怎樣才能讓潔凈室更節能？

一、摘要：潔凈室里存在大量可以節約能源的地方，例如暖氣、通風(fēng)和空調（HVAC）、工藝冷卻、壓縮空氣以及一些其他的設施。

HVAC系統消耗的電力超過(guò)了整座晶片制造廠(chǎng)用電量的一半。之所以造成大量浪費電力及HVAC的容量過(guò)剩，很大程度上是因為在設計和建造工廠(chǎng)時(shí)走捷徑，盡可能地壓縮前期投入，而不顧后期運行費用。高效率的設計和高效率設備需要很大的前期投入。那種“小處節約大處浪費”的所謂捷徑和削減成本，會(huì )造成工廠(chǎng)的運行性能降低和能耗增加。
對已建成工廠(chǎng)的改建通常會(huì )陷入到毫無(wú)意義的經(jīng)濟漩渦當中。升級的投資收回率通常比直接購買(mǎi)新設備要高很多。大部分工廠(chǎng)設備翻新的投資回收期不超過(guò)兩年――也就是說(shuō)，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(shí)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)達的工業(yè)中，工廠(chǎng)運行和產(chǎn)品設計一樣需要改革。
高效率地利用能源的例子很多。挖掘浪費的能源比賣(mài)產(chǎn)品更能增加利潤，因為節約下來(lái)的錢(qián)在最終效益中馬上就能體現出來(lái)。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(kāi)支卻是最大的，每座工廠(chǎng)每年總共要消耗上百萬(wàn)美元的電能。在新建工廠(chǎng)時(shí)，節能措施可以節約資本和建造時(shí)間。雖然初步設計報價(jià)昂貴，但是經(jīng)濟翻新的可能性仍然存在。設備翻新的投資回收期不超過(guò)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)速設計
斷面風(fēng)速就是空氣處理部件中空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器或者加熱/冷卻盤(pán)管的速度。
大部分工程師根據“經(jīng)驗”把空氣處理器設計成500英寸/分鐘。這樣的設計雖然節省時(shí)間，但是卻增加了運作費用。在低斷面風(fēng)速（LFV）設計中，使用更大的空氣處理器和更小的風(fēng)機，從而降低空氣的流速，降低能耗和設壽命成本。
壓降決定了風(fēng)機的能量損耗。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“立方定則”，風(fēng)機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)機能耗將下降88%。
因此，較大尺寸的空氣處理器、較大的過(guò)濾器和盤(pán)管面積消耗較少的風(fēng)機能量，可以使用比較小的風(fēng)機和馬達。小風(fēng)機給空氣添加的熱量比較少，降低了冷卻的難度。厚度小的盤(pán)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(guò)濾器在低斷面風(fēng)速情況下，工作效果更好、壽命更長(cháng)。
LFV設計減少了空氣和水的壓降，減小了冷卻盤(pán)管的帶水量。流線(xiàn)型設計，幾乎沒(méi)有尖角，從而使壓降減少10%到15%。
LFV設計也可以把壓降降低四分之一。目標是使能量損耗降低至少25%，減小變速風(fēng)機的大小。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
潔凈室維持一定的空氣流量來(lái)保持清潔度和顆粒數。流量根據每小時(shí)的換氣次數來(lái)確定，同時(shí)這也決定了風(fēng)機尺寸、建筑構型和能量消耗。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。換氣次數降低20%就可以使風(fēng)機的尺寸降低50%?？諝鉂崈舳缺裙澕s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)于最佳換氣次數還沒(méi)有達成共識。許多原則都已過(guò)時(shí)，是建立在老觀(guān)念上，采用低效的空氣過(guò)濾器。調查顯示，ISO第5級標準的潔凈室推薦的換氣次數變化范圍是從250到700以上。
美國的一所國家實(shí)驗室正在確定ISO第5級潔凈室的標準。研究顯示，實(shí)際換氣次數范圍是90到250――比操作規程標準低很多，而且不會(huì )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大約是200，保守的上限是300。

三、馬達效率
馬達消耗了潔凈室的大部分電能。連續運轉的馬達每月消耗大量的電力。 適當地提高效率、適當地調節尺寸，在翻新后，經(jīng)濟效果多半是不錯的。效率增加幾個(gè)百分點(diǎn)，利潤就可增加。
使用優(yōu)質(zhì)高效的馬達，不一定會(huì )花費太多。高效率意味著(zhù)最小，在改變馬達的尺寸之前先盡量減小負荷。在輸出量變化時(shí)，利用變速驅動(dòng)（VSD）可以提高操作效率。

四、變速驅動(dòng)的冷凍機
變速驅動(dòng)冷凍機能節省大量的能量和金錢(qián)。許多潔凈室的設計人員和操作人員認為，沒(méi)有必要使用變速驅動(dòng)冷凍機，因為負荷通常是恒定的，多級冷凍機機組通?？刂茷楦哓摵蛇\轉。但是負荷恒定的冷凍機通常工作在滿(mǎn)負荷以下。變速驅動(dòng)冷凍機通常工作在全負荷的90%-95%以節省能量。一臺1000噸的冷凍機穩定工作在滿(mǎn)負荷的70%，如果使用了變速驅動(dòng)，每年就可節省兩萬(wàn)到三萬(wàn)美元。根據生產(chǎn)商的數據，電能的價(jià)格是0.05美元/千瓦時(shí)，這樣大約一年就可以回收成本。
多級冷凍機冷水式機組很少高負荷運轉。通常情況下，現場(chǎng)負荷通常不是正好匹配機組的能級變化。許多操作人員運行額外的冷凍機以求可靠，一旦某個(gè)冷凍機發(fā)生故障，其它的冷凍機可以立刻補充，接替其全部負荷，因此冷水式機組經(jīng)常是讓冷凍機在制冷能力的60%到80%運轉。
在購買(mǎi)新冷凍機的時(shí)候，指定購買(mǎi)變速驅動(dòng)冷凍機是劃算的。用變速驅動(dòng)冷凍機可降低能耗，同時(shí)讓其他冷凍機可靠性運行。有許多的研究和實(shí)驗證明，變速驅動(dòng)冷凍機的效果是很好的。二十多年來(lái)，變速驅動(dòng)冷凍機制造廠(chǎng)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(chǎng)里面。

五、雙溫度冷凍循環(huán)
冷凍系統通常設計成可以承受最大負荷，不管最大負荷發(fā)生得是否頻繁。流程中處于冷凍循環(huán)的冷凍水溫度，是由所有負荷中只占一小部分的極端熱負荷來(lái)確定，這只是許多情況中的一兩種。這會(huì )造成冷凍能力過(guò)剩，在負荷不足的情況下效率低下。當供給的冷凍水的溫度較低時(shí)，冷凍機的工作效率也會(huì )很低。平均來(lái)說(shuō)，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(gè)百分點(diǎn)以上。如果劃分負荷，提供兩個(gè)不同溫度的冷凍水，那么工作效率將會(huì )更高
。
設計人員可以使用并聯(lián)循環(huán)管路，將他們 成兩個(gè)子系統，這樣可以在需要最大冷量的時(shí)候，冷凍機可以工作在相對不很苛刻的條件下。用專(zhuān)用冷凍機進(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(mǎn)足工廠(chǎng)的大部分需要。另一個(gè)較小的高效冷凍機提供溫度較低的循環(huán)（例如：39oF到43oF），可以滿(mǎn)足負荷中要求苛刻的部分。
這個(gè)方案可以迅速增加整個(gè)冷凍機機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，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(guò)降低冷凝水的供給溫度來(lái)提高冷凍機效率。
從冷凍機中每輸出一噸冷凍水，一般的冷卻塔需要100瓦的能量。效率提高可高達十倍，例如采用更為接近入口、出口溫差、更有效的氣流設計、優(yōu)質(zhì)高效的配有變速驅動(dòng)馬達的風(fēng)機、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(gè)溫差有所不同，應該控制在3oF到5oF之間。
所有的冷卻塔都應該并聯(lián)工作，在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷卻達到最佳。
許多任務(wù)廠(chǎng)使用多級塔，它們使用單速或雙速的風(fēng)機，并且把塔分成不同的階段。一個(gè)塔全速運轉直到負荷超過(guò)它的承受能力，然后另一個(gè)塔開(kāi)啟，它工作在較低或較高的功率狀態(tài)。這個(gè)方案可以導致冷卻塔負荷出現較大的、不斷遞增的變化，頻繁地低于或者超過(guò)要求的額定值，從而出現鋸齒狀的能耗狀況，降低冷凍機的效率。
因而所有的冷卻塔都應該并行工作，在表面積增加的情況下蒸發(fā)冷卻達到最佳。如果更多的塔在低速狀態(tài)下工作，使用變速驅動(dòng)調節風(fēng)機的速度，隨負載變化而調整，根據“立方定律”，在較低的速度下風(fēng)機可以節省能量。
工廠(chǎng)通常采用專(zhuān)門(mén)一個(gè)冷卻塔為每一個(gè)冷凍機供應冷凝水。這種構想不允許冷凍機利用冷卻塔并行運作。只有為冷凝水系統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)機盤(pán)管的系統，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，減少或取代冷凍機的使用。根據天氣的變化，使用自由冷卻系統可以把冷卻系統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進(jìn)行熱交換的時(shí)間長(cháng)出若干個(gè)小時(shí)。由板式熱交換器分隔開(kāi)來(lái)的冷卻水和冷凝水之間的溫差很接近（比如只有2oF）。當溫度和濕度相當低時(shí)，冷卻塔可以獨立運行，無(wú)需風(fēng)機。根據溫濕圖，很多地方每年有很多的時(shí)間都可以進(jìn)行自由冷卻。

八、熱量回收
許多任務(wù)廠(chǎng)都要消耗大量的能量來(lái)制熱，同時(shí)又消耗更多的能量從工藝過(guò)程中移除“廢”熱，卻沒(méi)有把這兩個(gè)過(guò)程結合起來(lái)?；厥盏臒崃靠梢杂脕?lái)預熱新風(fēng)，送風(fēng)再熱，以及其它用途。AHU預熱盤(pán)管可以用廢水預熱外來(lái)的空氣（在炎熱的天氣下也可預冷）。
再熱盤(pán)管可以從空氣壓縮機或者冷凍機的冷凝器回水中回收廢熱，同時(shí)節省了冷凍機能量和鍋爐燃料。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(guò)去配備變頻驅動(dòng)的設備經(jīng)常出現故障，而且控制復雜，所以很多工程師和管理人員不愿意使用變頻驅動(dòng)?？煽啃员裙澞芨匾?，而老的變頻驅動(dòng)可靠性差。最近十年中，變頻驅動(dòng)可靠性提高了，價(jià)格降低了。許多關(guān)鍵系統現在都在使用變頻驅動(dòng)。
我們認為在潔凈室中的許多系統和各類(lèi)的泵上使用變頻驅動(dòng)是安全和劃算的。實(shí)際上，可以證明考慮投資回收率卻不使用變頻驅動(dòng)是不負責任的，因為其投資回收期不滿(mǎn)一年。
冷凍水和冷凝水的泵系統流量變化較大，冷凍水和冷凝水系統有最小流量要求，基本上在50%到75%之間。根據“立方定則”，流量減少很小，就會(huì )產(chǎn)生可觀(guān)的能量節約。流量減少20%，就會(huì )產(chǎn)生幾乎50%的泵功率下降。
大多數已知的冷凍水系統使用一級泵定流量/二級泵變流量設計，二級泵采用變頻驅動(dòng)。使用變頻驅動(dòng)時(shí)，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(chǎng)時(shí)，使用變流量一級泵系統，不再需要二級泵，節省了工程費用。運行適當，這套簡(jiǎn)單可靠的系統可以通過(guò)冷凍機中的冷凍水流量變化而節約大量能源。這項技術(shù)被冷凍機供應商和各種專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì )所廣泛宣揚，例如ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating & Air Conditioning Engineers）。

十、離心式壓縮機
空氣壓縮機的改進(jìn)節約了大量能源。離心式壓縮機是無(wú)油的，比螺桿式壓縮機的效率高很多。但是離心式壓縮機不能空轉，這使得他們在負載低的情況下效率很低。最有效和經(jīng)濟的辦法是離心式和螺桿式壓縮機兩者結合使用。選用離心機組滿(mǎn)足基本負荷，再用小一些的螺桿式機組滿(mǎn)足峰值負荷。壓縮機組應該配有熱回收系統。
另一種方案是整個(gè)現場(chǎng)用高效的離心式壓縮機作為一個(gè)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(gè)工廠(chǎng)維持一個(gè)恒定載荷，減輕加載與卸載對設備的損耗，并且降低能量浪費。