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洁净室节能的十个技巧

2016-06-04
洁净室里存在大量可以节约能源的地方，例如暖气、通风和空调（HVAC）、工艺冷却、压缩空气以及一些其他的设施。

HVAC 系统消耗的电力超过了整座晶片制造厂用电量的一半。之所以造成大量浪费电力及HVAC的容量过剩，很大程度上是因为在设计和建造工厂时走捷径，尽可能地压缩前期投入，而不顾后期运行费用。高效率的设计和高效率设备需要很大的前期投入。那种“小处节约大处浪费”的所谓捷径和削减成本，会造成工厂的运行性能降低和能耗增加。
对已建成工厂的改建通常会陷入到毫无意义的经济漩涡当中。升级的投资收回率通常比直接购买新设备要高很多。大部分工厂设备翻新的投资回收期不超过两年――也就是说，通常投资收回率至少是50%，对照投资新的固定资产，则只有10%到15%（即投资回收期需要七年时间）。这些情况降低了企业的竞争力和投资股东的兴趣。在今天高度发达的工业中，工厂运行和产品设计一样需要改革。
高效率地利用能源的例子很多。挖掘浪费的能源比卖产品更能增加利润，因为节约下来的钱在最终效益中马上就能体现出来。虽然能源的成本占晶片产品成本占不到百分之二，但是电能却是晶片制造商在运行中的开支却是最大的，每座工厂每年总共要消耗上百万美元的电能。在新建工厂时，节能措施可以节约资本和建造时间。虽然初步设计报价昂贵，但是经济翻新的可能性仍然存在。设备翻新的投资回收期不超过两年，总体而言，在某种程度上投资收回率是较高的。
下面是新建和现有工厂提供解决能效的十个技巧，不但提供了可靠的技术，风险也最小、而且费用低或者不需要花钱，而投资回收期又很吸引人。

一、 低断面风速设计
断面风速就是空气处理部件中空气经过过滤器或者加热/冷却盘管的速度（参见图1）。


图1 低断面风速（LFV）设计使用更
大的空气处理器和较小的风机，从而
降低空气的流速，降低能耗和设备寿
命成本。

大部分工程师根据“经验”把空气处理器设计成500英寸/分钟。这样的设计虽然节省时间，但是却增加了运作费用。在低断面风速（LFV）设计中，使用更大的空气处理器和更小的风机，从而降低空气的流速，降低能耗和设寿命成本。
压降决定了风机的能量损耗。由“平方定则”可知压降与速度下降的平方成正比。如果断面风速降低20%，那么压降将下降36%；如果断面风速降低50%，压降将下降四分之三。根据“立方定则”，风机能耗的变化与流量变化的立方成正比。如果空气流量降低50%，风机能耗将下降88%。
因此，较大尺寸的空气处理器、较大的过滤器和盘管面积消耗较少的风机能量，可以使用比较小的风机和马达。小风机给空气添加的热量比较少，降低了冷却的难度。厚度小的盘管更容易清洗、工作效率更高，所以冷冻水的温度可以更高。过滤器在低断面风速情况下，工作效果更好、寿命更长。
LFV设计减少了空气和水的压降，减小了冷却盘管的带水量。流线型设计，几乎没有尖角，从而使压降减少10%到15%。
LFV设计也可以把压降降低四分之一。目标是使能量损耗降低至少25%，减小变速风机的大小。最优的断面风速范围是250-450英尺/分钟，具体取决于使用情况和能量消耗。

二、换气次数
洁净室维持一定的空气流量来保持清洁度和颗粒数。流量根据每小时的换气次数来确定，同时这也决定了风机尺寸、建筑构型和能量消耗。在保持洁净度的前提条件下，空气流速的降低可以降低建造及能耗成本。换气次数降低20%就可以使风机的尺寸降低50%。空气洁净度比节约能耗更重要，但是最新的研究成果已经有降低洁净成本的记载了。
关于最佳换气次数还没有达成共识。许多原则都已过时，是建立在老观念上，采用低效的空气过滤器。调查显示，ISO第5级标准的洁净室推荐的换气次数变化范围是从250到700以上。
美国的一所国家实验室正在确定ISO第5级洁净室的标准。研究显示，实际换气次数范围是90到250――比操作规程标准低很多，而且不会影响生产和洁净度。因此建议ISO第5级洁净室的换气次数大约是200，保守的上限是300。

三、马达效率
马达消耗了洁净室的大部分电能。连续运转的马达每月消耗大量的电力。 适当地提高效率、适当地调节尺寸，在翻新后，经济效果多半是不错的。效率增加几个百分点，利润就可增加。
使用优质高效的马达，不一定会花费太多。高效率意味着最小，在改变马达的尺寸之前先尽量减小负荷。在输出量变化时，利用变速驱动（VSD）可以提高操作效率。

四、变速驱动的冷冻机
变速驱动冷冻机能节省大量的能量和金钱。许多洁净室的设计人员和操作人员认为，没有必要使用变速驱动冷冻机，因为负荷通常是恒定的，多级冷冻机机组通常控制为高负荷运转。但是负荷恒定的冷冻机通常工作在满负荷以下。变速驱动冷冻机通常工作在全负荷的90%-95%以节省能量。一台1000吨的冷冻机稳定工作在满负荷的70%，如果使用了变速驱动，每年就可节省两万到三万美元。根据生产商的数据，电能的价格是0.05美元/千瓦时，这样大约一年就可以回收成本。
多级冷冻机冷水式机组很少高负荷运转。通常情况下，现场负荷通常不是正好匹配机组的能级变化。许多操作人员运行额外的冷冻机以求可靠，一旦某个冷冻机发生故障，其它的冷冻机可以立刻补充，接替其全部负荷，因此冷水式机组经常是让冷冻机在制冷能力的60%到80%运转。
在购买新冷冻机的时候，指定购买变速驱动冷冻机是划算的。用变速驱动冷冻机可降低能耗，同时让其他冷冻机可靠性运行。有许多的研究和实验证明，变速驱动冷冻机的效果是很好的。二十多年来，变速驱动冷冻机制造厂商制造出更可靠性的产品，用在新建的和升级的洁净工厂里面。

五、双温度冷冻循环
冷冻系统通常设计成可以承受最大负荷，不管最大负荷发生得是否频繁。流程中处于冷冻循环的冷冻水温度，是由所有负荷中只占一小部分的极端热负荷来确定，这只是许多情况中的一两种。这会造成冷冻能力过剩，在负荷不足的情况下效率低下。当供给的冷冻水的温度较低时，冷冻机的工作效率也会很低。平均来说，冷冻水的供给温度每增加一华氏度，冷冻器效率就提高一个百分点以上。如果划分负荷，提供两个不同温度的冷冻水，那么工作效率将会更高（参见图2）。


图2 设计者可以使用并联循环管路，
将他们分成两个子系统，这样可以在
需要最大冷量的时候，冷冻机可以工
作在相对不很苛刻的条件下。

设计人员可以使用并联循环管路，将他们成两个子系统，这样可以在需要最大冷量的时候，冷冻机可以工作在相对不很苛刻的条件下。用专用冷冻机进行中等温度的循环（例如55oF到65oF），它的运作是针对冷冻水的温度进行优化的，可以满足工厂的大部分需要。另一个较小的高效冷冻机提供温度较低的循环（例如：39oF到43oF），可以满足负荷中要求苛刻的部分。
这个方案可以迅速增加整个冷冻机机组的效率提高百分之二十五或更多。对于相同容量的冷冻机，高温工作要比低温工作花费小得多。

六、冷却塔的优化
高效冷却塔通过降低冷凝水的供给温度来提高冷冻机效率（参见图3）。


图3 所有的冷却塔都应该并联工作，
在表面积增加的情况下蒸发冷，效果
却达到最佳。

从冷冻机中每输出一吨冷冻水，一般的冷却塔需要100瓦的能量。效率提高可高达十倍，例如采用更为接近入口、出口温差、更有效的气流设计、优质高效的配有变速驱动马达的风机、减少高度以限制泵的扬程以及增加填充面积（选择大尺寸的塔）等。
不同的外界空气的湿温度和冷却水的供给温度，这个温差有所不同，应该控制在3oF到5oF之间。
所有的冷却塔都应该并联工作，在表面积增加的情况下蒸发冷却达到最佳。
许多任务厂使用多级塔，它们使用单速或双速的风机，并且把塔分成不同的阶段。一个塔全速运转直到负荷超过它的承受能力，然后另一个塔开启，它工作在较低或较高的功率状态。这个方案可以导致冷却塔负荷出现较大的、不断递增的变化，频繁地低于或者超过要求的额定值，从而出现锯齿状的能耗状况，降低冷冻机的效率。
因而所有的冷却塔都应该并行工作，在表面积增加的情况下蒸发冷却达到最佳。如果更多的塔在低速状态下工作，使用变速驱动调节风机的速度，随负载变化而调整，根据“立方定律”，在较低的速度下风机可以节省能量。
工厂通常采用专门一个冷却塔为每一个冷冻机供应冷凝水。这种构想不允许冷冻机利用冷却塔并行运作。只有为冷凝水系统加上普通的集管才允许冷却塔并行运行，不考虑冷却要求。

七、自由冷却
使用外面的空气进行冷却是经济的，在商业大楼得到广泛采用。另外一种 “自由冷却”方案适用于需要恒定的冷冻水以及风机盘管的系统，比如洁净室。
自由冷却技术直接利用处在低温或低湿度环境中的冷却塔制造冷冻水，减少或取代冷冻机的使用。根据天气的变化，使用自由冷却系统可以把冷却系统的耗能减少到十分之一（从0.5千瓦/冷吨减少到0.05千瓦/冷吨）。
直接与工艺负荷进行热交换，可以使自由冷却技术利用外面温度较高的大气，要比用在二级或者三级热交换系统进行热交换的时间长出若干个小时。由板式热交换器分隔开来的冷却水和冷凝水之间的温差很接近（比如只有2oF）。当温度和湿度相当低时，冷却塔可以独立运行，无需风机。根据温湿图，很多地方每年有很多的时间都可以进行自由冷却。

八、热量回收
许多任务厂都要消耗大量的能量来制热，同时又消耗更多的能量从工艺过程中移除“废”热，却没有把这两个过程结合起来。回收的热量可以用来预热新风，送风再热，以及其它用途。AHU预热盘管可以用废水预热外来的空气（在炎热的天气下也可预冷）。
再热盘管可以从空气压缩机或者冷冻机的冷凝器回水中回收废热，同时节省了冷冻机能量和锅炉燃料。热交换器可以使不能混合或者直接接触的不同介质进行热量交换。

九、变频泵
过去配备变频驱动的设备经常出现故障，而且控制复杂，所以很多工程师和管理人员不愿意使用变频驱动。可靠性比节能更重要，而老的变频驱动可靠性差。最近十年中，变频驱动可靠性提高了，价格降低了。许多关键系统现在都在使用变频驱动。
我们认为在洁净室中的许多系统和各类的泵上使用变频驱动是安全和划算的。实际上，可以证明考虑投资回收率却不使用变频驱动是不负责任的，因为其投资回收期不满一年。
冷冻水和冷凝水的泵系统流量变化较大，冷冻水和冷凝水系统有最小流量要求，基本上在50%到75%之间。根据“立方定则”，流量减少很小，就会产生可观的能量节约。流量减少20%，就会产生几乎50%的泵功率下降。
大多数已知的冷冻水系统使用一级泵定流量/二级泵变流量设计，二级泵采用变频驱动。使用变频驱动时，所有冷冻水要使用双道通阀，否则就失去使用变频泵的意义了。
新建工厂时，使用变流量一级泵系统，不再需要二级泵，节省了工程费用。运行适当，这套简单可靠的系统可以通过冷冻机中的冷冻水流量变化而节约大量能源。这项技术被冷冻机供应商和各种专业协会所广泛宣扬，例如ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating & Air Conditioning Engineers）。

十、离心式压缩机
空气压缩机的改进节约了大量能源。离心式压缩机是无油的，比螺杆式压缩机的效率高很多。但是离心式压缩机不能空转，这使得他们在负载低的情况下效率很低。最有效和经济的办法是离心式和螺杆式压缩机两者结合使用。选用离心机组满足基本负荷，再用小一些的螺杆式机组满足峰值负荷。压缩机组应该配有热回收系统。
另一种方案是整个现场用高效的离心式压缩机作为一个大的压缩空气装置，外加大的储气罐和连接管道作为缓冲器。这样可以保证整个工厂维持一个恒定载荷，减轻加载与卸载对设备的损耗，并且降低能量浪费。
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