某半導體潔凈廠房空調系統的設計——以上海某半導體研發廠房改擴建項目為例上海電子工程設計研究院有限公司

上海市

200083

摘要：針對某半導體潔凈廠房項目潔凈空調系統中的冷熱源和末端新風空調機組MAU+風機過濾單元FFU+干盤管DCC及控制原理進行逐項分析、，闡述此類型凈化空調系統的計算設計方法及相關注意事項。關鍵詞：半導體潔凈廠房；凈化空調系統；MAU+FFU+DCC；自控系統。0引言隨著我國半導體行業的蓬勃發展，近幾年半導體廠房的建設項目在逐步增多。半導體產品對于對于生產區域的溫濕度、潔凈度的要求高，半導體廠房的凈化空調系統設計對于半導體的生產也顯得尤為重要。1工程概況本項目為上海某半導體研發廠房改擴建項目，建筑面積：10774.74平方米，建筑高度為17.1m，火災危險性分類為丙類，生產潔凈區域為單層屋頂均為輕鋼結構，東西局部三層混凝土結構，新增動力房位于南側區域為二層混凝土結構。工藝試驗環境區、整機集成區帶Track、測試區及物流主通道、整機集成區和Sub+FAB灰區都為單層潔凈區域，輕鋼結構。物料加工區/緩沖區、男、女更位于為東西局部三層的一層。2潔凈車間室內設計參數區域名稱潔凈等級溫度/℃濕度/%正壓值工藝試驗環境區百級23±145±5+25Pa整機集成區帶Track百級23±145±5+25Pa測試區及物流主通道千級23±145±5+20Pa整機集成區千級23±145±5+25Pa物料加工區/緩沖區千級23±145±5+20Pa/+15PaSub+FAB灰區萬級25±330~55+15Pa男、女更萬級24±350±10+10Pa二、三層操作間三十萬級24±2--+10Pa3凈化空調系統計算電子半導體潔凈廠房具有室內工藝設備發熱量大、室內顯冷負荷大、濕負荷小的特點，熱濕比接近無窮大。根據房間溫濕度及精度、潔凈度要求，采用溫濕度獨立控制系統，百級、千級潔凈空調系統采用新風空調機組MAU+風機過濾單元FFU+干盤管DCC系統。萬級空調系統常規有新風空調機組MAU+風機過濾單元FFU+干盤管DCC系統和新風空調機組MAU+組合式空調機組AHU+高效送風口HEPA系統，考慮空調機房面積及氣流組織、潔凈度擴展性及均勻穩定性等，萬級房間采用MAU+FFU+DCC。二、三層操作間三十萬級采用新風空調機組MAU+吊掛空調機組RCU。空調水溫的選擇根據房間23℃、相對濕度45%查出其露點溫度為10.4℃，選用冷水機組供水溫度為6℃，回水溫度為12℃，干盤管中溫水供水溫度大于其露點溫度2℃左右，供水溫度選為13℃，回水溫度為18℃。注意事項：送風露點溫度低，冷凍水供水溫度也過低及干盤管中溫水的供回水溫度。3.1萬級Sub+FAB灰區凈化空調系統的計算以萬級Sub+FAB灰區為例，闡述其凈化空調系統的計算及設計。整機集成區房間及整機集成區帶Track房間的水電氣及排風需求設備及接口都位于Sub+FAB灰區房間，通過高架地板二次配內部接至整機集成區及整機集成區帶Track。所以Sub+FAB灰區房間工藝排風量大，且工藝設備總功率大。總排風量為55325m3/h，工藝設備總安裝功率為N=3000kW，工藝設備同時使用系數n1取1.0，安裝系數n2取0.7，負荷系數n3取0.85，排風帶走熱量系數n4取0.5，工藝冷卻水總流量為3756L/min,工藝冷卻水帶走的熱量按照2度溫差計算，區域總冷卻水帶走的熱量為Q2=524kW，此房間工藝設備總散熱量為Q=Nn1n2n3n3n4-Q2=368.5kW。房間面積為595m2,吊頂高度4m，滿足潔凈所需送風量換氣次數取25次/h，根據換氣次數的送風量至少為595x4x25=59500m3/h。室內總冷負荷=建筑圍護結構負荷+工藝設備總散熱量+燈具負荷+人員負荷+FFU散熱負荷，房間面積為595m2,吊頂高度4m，潔凈區域都用潔凈板包著，圍護結構負荷取50W/平，微電子產品及集成電路照度為500Lux,燈具負荷取15W/平，FFU散熱負荷取40W/個，夏季室內總冷負荷為414.8kW，此房間干盤管的最大送風溫差7℃，根據室內負荷計算其送風量為414.8×3600/1.01/1.2/7=176011m3/h。注意事項：干盤管的送風溫差的選擇。干盤管中溫水的供水溫度為13℃，而冷盤管的送風溫度高于其5℃左右，所以此房間的最大送風溫差為25-（13+5）=7℃。假如干盤管換成循環空調機組RCU,這送風溫差為25-13.1=11.9℃，注意兩者的區別，送風溫差不一樣，其消除室內負荷的送風溫度不一樣。潔凈室內的新風量為室內排風量和維持室內正壓值所需新風量之和，和潔凈室內每人不小于40m3/h的人均新風量的最大值。正壓值15Pa壓差風量取換氣次數分別2次/h。Sub+FAB灰區新風量為55325+595×4×2=60085m3/h。房間送風量為新風量、消除室內負荷的送風風量、潔凈所需的送風量最大值，送風量為176011m3/h，換氣次數為74次/h,新風量為60085m3/h，回風量為115926m3/h，正壓風量為4752m3/h。3.2百級、千級凈化空調系統的計算以百級、千級房間為例，闡述其凈化空調系統的計算,其中干盤管的最大送風溫差為23-（13+5）=5℃。千級整機集成區房間凈高7米，滿足潔凈所需送風量換氣次數取55次/h，正壓值25Pa壓差風量取換氣次數2.5次/h。百級整機集成區帶Track房間，面積為149平，凈高為7米，滿足潔凈所需送風量面風速選0.25m/s,送風量為134100m3/h，折合計算換氣次數為128.6次/h。正壓值25Pa壓差風量取換氣次數3次/h。按照上述方法，計算出各房間所需的送風量、新風量、回風量、正壓風量。4凈化空調系統設計及控制原理凈化空調系統采用溫濕度獨立系統控制，為新風空調機組MAU+風機過濾單元FFU+干盤管DCC，MAU將室外新風處理至室內露點溫度，MAU處理全部新風負荷和部分室內顯熱負荷，干盤管DCC承擔剩余室內的顯熱負荷，FFU滿足其潔凈度要求循環和過濾空氣。MAU將處理好的新風送入至上層靜壓箱，與經過干盤管處理的回風混合，經FFU均勻送入室內，經高架地板至回風夾道、上層靜壓箱。4.1新風空調機組MAU根據工藝設備的排風量、正壓風量及考慮設備和風管漏風量，新風空調機組MAU總風量為150000m3/h,選用三臺MAU,兩用一備，每臺風量為75000m3/h。新風空調機組MAU有進風段、粗效過濾器G4、中效過濾器F8、熱水加熱盤管、一級表冷盤管、水洗加濕段、二級表冷盤管、再熱熱盤段、風機段均流段、化學過濾段、高效過濾段H14、出風段，風機變頻。新風空調機組MAU送至上靜壓箱與經過干盤管處理后的回風混合，經風機過濾單元FFU送至空調區域，以保證此區的空調溫濕度潔凈度要求。

代號ABCDEFG功能段進風段粗效過濾器G4粗效過濾器F8熱水加熱盤管段一級表冷盤管段水洗加濕段二級表冷盤管段代號HIJKLMN功能段再熱熱盤管段風機段均流段活性炭化學過濾段預留化學過濾段高效過濾段H14出風段4.2風機過濾單元FFU風機過濾單元FFU采用直流變頻，更好的節約空調能耗。FFU尺寸選用1170x1170,風量為2400m3/h,風速＜0.45m/s,初阻力≤95Pa,機外靜壓為150Pa,百級房間FFU過濾效率為99.9995@0.12um，其他房間FFU過濾效率為99.995@0.3um。有需要化學過濾器的房間，在入口增加化學過濾器。FFU采用直流群控系統，具備遠程控制，可實現單臺、整組、任意框選控制、以及遠程無級調速，帶壓差傳感器的FFU同一房間或區域內占比不得低于3%,每個功能區不少于2個，保證FFU壓差監測和風速監測。FFU上部靜壓箱為負壓，可起負壓密封作用，潔凈室內的壓力大于上部靜壓箱的壓力。當FFU與支架密封處有縫隙時，負壓使得未經FFU的高效過濾器的空氣不能進入室內，保證潔凈室的潔凈度。4.3干盤管DCC干盤管DCC承擔剩余室內的顯熱負荷，冷量為室內計算總冷負荷減去新風處理部分顯熱負荷。考慮房間精度要求，干盤管冷量考慮其10%的余量。干盤管斷面風速宜＜2.0m/s,計算取1.5m/s,空氣側阻力≤14Pa,安裝在回風夾道與上部靜壓箱之間，立式安裝，帶集水盤。干盤管水系統供回水溫度為13~18℃，但對于室內溫濕度精度范圍，實際運行也可能帶冷凝水，所以干盤管水系統也帶冷凝水管。4.4凈化空調系統原理及自控原理

凈化空調系統氣流采用單向流，MAU將處理好的新風送入至上層靜壓箱，與經過干盤管處理的回風混合，經FFU均勻送入室內，經高架地板至回風夾道、上層靜壓箱。此項目高架地板下凈空間凈高1米，此區域包含二次配管線。FFU吊頂采用1200x1200T-GRID龍骨吊頂，車間為單層輕鋼屋頂時，上層靜壓箱凈高為2米，上層靜壓箱吊頂采用單面鈹鎂巖棉板內填巖棉板（耐火極限≥1h）;當車間為多層且為

混凝土結構時，在各層頂板下刷水性環氧及橡塑鋁箔成品保溫材料，防結露。潔凈室空調機組用PLC控制。MAU風管主管有溫度、濕度、靜壓傳感器，每個潔凈房間均有房間溫度、濕度、靜壓傳感器。新風空調機組MAU主要對新風進行各種處理以保證生產區內濕度和壓力的要求。PLC根據室外空氣狀態參數將整個空氣處理過程分為三個區域。當室外空氣，含濕量大于8.014g/kg干空氣時。空氣處理過程為開冷卻盤管進行除濕。根據冷卻后的溫度調節電動二通閥的開度，保證出風露點恒定。當室外空氣含濕量小于8.014g/kg且濕球溫度大于15.4度時。空氣處理過程為冷卻加濕,根據出風露點溫度控制表冷盤管電動閥開度，根據出風含濕量，控制水洗加濕加濕量。當室外空氣絕對濕度小于8.014g/kg且濕球溫度小于15.4度時。空氣處理過程為加熱加濕,根據出風露點溫度控制加熱盤管電動閥的開度，同時PLC根據出風含濕量，控制水洗加濕加濕量。新風機組變頻控制：根據送風主管壓力信號，通過變頻器調節風機轉速，保證送風主管靜壓,各個房間根據新風支管電動風閥，調節房間正壓。水洗加濕單元的自帶控制，設備自帶RS485通訊接口。干盤管主要控制房間溫度，PLC根據潔凈室內各區域溫度傳感器的平均值，調節不同區域干盤管電動閥的開度，保證房間該區域溫度的恒定值。新風機組進出口設電動閥控制：當任何機組出現故障時，由PLC關閉相應機組進出口的電動風閥,同時控制相應機組的電動水閥；備用空調機組進出口的電動風閥平時呈關閉狀態。5冷熱源系統及空調水系統介紹根據MAU、RCU、風機盤管、DCC及工藝冷卻水量，可得出夏天低溫水供回水溫度為6~12℃總冷量、中溫水供回水溫度為13~18℃總冷量、夏季MAU再熱熱量，冬季總熱量、冬季中溫水供回水溫度為13~18℃總冷量。空調冷源選用3臺800RT的水冷離心式冷水機組(2用1備)和1臺400RT的全熱回收水冷螺桿式冷水機組。冷凍水供回水溫度為6~12℃，冷卻水供回水溫度為32~37℃，全熱回收的熱水給MAU再熱熱盤用，熱水供回水溫度為30~38℃。冷凍水通過板式換熱器換熱為供回水溫度13~18℃的中溫水，供DCC和工藝冷卻水使用。冷凍水、中溫水系統均采用一次泵變流量系統。空調熱源采用2臺1.8MW的燃氣常壓熱水鍋爐，經板式換熱機組換熱為供回水溫度為60~50℃的熱水，供空調熱源和純水熱源使用。

冷凍水、中溫水、熱水二次側系統均采用一次泵變流量系統。冷凍水、熱水水管采用異程系統。干盤管中溫水系統，在主干管分支主管加靜態平衡閥且每個分支主管為同程系統。由于每個房間干盤管有多個，最多為63個，房間溫度精度要求為±1℃的房間，每3~4個干盤管采用一組電動閥門控制。在Sub+fab灰區房間精度要求不高的房間，每5~8個干盤管采用一組電動閥門控制。6結論本文通過對該項目的潔凈空調的冷熱源及末端新風空調機組MAU+風機過濾單元FFU+干盤管DCC系統的計算、設計及自控原理分析匯總，為其他工程技術人員設計類似項目提供參考。

提醒注意設計過程中冷凍水供回水溫度、干盤管中溫水供回水溫度選擇、各房間干盤管最大送風溫差的選擇及干盤管和循環機組的所造成的送風溫差的計算等細節需要根據不同項目的實際情