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1、超级洁净厂房通风空调系统设计方案1引言随着我国信息技术的飞速发展，近年来大规模、高级别的洁净厂房（或称为超级洁净厂房）纷纷建造。这种厂房的特点是中心为大面积的洁净生产区域（或称工艺层），区域内布置特定工艺区和中央走廊，关键处设置高洁净度的产品走道和微环境装置。上层的巨大空间用于布置送风管网或用作送风静压箱；其下层准洁净区域（或称设施层）是用来安排从洁净区移出去的设备、工艺设施以及中央公共设施的管网；在设施层和工艺层之间设有回风空间；洁净区域周围设置竖井用于回风。由独立新风处理系统，集中将新风直接处理到室内状态的露点，然后进入循环风系统。循环风通道中设置干式冷盘管，处理室内显热负荷。所不同的只是
2、循环风系统的设计思路，对此相应有不同的解决方法。洁净厂房的主要支撑系统是中央公用设施，往往集中布置洁净区域的周围或设置在独立的专用大楼中（Central Utility Building）。另外还设置了安全系统，它包括火灾的检测及预报系统；HCF，CO2气体灭火及喷水系统；烟雾检测和排烟系统，化学品的检测，紧急状况的控制系统、储存系统。由于关键的工艺生产要求以及不断地更新换代对环境控制十分苛刻，特别是系统的可靠性、灵活性与安全性，设备容量与节能，余量与备用以及环境、卫生和安全等均有严格要求。为满足关键生产要求，在工艺层中设置的微环境中可达到非常高的洁净度（0.1m的1级），其他生产区域的洁净度
3、级别也须达到1000级或更高。其技术核心是采用单向流的气流技术（排除尘埃污染的能力）以及隔离技术（隔离外界对工艺环境的影响）。单向流流速一般为0.35m/s。为响应耗资少、用时短地实现工艺改造和更新，特别强调送风模式的灵活性、可靠性和安全性，体现在任何时候都可以简单地根据工艺分布和工艺环境最新要求进行变更。由于工艺更新很快，工艺设备的生产负荷不但所占比例大，而且变化也频繁。因此设计概念以及相应的送风系统模式特别注意系统的余量和备用。2洁净厂房的通风空调系统模式近年来洁净厂房出现三种系统模式，主要的区别在于循环风系统，通常有分散式循环风机组（Recirculating Air Handing U
4、nit）、风机竖井（Fan Tower Unit）和风机过滤器机组（Fan-Filer Unit简称FFU）。笔者曾在德国某微电子设计咨询公司工作过一年，对这三种概念的送风模式作过分析。本文主要对我国目前大量采用的风机过滤器机组模式的特性，以及与其它两种送风模式作进一步分析与比较。21 分散式循环风机组（Recirculating Air Handing Unit）这种循环风机组是分散布置的组装式空气处理机组，典型为干式冷盘管与离心风机组成。直接安装在洁净工艺层的上部，回风竖井布置在大楼的两侧，离心风机能够产生足够的压头（650Pa左右）来满足气流流经回风通路上各个部件所需要的静压，也可大大延
5、长末端过滤器的寿命。但是当总流量增加太大时，风机尺寸、成本、风机产生的噪声也相应增大。送风静压箱设置在送风机组和过滤器顶棚之间，使得送风静压箱内的压力仍高于洁净工艺层。22 风机竖井（Fan Tower Unit）可利用大楼两侧（或隧道）空间安装循环机组，则轴流风机最为合适。并将消声器结合一起，相当紧凑高效，因此也很经济。由于屋架不必承受循环机组，负载可减轻，建筑结构也合理。在屋顶和过滤器吊顶之间布置送风静压箱，送风静压箱内的压力高于洁净工艺层，为此不得不采用液槽密封。即在顶棚格栅中的液槽内灌入了非牛顿液体的密封胶，周圈带刀口的空气过滤器插入密封胶中，造成了与液式顶棚格栅之间的气密性密封。安装
6、与变更空气过滤器（或盲板）也较方便。轴流风机的优势是能够以相对较低的静压高效地输送更多的空气，并可方便、高效地变化风量。它所产生的静压与流量比完全符合典型的高级别洁净室运行工况。23 风机过滤器机组（Fan-Filer Unit简称FFU）典型的风机过滤器机组由内装式离心机、消声装置和高效过滤器（HEPA或ULPA过滤器）所组成，紧凑组装在一金属盒里。在洁净工艺层的顶棚上可以随意按照工艺要求直接设置风机过滤器机组（或盲板），以形成不同级别的洁净区。风机过滤器机组用于循环风循环十分简便，但是不能产生太大的静压。空气通过机组内部的消声段和末端过滤器后几乎没剩下多少动力来克服外部系统的阻力。以上三种
7、概念都具有很高程度的灵活性，在洁净厂房中均得以普遍采用。可使中间工艺层能够十分方便接受高洁净度的空气，变更洁净区域。系统回风借助于下一层空间进行，所有设施管道可以方便地根据设备变更或移位来配接，所有潜在污染源都能够封闭或排除，以防止交叉污染。以下将对这三种模式进行分析与比较，重点在于怎样使整个系统降低造价、节省运行费用以及提高能量利用效率。3三种送风模式的比较循环风系统有三个目的：温度控制、尘埃控制和气流控制。主要目的去除洁净厂房尘粒和热量。循环风系统的送风量取决于洁净厂房的洁净度级别。尽管三种送风模式均可满足循环风系统的要求。但是由于循环风输送系统的能耗占了很大比例，不得不使我们重视它的能效
8、。近年来风机过滤器机组在我国大量采用主要有如下原因：（1）风机过滤器机组的本身的优越特性，如设置灵活、能适应工艺变更，顶棚不易渗漏，顶棚格栅和密封费用低等；（2）对轴流风机的偏见，如风压低、噪声大等。（3）与分散式循环风机组相比，可降低建筑物高度。（4）随着微环境的使用，工艺层洁净度级别降低，风机过滤器机组造价有竞争力。31诚然近年来风机过滤器机组性能己有很大的提高，解决了出风速度均匀性、振动、噪声和故障率等问题。新型风机过滤器机组中风机采用了无碳刷、电子整流直流电电动机，可无级变速。用霍尔效应（Hall-effect）传感器使控制线路能精确地调准电动机的电压与风机所需的扭矩相匹配，电机效应提
9、高到75%80%。效率的提高带来更安静的运行效果，增强了它的竞争力。控制器也可使风机的转动速度能在远处进行监测和控制。同样每个风机过滤机组的开关状态也能在远处进行监测和控制。能精确控制和监测每个风机过滤机组运行，是其它两种方案所不能及的。但是风机过滤器机组的昂贵设备费用，也是其它两种方案所不能相比的。风机过滤器机组的配电设施费用以及自动化成本最高。虽然其电机小得多，然而其数量多得多。尽管通过减少监测功能，风机过滤器机组的自动化成本可以下降，但这样做会损害系统的运行与维护。相比之下，风机过滤器机组由于机外余压不大（100Pa左右），需要更宽的回风竖井、更大的冷却盘管面积以降低断面风速，减少系统阻
10、力。很难再增加其它性能的过滤器。从结构上看风机过滤器机组可降低了过滤器顶棚的造价。但由于液槽密封顶棚己十分成熟，并且大量生产，价格一再下降。两者造价的差异己不大了。风机过滤器机组的确可以简化了过滤器顶棚的密封。但是由于机组内的过滤器上方压力比洁净室区域高，机组内过滤与机壳渗漏仍是个大问题，尘粒仍存在穿透到洁净区域的风险。当然这个（“渗漏”）原是施工问题，现转变为产品质量问题，但隐患依在。32按以往的经验，轴流风机应是三种风机类型中噪声与振动最大的，产生的静压不足以克服净化系统的阻力。另外还必须采取额外消声措施，这又增加了系统成本及额外的静压损失。为此在空调领域中绝大多数场合都采用离心风机。但是
11、离心风机和轴流风机的性能不仅仅看静压或流量的数值，而是考虑所产生的流量与静压比值，对高级别洁净厂房来说，轴流风机的流量与静压比值最具合理性。两者性能的比较是相对的（见表1）。通常两者的最后选择，并不取决于各自的优点和缺点而是取决于采用什么概念和思路。必须注意现在使用的轴流风机己完全不是过去的概念了，己将先进的风机工程学与空气动力学以及声学制造的消声器结合起来。为获得预期的性能水平，轴流风机的制造必须在严格的公差范围内；风机机体必须是完美地接近圆柱形，这样与风机叶轮的间隙达到最小。因此风机机体不仅是一个钣金件，而且还是转速及叶片间距角度这两种变流量装置，能够使风机达到最佳性能。进口及出口的消声器
12、也是设计定制，从而不需消耗高静压的消声器也能达到最大噪声衰减的性能。除了提高以上这些性能外，轴流风机组竖井设备的设置也得以简化，更方便了维护。每个风机被安装在可移动的台车上，刻装置一般是固定的，且与出入口的消声器相连，通常，这些风机不需要维修，因为它们只的一个活动部件。在必需维修或更换风机时，可以卸开风机与消声器的连接，用简单的牵引带把它从空气通道中滚动移出，送出相邻的维修区内。如果必要，完全可以选择有机外静压能力的轴流风机来克服诸如前置过滤器或化学过滤器等的部件的阻力。较为合适的机外静压为400Pa。33现在分散式循环风机组大多采用了无蜗壳风机，性能也有所提高。但是新型的轴流风机性能卓越，越
13、来越多的机组设置在非洁净区，在三种方案中它的安装与维修最方便，对洁净工艺层影响最小。它要求厂房的高度最高，但无需那么大的建筑宽度。对于分散式循环机组来说，建筑结构的风机平台必不可少，而另两种方案则不需要。由于机组内设置冷却盘管面积，冷冻水必须接入屋顶的每个循环机组中去。存在着水的隐患。这是安装在上层的分散式循环风机组的致命弱点。4定性分析三种送风模式如果我们以引言中介绍的洁净厂房为模型，选择能量效率与投资费用作为评价指标，这是定性分析三种送风模式的基础。文献中提及的能量效率的评价指标是以单位空气流量所耗的能量来表示W/（m3/h）。投资费用以相对成本的价格指标表示，也包括机械、电力、检测仪器与
14、控制、以及建筑与结构成本。过去为适应工艺的频繁更新，大多采用大面积的洁净厂房，工艺层的过滤器满布率常为100%；如今生产线上大量采用微环境装置，外部洁净空间洁净度仅为1000级，循环风量减少，则过滤器满布率可降低到25%。针对这两种场合来比较以上三种方案。41每种方案的相对总成本反映在图4上。表2反映了它的成本因素。三种方案在100%的过滤器满布率的场合中的区别比较明显。风机过滤器机组方案，设备成本最高，风机滤器机组的成本可趋近于分散式循环机组。但它的优越性也丧失了。42对于25%的过滤器满布率的场合，风机型竖井方案总的来讲没有多大变化。由于轴流风机的存在，无法改变风机竖井的尺寸。风机过滤器机
15、组则由于循环风量大大减少，使机组数量减少、回风竖井变窄。投资费用可以降得最多。相比之下分散式循环机组设备费用就显得稍微高一些（冷却水仍必须送入每个分散式循环机组中去）。另外所需的风机过滤器机组的配电费用和自动化成本也随数量的减少而降低，又使分散式循环机组的用电设备费用变得最高。从图4来看，三种方案的费用差异只有在25%的过滤器的满布率的场合下才能减少。表3反映了它的成本因素。这时风机过滤器机组竞争力增强。但比起另两种方案来，仍需要更大的冷却盘管面积，适应工艺变更的相应系统的余量（风量或余压）仍较小，难于进行系统较大的改变。对于风机过滤器机组来说，上层的高度只须满足静压箱的维修的便利即可。如厂房
16、高度太低，则不能采用风机竖井方案。对于分散式循环机组，较大的上层高度对于设备的安放在增压送风静压箱上非常重要。建筑结构的风机平台对支撑分散式循环机组也很重要。43能量效率越高，移动一定流量的空气所需要的能量减少。表4反映了不同过滤器满布率的能量效率。由表可见轴风机及其电机本质上具的更高效率，无论采用传统风机，还是采用新型风机在过滤器满布率为100%与25%的情况下，其能量效率始终比其它两种方案高。即使在过滤器满布率为25%时，风机过滤器机组方案的能量效率有了很大的提高，但是风机过滤器机组方案的能量效率仍然最低。传统的风机系统能效大约是0.235W/（M3/H）左右，文献认为通常IC洁净厂房仅循
17、环风系统每年电费超过500万元。如采用新型的风机系统能效提高到0.118W/（M3/H），则电费可省一半，相当可观。5结论当风机竖井概念被采用时，采用轴流风机是最合适的了。现在完全可以提供高效率又低噪声的轴流风机。与其它系统相比，合适的轴流风机系统可提供整个设施投资费用和运行费用比其它两种方案更节约。轴流风机系统原理简单，而且维修相对容易。在满足因增加预过滤器或化学过滤器等部件而产生的额外静压需求时，同样可以选择该系统。该系统模式欧洲较为推荐。很遣憾，我国洁净厂房到今尚末采用。如将机组安装在洁净厂房的顶部，设置各自独立的送风静压箱，则应该采用离心循环风机组。如对建筑宽度的限制，而允许较高的建筑
18、高度，该系统也显其独特优越性。由于相应系统的余量最大，适应工艺变更或厂房改造，美国较为推荐该系统模式。在我国八十年代建造的华晶和华越采用这种系统。如果小规模洁净厂房（特别是没有足够的空间去安装大的循环机组和必要的管网）或厂房高度有限制，或旧厂房改建，风机过滤器机组就显得特别适合。风机过滤器机组十年前在亚洲兴起，该项技术现已成熟。配有先进直流电机的风机过滤器机组运行效率更高、可靠性更强。并能精确地控制到每一个送风口。在大量采用微环境装置的洁净空间，或在过滤器满布率为25%30%时，风机过滤器机组会有更强的竞争力。三种送风模式的比较可参见表5，各有优缺点。可见近年来在我国大量采用的风机过滤器机组的模式未必每个生产工艺、每个洁净厂房均为最佳，如果不是根据具体合理选择，而是盲目跟从，势必给投资、运行和管理带来负面影响。表5 三种送风模式的比较