，ISO第5級標(biāo)準(zhǔn)的潔凈室推薦的換氣次數(shù)變化范圍是從250到700以上。
美國的一所國家實驗室正在確定ISO第5級潔凈室的標(biāo)準(zhǔn)。研究顯示，實際換氣次數(shù)范圍是90到250――比操作規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)低很多，而且不會影響生產(chǎn)和潔凈度。因此建議ISO第5級潔凈室的換氣次數(shù)大約是200，保守的上限是300。

三、馬達(dá)效率
馬達(dá)消耗了潔凈室的大部分電能。連續(xù)運轉(zhuǎn)的馬達(dá)每月消耗大量的電力。 適當(dāng)?shù)靥岣咝省⑦m當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)尺寸，在翻新后，經(jīng)濟(jì)效果多半是不錯的。效率增加幾個百分點，利潤就可增加。
使用優(yōu)質(zhì)高效的馬達(dá)，不一定會花費太多。高效率意味著最小，在改變馬達(dá)的尺寸之前先盡量減小負(fù)荷。在輸出量變化時，利用變速驅(qū)動（VSD）可以提高操作效率。

四、變速驅(qū)動的冷凍機(jī)
變速驅(qū)動冷凍機(jī)能節(jié)省大量的能量和金錢。許多潔凈室的設(shè)計人員和操作人員認(rèn)為，沒有必要使用變速驅(qū)動冷凍機(jī)，因為負(fù)荷通常是恒定的，多級冷凍機(jī)機(jī)組通常控制為高負(fù)荷運轉(zhuǎn)。但是負(fù)荷恒定的冷凍機(jī)通常工作在滿負(fù)荷以下。變速驅(qū)動冷凍機(jī)通常工作在全負(fù)荷的90%-95%以節(jié)省能量。一臺1000噸的冷凍機(jī)穩(wěn)定工作在滿負(fù)荷的70%，如果使用了變速驅(qū)動，每年就可節(jié)省兩萬到三萬美元。根據(jù)生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)，電能的價格是0.05美元/千瓦時，這樣大約一年就可以回收成本。
多級冷凍機(jī)冷水式機(jī)組很少高負(fù)荷運轉(zhuǎn)。通常情況下，現(xiàn)場負(fù)荷通常不是正好匹配機(jī)組的能級變化。許多操作人員運行額外的冷凍機(jī)以求可靠，一旦某個冷凍機(jī)發(fā)生故障，其它的冷凍機(jī)可以立刻補充，接替其全部負(fù)荷，因此冷水式機(jī)組經(jīng)常是讓冷凍機(jī)在制冷能力的60%到80%運轉(zhuǎn)。
在購買新冷凍機(jī)的時候，指定購買變速驅(qū)動冷凍機(jī)是劃算的。用變速驅(qū)動冷凍機(jī)可降低能耗，同時讓其他冷凍機(jī)可靠性運行。有許多的研究和實驗證明，變速驅(qū)動冷凍機(jī)的效果是很好的。二十多年來，變速驅(qū)動冷凍機(jī)制造廠商制造出更可靠性的產(chǎn)品，用在新建的和升級的潔凈工廠里面。

五、雙溫度冷凍循環(huán)
冷凍系統(tǒng)通常設(shè)計成可以承受最大負(fù)荷，不管最大負(fù)荷發(fā)生得是否頻繁。流程中處于冷凍循環(huán)的冷凍水溫度，是由所有負(fù)荷中只占一小部分的極端熱負(fù)荷來確定，這只是許多情況中的一兩種。這會造成冷凍能力過剩，在負(fù)荷不足的情況下效率低下。當(dāng)供給的冷凍水的溫度較低時，冷凍機(jī)的工作效率也會很低。平均來說，冷凍水的供給溫度每增加一華氏度，冷凍器效率就提高一個百分點以上。如果劃分負(fù)荷，提供兩個不同溫度的冷凍水，那么工作效率將會更高
。
設(shè)計人員可以使用并聯(lián)循環(huán)管路，將他們 成兩個子系統(tǒng)，這樣可以在需要最大冷量的時候，冷凍機(jī)可以工作在相對不很苛刻的條件下。用專用冷凍機(jī)進(jìn)行中等溫度的循環(huán)（例如55oF到65oF），它的運作是針對冷凍水的溫度進(jìn)行優(yōu)化的，可以滿足工廠的大部分需要。另一個較小的高效冷凍機(jī)提供溫度較低的循環(huán)（例如：39oF到43oF），可以滿足負(fù)荷中要求苛刻的部分。
這個方案可以迅速增加整個冷凍機(jī)機(jī)組的效率提高百分之二十五或更多。對于相同容量的冷凍機(jī)，高溫工作要比低溫工作花費小得多。

六、冷卻塔的優(yōu)化
高效冷卻塔通過降低冷凝水的供給溫度來提高冷凍機(jī)效率。
從冷凍機(jī)中每輸出一噸冷凍水，一般的冷卻塔需要100瓦的能量。效率提高可高達(dá)十倍，例如采用更為接近入口、出口溫差、更有效的氣流設(shè)計、優(yōu)質(zhì)高效的配有變速驅(qū)動馬達(dá)的風(fēng)機(jī)、減少高度以限制泵的揚程以及增加填充面積（選擇大尺寸的塔）等。
不同的外界空氣的濕溫度和冷卻水的供給溫度，這個溫差有所不同，應(yīng)該控制在3oF到5oF之間。
所有的冷卻塔都應(yīng)該并聯(lián)工作，在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷卻達(dá)到最佳。
許多任務(wù)廠使用多級塔，它們使用單速或雙速的風(fēng)機(jī)，并且把塔分成不同的階段。一個塔全速運轉(zhuǎn)直到負(fù)荷超過它的承受能力，然后另一個塔開啟，它工作在較低或較高的功率狀態(tài)。這個方案可以導(dǎo)致冷卻塔負(fù)荷出現(xiàn)較大的、不斷遞增的變化，頻繁地低于或者超過要求的額定值，從而出現(xiàn)鋸齒狀的能耗狀況，降低冷凍機(jī)的效率。
因而所有的冷卻塔都應(yīng)該并行工作，在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷卻達(dá)到最佳。如果更多的塔在低速狀態(tài)下工作，使用變速驅(qū)動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度，隨負(fù)載變化而調(diào)整，根據(jù)“立方定律”，在較低的速度下風(fēng)機(jī)可以節(jié)省能量。
工廠通常采用專門一個冷卻塔為每一個冷凍機(jī)供應(yīng)冷凝水。這種構(gòu)想不允許冷凍機(jī)利用冷卻塔并行運作。只有為冷凝水系統(tǒng)加上普通的集管才允許冷卻塔并行運行，不考慮冷卻要求。

七、自由冷卻
使用外面的空氣進(jìn)行冷卻是經(jīng)濟(jì)的，在商業(yè)大樓得到廣泛采用。另外一種 “自由冷卻”方案適用于需要恒定的冷凍水以及風(fēng)機(jī)盤管的系統(tǒng)，比如潔凈室。
自由冷卻技術(shù)直接利用處在低溫或低濕度環(huán)境中的冷卻塔制造冷凍水，減少或取代冷凍機(jī)的使用。根據(jù)天氣的變化，使用自由冷卻系統(tǒng)可以把冷卻系統(tǒng)的耗能減少到十分之一（從0.5千瓦/冷噸減少到0.05千瓦/冷噸）。
直接與工藝負(fù)荷進(jìn)行熱交換，可以使自由冷卻技術(shù)利用外面溫度較高的大氣，要比用在二級或者三級熱交換系統(tǒng)進(jìn)行熱交換的時間長出若干個小時。由板式熱交換器分隔開來的冷卻水和冷凝水之間的溫差很接近（比如只有2oF）。當(dāng)溫度和濕度相當(dāng)?shù)蜁r，冷卻塔可以獨立運行，無需風(fēng)機(jī)。根據(jù)溫濕圖，很多地方每年有很多的時間都可以進(jìn)行自由冷卻。

八、熱量回收
許多任務(wù)廠都要消耗大量的能量來制熱，同時又消耗更多的能量從工藝過程中移除“廢”熱，卻沒有把這兩個過程結(jié)合起來。回收的熱量可以用來預(yù)熱新風(fēng)，送風(fēng)再熱，以及其它用途。AHU預(yù)熱盤管可以用廢水預(yù)熱外來的空氣（在炎熱的天氣下也可預(yù)冷）。
再熱盤管可以從空氣壓縮機(jī)或者冷凍機(jī)的冷凝器回水中回收廢熱，同時節(jié)省了冷凍機(jī)能量和鍋爐燃料。熱交換器可以使不能混合或者直接接觸的不同介質(zhì)進(jìn)行熱量交換。

九、變頻泵
過去配備變頻驅(qū)動的設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，而且控制復(fù)雜，所以很多工程師和管理人員不愿意使用變頻驅(qū)動。可靠性比節(jié)能更重要，而老的變頻驅(qū)動可靠性差。最近十年中，變頻驅(qū)動可靠性提高了，價格降低了。許多關(guān)鍵系統(tǒng)現(xiàn)在都在使用變頻驅(qū)動。
我們認(rèn)為在潔凈室中的許多系統(tǒng)和各類的泵上使用變頻驅(qū)動是安全和劃算的。實際上，可以證明考慮投資回收率卻不使用變頻驅(qū)動是不負(fù)責(zé)任的，因為其投資回收期不滿一年。
冷凍水和冷凝水的泵系統(tǒng)流量變化較大，冷凍水和冷凝水系統(tǒng)有最小流量要求，基本上在50%到75%之間。根據(jù)“立方定則”，流量減少很小，就會產(chǎn)生可觀的能量節(jié)約。流量減少20%，就會產(chǎn)生幾乎50%的泵功率下降。
大多數(shù)已知的冷凍水系統(tǒng)使用一級泵定流量/二級泵變流量設(shè)計，二級泵采用變頻驅(qū)動。使用變頻驅(qū)動時，所有冷凍水要使用雙道通閥，否則就失去使用變頻泵的意義了。
新建工廠時，使用變流量一級泵系統(tǒng)，不再需要二級泵，節(jié)省了工程費用。運行適當(dāng)，這套簡單可靠的系統(tǒng)可以通過冷凍機(jī)中的冷凍水流量變化而節(jié)約大量能源。這項技術(shù)被冷凍機(jī)供應(yīng)商和各種專業(yè)協(xié)會所廣泛宣揚，例如ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating & Air Conditioning Engineers）。

十、離心式壓縮機(jī)
空氣壓縮機(jī)的改進(jìn)節(jié)約了大量能源。離心式壓縮機(jī)是無油的，比螺桿式壓縮機(jī)的效率高很多。但是離心式壓縮機(jī)不能空轉(zhuǎn)，這使得他們在負(fù)載低的情況下效率很低。最有效和經(jīng)濟(jì)的辦法是離心式和螺桿式壓縮機(jī)兩者結(jié)合使用。選用離心機(jī)組滿足基本負(fù)荷，再用小一些的螺桿式機(jī)組滿足峰值負(fù)荷。壓縮機(jī)組應(yīng)該配有熱回收系統(tǒng)。
另一種方案是整個現(xiàn)場用高效的離心式壓縮機(jī)作為一個大的壓縮空氣裝置，外加大的儲氣罐和連接管道作為緩沖器。這樣可以保證整個工廠維持一個恒定載荷，減輕加載與卸載對設(shè)備的損耗，并且降低能量浪費。

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