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洁净室设计-双冷源温湿度独立控制系统在电子洁净厂房中的应用
引言随着计算机、信息技术的发展，微电子工业的发展已成为世界技术进步的主要支柱。微电子工业已成为衡量一个国家的科学技术和经济发展实力的重要标志，发达国家把微电子工业作为战略性产业［1］。近年来，境外微电子工业大规模地向中国大陆转移，我国电子工业发展迅速， 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%，我国已成为全球最大的电子信息产品制造基地［2］。微电子工业的重要特点之一就是生产车间对温度、湿度、洁净度要求高，特别是芯片、超大规模集成电路生产车间更是如此。巨大的需求空间，使得对电子洁净厂房空调系统进行深入研究显得尤为重要。
1 电子洁净厂房空调的特点
( 1) 控制参数多且控制精度高相对于一般空调系统，电子洁净厂房空调不仅对温度、湿度有要求，还对洁净度和压力有相应要求，并且控制精度高［3］，相应地对自控系统的要求也较高。表1 中的数据可以说明这一点( 同一工艺在不同的生产间或厂房数据有一定差别) 。
( 2) 新风量大电子洁净厂房的新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风量之和。电子洁净厂房绝大多数( 如 SMT、 PTH、印刷车间等) 都有废气或污染、热空气排出，排风量大，同时《电子工业洁净厂房设计规范》对洁净室的正压作了明确要求，为了满足规范要求，需要的新风量较大。实际工程经验表明: 第二项所需新风量通常大于第一项。
( 3) 空调负荷大电子洁净厂房空调负荷包括围护结构负荷、人体负荷、照明负荷、设备负荷、新风负荷。电子洁净厂车间面积大、层高高、工艺设备发热量大，新风量大，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: 电子洁净厂房夏季负荷指标都在300W/m 以上，有的甚至达到800W/m。
( 4)空调机房占地面积大、数量多电子洁净厂房的负荷大、风量大、空气处理过程复杂( 热湿处理、过滤处理等) 、空调组段多、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析与总结
温湿度独立控制系统的核心思想就是通过对新风、回风的分别处理实现温度和湿度的独立控制，对新风的处理实现对房间的湿度的控制，对回风的处理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，若采用冷冻除湿方式，要求冷源温度低于空气露点温度，处理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以相对较高，从而冷源设备可以采用 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效果显著，文献［ 5］的研究表明在南方地区节能率为 25% ～ 55%，在北方地区节能率为10% ～30%。温湿度独立控制系统在实际应用中有多种形式，其中应用的较多的有以下几种，各形式间主要区别在于对新风的处理方法不同。 ( 1) 转轮除湿 +高温冷源降温转轮分为处理区和再生区，新风进入处理区后，由于吸湿剂的水蒸汽分压力低于新风的水蒸汽分压力，新风的水分被吸湿剂吸附，除湿后的新风被处理机送出。与此同时，再生空气经加热后进入转轮的再生区，由于在高温下，空气的水蒸汽分压力低于吸湿剂的水蒸汽分压力，原先吸附的水分被脱附，并随湿空气排至室外，转轮则恢复了除湿能力。优点: 性能稳定，寿命长; 单位吸湿面积除湿量大;适用温度范围宽: － 30 ～ 40℃［6］。缺点: 再生部分的温风需要加热，耗电较多;接管较复杂。
( 2) 溶液除湿+高温冷源降温
溶液除湿是利用吸湿溶液和处理空气之间的水蒸汽分压力差来吸收处理空气的水蒸气，从而达到除湿的目的。优点: 除湿效果好，能连续工作，兼有清洁空气的功能［6］。缺点:设备比较复杂，初投资非常高，再生时需要有热源，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两套系统，低温冷冻水用于处理新风除湿，高温冷源系统用于处理回风降温。低温冷冻水和高温冷冻水可通过低温冷水机组和高温冷水机组分别获得，也可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，管路占用安装空间大，维修管理不便。
( 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低温冷源，低温冷冻水在处理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或直接用低温冷源对回风进行处理。优点: 系统简单，维修管理方便，制冷机房面积小。缺点:相对于其它几种方式能耗大。
( 5)联合除湿联合除湿分为: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相对较广。吸附一冷却式除湿具有适用性广，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、五种在民用建筑应用得较多，第四种形式在电子洁净厂房应用得较多，文献［ 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得不多。这是由它们各自的特点和电子洁净厂房?民用建筑的特性决定的。民用建筑主要是舒适性空调，温湿度控制精度、洁净度要求低，新风和回风可以不混合而分别送入房间，新风量小且不需中效过滤、高效过滤，整个系统相对较简单，这为第一、二、五种方式的应用创造了占空间上、维修管理上的条件; （www.iwuchen.com）而电子洁净厂房则相反，为了整个房间的温湿度、洁净度尽可能均匀且满足精度要求，新风和回风必须混合后才能送入房间，新风量大且需经过中效、高效过滤处理，整个系统复杂，空调机房大，若新风处理再采用第一、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析总结，本文以既保证电子洁净厂房的空气控制要求又能高效节能为出发点，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高温冷冻水( 12、 13℃) 分别对回风进行处理和对新风进行预处理，新风经过预处理后再用直膨蒸发盘管进行深度除湿处理，回风处理控制温度，新风处理控制湿度。双冷源温湿度独立控制系统与第2 大部分所讨论的双温冷源冷冻除湿 +降温系统是不同的，主要区别之一就是前者使用高温冷冻水 +直膨蒸发冷却而后者使用的高温冷冻水 + 低温冷冻水。为了节省空间、便于上自控系统、便于管理，本文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机组合，其详细构造如图1。由图1 可以看出该空调机组与常规组合式空调机组有很大的区别: 常规组合式空调机组各组段水平地排列，新回风不易实现分别处理后再行混合，而该空调机组的前段在竖向分为上下两部分，上部分处理回风，下部分处理新风，在组段 7 进行混合。上、下部的尺寸比例可根据新风比进行调整。
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 大部分所讨论的单温冷源冷冻除湿降温( 在电子洁净厂房应用较多) ，双冷源温湿度独立控制系统具有以下优势: ( 1) 用高温冷冻水对新风进行预处理，从数量上尽可能地减少低温冷源的依赖，提高整个系统的能效。 ( 2) 水冷冷水机组蒸发温度提高1℃，机组 COP 约提高3%［9］。回风处理和新风预处理均使用高温冷冻水( 12、 13℃) ，相对于 7℃冷冻水，水冷冷水机组的 COP 可提高15% ～18%。 ( 3) 系统简单，室外机布置灵活，管路布置容易，占用室内空间小，易于与组合式空调器配套使用，方便上自动控制系统，方便管理。 ( 4) 对大新风量的系统有很强的适应性。
4 洁净室设计计算实例
4. 1工程简介该工程为重庆某一电子厂房，共3 层，各层建筑面积均为9897m2，一层层高为 6. 7m，二层、三层层高均为5. 5m。各层主要车间均为SMT、 PTH 生产车间。
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 生产车间的室内设计参数 ta = 23 ±2℃; 湿度:40% ～60%;洁净度: ISO9 级。
4. 3空气处理过程空气处理流程如图 2 所示。下面将以第二层SMT 车间为例，说明双冷源温湿度的设计计算过程，该车间面积为 7903m2，新风量为 120000m3 /h ( 补充排风维持正压) ，采用鸿业负荷计算软件6. 0 计算出总冷负荷为 2908. 33kW，总湿负荷为 505g/ s;室内总冷负荷为 1172. 4kW( 不含新风负荷) ，室内显热冷负荷为 1012kW( 不含新风负荷) ，室内湿负荷为 49. 05g/s( 不含新风湿负荷，员工未带口罩) 。该车间的空气处理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%) 的露点温度为 12℃，为了使送风量尽可能地小同时保证送风口不结露，确定送风温度为14. 5℃，送风温差为 8. 5℃。由室内冷负荷和湿冷负荷计算出热湿比ε为 20632;根据室内状态点、热湿比、送风温差在焓湿图上可确定出送风状态点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 的状态为: 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 的状态为: 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
新风处理所需总制冷量: 1258 + 491. 6 + 671. 2 =2420. 8kW
直膨蒸发盘管制冷量百分比: 671. 2/2420. 8 = 27. 72%
由上面的计算数据可知，使用低品位冷源( 高温冷冻水) 对新风进行预冷处理，可以极大地减少对高品位冷源的依赖，从而提高系统整体能效。
( 3) 回风处理表冷处理: N ? M 根据状态点 L1 和新风比在焓湿图上可以确定出 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为:
Q =77. 88 ×( 46. 67 －40. 41)=487. 53kW
( 4) 低品位冷源百分率新回风处理所需总制冷量 : 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
低品位冷源百分率: 2237. 13/2908. 33= 76. 92%。
5 结论本文在分析电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析，同时将其与组合式空调机组进行了有机组合，为电子洁净厂房空调设计提供了新的思路。综观全文可以得到以下结论:
( 1) 电子洁净厂房空调复杂，它具有: 控制参数多控制精度高?新风量大?空调负荷大?空调机房占地面积大数量多等特点。
( 2)温湿度独立控制系统在实际工程中有多种形式，每种形式各有特点，在实际应用时应根据工程情况确定采用适宜的形式。
( 3)使用低品位冷源对新风进行预冷处理，可以明显减少对高品位冷源的使用，显著提高系统整体能效。
( 4)双冷源温湿度独立控制系统主要使用高温冷冻水( 低品位冷源) ，对高品位冷源使用量少，系统能效比高，且系统简单、占用室内空间小、易于与组合式空调器配套使用、方便上自动控制系统、管理方便，该系统能很好地适应电子洁净厂房的空调特点。
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