某半導(dǎo)體潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-以上海某半導(dǎo)體研發(fā)廠房改擴(kuò)建項(xiàng)目為例

某半導(dǎo)體潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)——以上海某半導(dǎo)體研發(fā)廠房改擴(kuò)建項(xiàng)目為例上海電子工程設(shè)計(jì)研究院有限公司

上海市

200083

摘要：針對(duì)某半導(dǎo)體潔凈廠房項(xiàng)目潔凈空調(diào)系統(tǒng)中的冷熱源和末端新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU+風(fēng)機(jī)過濾單元FFU+干盤管DCC及控制原理進(jìn)行逐項(xiàng)分析、，闡述此類型凈化空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)方法及相關(guān)注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體潔凈廠房；凈化空調(diào)系統(tǒng)；MAU+FFU+DCC；自控系統(tǒng)。0引言隨著我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的蓬勃發(fā)展，近幾年半導(dǎo)體廠房的建設(shè)項(xiàng)目在逐步增多。半導(dǎo)體產(chǎn)品對(duì)于對(duì)于生產(chǎn)區(qū)域的溫濕度、潔凈度的要求高，半導(dǎo)體廠房的凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于半導(dǎo)體的生產(chǎn)也顯得尤為重要。1工程概況本項(xiàng)目為上海某半導(dǎo)體研發(fā)廠房改擴(kuò)建項(xiàng)目，建筑面積：10774.74平方米，建筑高度為17.1m，火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為丙類，生產(chǎn)潔凈區(qū)域?yàn)閱螌游蓓斁鶠檩p鋼結(jié)構(gòu)，東西局部三層混凝土結(jié)構(gòu)，新增動(dòng)力房位于南側(cè)區(qū)域?yàn)槎踊炷两Y(jié)構(gòu)。工藝試驗(yàn)環(huán)境區(qū)、整機(jī)集成區(qū)帶Track、測(cè)試區(qū)及物流主通道、整機(jī)集成區(qū)和Sub+FAB灰區(qū)都為單層潔凈區(qū)域，輕鋼結(jié)構(gòu)。物料加工區(qū)/緩沖區(qū)、男、女更位于為東西局部三層的一層。2潔凈車間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)區(qū)域名稱潔凈等級(jí)溫度/℃濕度/%正壓值工藝試驗(yàn)環(huán)境區(qū)百級(jí)23±145±5+25Pa整機(jī)集成區(qū)帶Track百級(jí)23±145±5+25Pa測(cè)試區(qū)及物流主通道千級(jí)23±145±5+20Pa整機(jī)集成區(qū)千級(jí)23±145±5+25Pa物料加工區(qū)/緩沖區(qū)千級(jí)23±145±5+20Pa/+15PaSub+FAB灰區(qū)萬級(jí)25±330~55+15Pa男、女更萬級(jí)24±350±10+10Pa二、三層操作間三十萬級(jí)24±2--+10Pa3凈化空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算電子半導(dǎo)體潔凈廠房具有室內(nèi)工藝設(shè)備發(fā)熱量大、室內(nèi)顯冷負(fù)荷大、濕負(fù)荷小的特點(diǎn)，熱濕比接近無窮大。根據(jù)房間溫濕度及精度、潔凈度要求，采用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，百級(jí)、千級(jí)潔凈空調(diào)系統(tǒng)采用新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU+風(fēng)機(jī)過濾單元FFU+干盤管DCC系統(tǒng)。萬級(jí)空調(diào)系統(tǒng)常規(guī)有新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU+風(fēng)機(jī)過濾單元FFU+干盤管DCC系統(tǒng)和新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU+組合式空調(diào)機(jī)組AHU+高效送風(fēng)口HEPA系統(tǒng)，考慮空調(diào)機(jī)房面積及氣流組織、潔凈度擴(kuò)展性及均勻穩(wěn)定性等，萬級(jí)房間采用MAU+FFU+DCC。二、三層操作間三十萬級(jí)采用新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU+吊掛空調(diào)機(jī)組RCU?？照{(diào)水溫的選擇根據(jù)房間23℃、相對(duì)濕度45%查出其露點(diǎn)溫度為10.4℃，選用冷水機(jī)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(diǎn)溫度2℃左右，供水溫度選為13℃，回水溫度為18℃。注意事項(xiàng)：送風(fēng)露點(diǎn)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(jí)Sub+FAB灰區(qū)凈化空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算以萬級(jí)Sub+FAB灰區(qū)為例，闡述其凈化空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算及設(shè)計(jì)。整機(jī)集成區(qū)房間及整機(jī)集成區(qū)帶Track房間的水電氣及排風(fēng)需求設(shè)備及接口都位于Sub+FAB灰區(qū)房間，通過高架地板二次配內(nèi)部接至整機(jī)集成區(qū)及整機(jī)集成區(qū)帶Track。所以Sub+FAB灰區(qū)房間工藝排風(fēng)量大，且工藝設(shè)備總功率大。總排風(fēng)量為55325m3/h，工藝設(shè)備總安裝功率為N=3000kW，工藝設(shè)備同時(shí)使用系數(shù)n1取1.0，安裝系數(shù)n2取0.7，負(fù)荷系數(shù)n3取0.85，排風(fēng)帶走熱量系數(shù)n4取0.5，工藝?yán)鋮s水總流量為3756L/min,工藝?yán)鋮s水帶走的熱量按照2度溫差計(jì)算，區(qū)域總冷卻水帶走的熱量為Q2=524kW，此房間工藝設(shè)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(fēng)量換氣次數(shù)取25次/h，根據(jù)換氣次數(shù)的送風(fēng)量至少為595x4x25=59500m3/h。室內(nèi)總冷負(fù)荷=建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷+工藝設(shè)備總散熱量+燈具負(fù)荷+人員負(fù)荷+FFU散熱負(fù)荷，房間面積為595m2,吊頂高度4m，潔凈區(qū)域都用潔凈板包著，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷取50W/平，微電子產(chǎn)品及集成電路照度為500Lux,燈具負(fù)荷取15W/平，F(xiàn)FU散熱負(fù)荷取40W/個(gè)，夏季室內(nèi)總冷負(fù)荷為414.8kW，此房間干盤管的最大送風(fēng)溫差7℃，根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷計(jì)算其送風(fēng)量為414.8×3600/1.01/1.2/7=176011m3/h。注意事項(xiàng)：干盤管的送風(fēng)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(fēng)溫度高于其5℃左右，所以此房間的最大送風(fēng)溫差為25-（13+5）=7℃。假如干盤管換成循環(huán)空調(diào)機(jī)組RCU,這送風(fēng)溫差為25-13.1=11.9℃，注意兩者的區(qū)別，送風(fēng)溫差不一樣，其消除室內(nèi)負(fù)荷的送風(fēng)溫度不一樣。潔凈室內(nèi)的新風(fēng)量為室內(nèi)排風(fēng)量和維持室內(nèi)正壓值所需新風(fēng)量之和，和潔凈室內(nèi)每人不小于40m3/h的人均新風(fēng)量的最大值。正壓值15Pa壓差風(fēng)量取換氣次數(shù)分別2次/h。Sub+FAB灰區(qū)新風(fēng)量為55325+595×4×2=60085m3/h。房間送風(fēng)量為新風(fēng)量、消除室內(nèi)負(fù)荷的送風(fēng)風(fēng)量、潔凈所需的送風(fēng)量最大值，送風(fēng)量為176011m3/h，換氣次數(shù)為74次/h,新風(fēng)量為60085m3/h，回風(fēng)量為115926m3/h，正壓風(fēng)量為4752m3/h。3.2百級(jí)、千級(jí)凈化空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算以百級(jí)、千級(jí)房間為例，闡述其凈化空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算,其中干盤管的最大送風(fēng)溫差為23-（13+5）=5℃。千級(jí)整機(jī)集成區(qū)房間凈高7米，滿足潔凈所需送風(fēng)量換氣次數(shù)取55次/h，正壓值25Pa壓差風(fēng)量取換氣次數(shù)2.5次/h。百級(jí)整機(jī)集成區(qū)帶Track房間，面積為149平，凈高為7米，滿足潔凈所需送風(fēng)量面風(fēng)速選0.25m/s,送風(fēng)量為134100m3/h，折合計(jì)算換氣次數(shù)為128.6次/h。正壓值25Pa壓差風(fēng)量取換氣次數(shù)3次/h。按照上述方法，計(jì)算出各房間所需的送風(fēng)量、新風(fēng)量、回風(fēng)量、正壓風(fēng)量。4凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制原理凈化空調(diào)系統(tǒng)采用溫濕度獨(dú)立系統(tǒng)控制，為新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU+風(fēng)機(jī)過濾單元FFU+干盤管DCC，MAU將室外新風(fēng)處理至室內(nèi)露點(diǎn)溫度，MAU處理全部新風(fēng)負(fù)荷和部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷，干盤管DCC承擔(dān)剩余室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，F(xiàn)FU滿足其潔凈度要求循環(huán)和過濾空氣。MAU將處理好的新風(fēng)送入至上層靜壓箱，與經(jīng)過干盤管處理的回風(fēng)混合，經(jīng)FFU均勻送入室內(nèi)，經(jīng)高架地板至回風(fēng)夾道、上層靜壓箱。4.1新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU根據(jù)工藝設(shè)備的排風(fēng)量、正壓風(fēng)量及考慮設(shè)備和風(fēng)管漏風(fēng)量，新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU總風(fēng)量為150000m3/h,選用三臺(tái)MAU,兩用一備，每臺(tái)風(fēng)量為75000m3/h。新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU有進(jìn)風(fēng)段、粗效過濾器G4、中效過濾器F8、熱水加熱盤管、一級(jí)表冷盤管、水洗加濕段、二級(jí)表冷盤管、再熱熱盤段、風(fēng)機(jī)段均流段、化學(xué)過濾段、高效過濾段H14、出風(fēng)段，風(fēng)機(jī)變頻。新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU送至上靜壓箱與經(jīng)過干盤管處理后的回風(fēng)混合，經(jīng)風(fēng)機(jī)過濾單元FFU送至空調(diào)區(qū)域，以保證此區(qū)的空調(diào)溫濕度潔凈度要求。

代號(hào)ABCDEFG功能段進(jìn)風(fēng)段粗效過濾器G4粗效過濾器F8熱水加熱盤管段一級(jí)表冷盤管段水洗加濕段二級(jí)表冷盤管段代號(hào)HIJKLMN功能段再熱熱盤管段風(fēng)機(jī)段均流段活性炭化學(xué)過濾段預(yù)留化學(xué)過濾段高效過濾段H14出風(fēng)段4.2風(fēng)機(jī)過濾單元FFU風(fēng)機(jī)過濾單元FFU采用直流變頻，更好的節(jié)約空調(diào)能耗。FFU尺寸選用1170x1170,風(fēng)量為2400m3/h,風(fēng)速＜0.45m/s,初阻力≤95Pa,機(jī)外靜壓為150Pa,百級(jí)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(xué)過濾器的房間，在入口增加化學(xué)過濾器。FFU采用直流群控系統(tǒng)，具備遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)、整組、任意框選控制、以及遠(yuǎn)程無級(jí)調(diào)速，帶壓差傳感器的FFU同一房間或區(qū)域內(nèi)占比不得低于3%,每個(gè)功能區(qū)不少于2個(gè)，保證FFU壓差監(jiān)測(cè)和風(fēng)速監(jiān)測(cè)。FFU上部靜壓箱為負(fù)壓，可起負(fù)壓密封作用，潔凈室內(nèi)的壓力大于上部靜壓箱的壓力。當(dāng)FFU與支架密封處有縫隙時(shí)，負(fù)壓使得未經(jīng)FFU的高效過濾器的空氣不能進(jìn)入室內(nèi)，保證潔凈室的潔凈度。4.3干盤管DCC干盤管DCC承擔(dān)剩余室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，冷量為室內(nèi)計(jì)算總冷負(fù)荷減去新風(fēng)處理部分顯熱負(fù)荷?？紤]房間精度要求，干盤管冷量考慮其10%的余量。干盤管斷面風(fēng)速宜＜2.0m/s,計(jì)算取1.5m/s,空氣側(cè)阻力≤14Pa,安裝在回風(fēng)夾道與上部靜壓箱之間，立式安裝，帶集水盤。干盤管水系統(tǒng)供回水溫度為13~18℃，但對(duì)于室內(nèi)溫濕度精度范圍，實(shí)際運(yùn)行也可能帶冷凝水，所以干盤管水系統(tǒng)也帶冷凝水管。4.4凈化空調(diào)系統(tǒng)原理及自控原理

凈化空調(diào)系統(tǒng)氣流采用單向流，MAU將處理好的新風(fēng)送入至上層靜壓箱，與經(jīng)過干盤管處理的回風(fēng)混合，經(jīng)FFU均勻送入室內(nèi)，經(jīng)高架地板至回風(fēng)夾道、上層靜壓箱。此項(xiàng)目高架地板下凈空間凈高1米，此區(qū)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(shí)，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(nèi)填巖棉板（耐火極限≥1h）;當(dāng)車間為多層且為

混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，在各層頂板下刷水性環(huán)氧及橡塑鋁箔成品保溫材料，防結(jié)露。潔凈室空調(diào)機(jī)組用PLC控制。MAU風(fēng)管主管有溫度、濕度、靜壓傳感器，每個(gè)潔凈房間均有房間溫度、濕度、靜壓傳感器。新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU主要對(duì)新風(fēng)進(jìn)行各種處理以保證生產(chǎn)區(qū)內(nèi)濕度和壓力的要求。PLC根據(jù)室外空氣狀態(tài)參數(shù)將整個(gè)空氣處理過程分為三個(gè)區(qū)域。當(dāng)室外空氣，含濕量大于8.014g/kg干空氣時(shí)?？諝馓幚磉^程為開冷卻盤管進(jìn)行除濕。根據(jù)冷卻后的溫度調(diào)節(jié)電動(dòng)二通閥的開度，保證出風(fēng)露點(diǎn)恒定。當(dāng)室外空氣含濕量小于8.014g/kg且濕球溫度大于15.4度時(shí)。空氣處理過程為冷卻加濕,根據(jù)出風(fēng)露點(diǎn)溫度控制表冷盤管電動(dòng)閥開度，根據(jù)出風(fēng)含濕量，控制水洗加濕加濕量。當(dāng)室外空氣絕對(duì)濕度小于8.014g/kg且濕球溫度小于15.4度時(shí)?？諝馓幚磉^程為加熱加濕,根據(jù)出風(fēng)露點(diǎn)溫度控制加熱盤管電動(dòng)閥的開度，同時(shí)PLC根據(jù)出風(fēng)含濕量，控制水洗加濕加濕量。新風(fēng)機(jī)組變頻控制：根據(jù)送風(fēng)主管壓力信號(hào)，通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證送風(fēng)主管靜壓,各個(gè)房間根據(jù)新風(fēng)支管電動(dòng)風(fēng)閥，調(diào)節(jié)房間正壓。水洗加濕單元的自帶控制，設(shè)備自帶RS485通訊接口。干盤管主要控制房間溫度，PLC根據(jù)潔凈室內(nèi)各區(qū)域溫度傳感器的平均值，調(diào)節(jié)不同區(qū)域干盤管電動(dòng)閥的開度，保證房間該區(qū)域溫度的恒定值。新風(fēng)機(jī)組進(jìn)出口設(shè)電動(dòng)閥控制：當(dāng)任何機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，由PLC關(guān)閉相應(yīng)機(jī)組進(jìn)出口的電動(dòng)風(fēng)閥,同時(shí)控制相應(yīng)機(jī)組的電動(dòng)水閥；備用空調(diào)機(jī)組進(jìn)出口的電動(dòng)風(fēng)閥平時(shí)呈關(guān)閉狀態(tài)。5冷熱源系統(tǒng)及空調(diào)水系統(tǒng)介紹根據(jù)MAU、RCU、風(fēng)機(jī)盤管、DCC及工藝?yán)鋮s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?？照{(diào)冷源選用3臺(tái)800RT的水冷離心式冷水機(jī)組(2用1備)和1臺(tái)400RT的全熱回收水冷螺桿式冷水機(jī)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?yán)鋮s水使用。冷凍水、中溫水系統(tǒng)均采用一次泵變流量系統(tǒng)?？照{(diào)熱源采用2臺(tái)1.8MW的燃?xì)獬簾崴仩t，經(jīng)板式換熱機(jī)組換熱為供回水溫度為60~50℃的熱水，供空調(diào)熱源和純水熱源使用。

冷凍水、中溫水、熱水二次側(cè)系統(tǒng)均采用一次泵變流量系統(tǒng)。冷凍水、熱水水管采用異程系統(tǒng)。干盤管中溫水系統(tǒng)，在主干管分支主管加靜態(tài)平衡閥且每個(gè)分支主管為同程系統(tǒng)。由于每個(gè)房間干盤管有多個(gè)，最多為63個(gè)，房間溫度精度要求為±1℃的房間，每3~4個(gè)干盤管采用一組電動(dòng)閥門控制。在Sub+fab灰區(qū)房間精度要求不高的房間，每5~8個(gè)干盤管采用一組電動(dòng)閥門控制。6結(jié)論本文通過對(duì)該項(xiàng)目的潔凈空調(diào)的冷熱源及末端新風(fēng)空調(diào)機(jī)組MAU+風(fēng)機(jī)過濾單元FFU+干盤管DCC系統(tǒng)的計(jì)算、設(shè)計(jì)及自控原理分析匯總，為其他工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)類似項(xiàng)目提供參考。

提醒注意設(shè)計(jì)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(fēng)溫差的選擇及干盤管和循環(huán)機(jī)組的所造成的送風(fēng)溫差的計(jì)算等細(xì)節(jié)需要根據(jù)不同項(xiàng)目的實(shí)際情