某半导体洁净厂房空调系统的设计-以上海某半导体研发厂房改扩建项目为例

某半导体洁净厂房空调系统的设计——以上海某半导体研发厂房改扩建项目为例上海电子工程设计研究院有限公司

上海市

200083

摘要：针对某半导体洁净厂房项目洁净空调系统中的冷热源和末端新风空调机组MAU+风机过滤单元FFU+干盘管DCC及控制原理进行逐项分析、，阐述此类型净化空调系统的计算设计方法及相关注意事项。关键词：半导体洁净厂房；净化空调系统；MAU+FFU+DCC；自控系统。0引言随着我国半导体行业的蓬勃发展，近几年半导体厂房的建设项目在逐步增多。半导体产品对于对于生产区域的温湿度、洁净度的要求高，半导体厂房的净化空调系统设计对于半导体的生产也显得尤为重要。1工程概况本项目为上海某半导体研发厂房改扩建项目，建筑面积：10774.74平方米，建筑高度为17.1m，火灾危险性分类为丙类，生产洁净区域为单层屋顶均为轻钢结构，东西局部三层混凝土结构，新增动力房位于南侧区域为二层混凝土结构。工艺试验环境区、整机集成区带Track、测试区及物流主通道、整机集成区和Sub+FAB灰区都为单层洁净区域，轻钢结构。物料加工区/缓冲区、男、女更位于为东西局部三层的一层。2洁净车间室内设计参数区域名称洁净等级温度/℃湿度/%正压值工艺试验环境区百级23±145±5+25Pa整机集成区带Track百级23±145±5+25Pa测试区及物流主通道千级23±145±5+20Pa整机集成区千级23±145±5+25Pa物料加工区/缓冲区千级23±145±5+20Pa/+15PaSub+FAB灰区万级25±330~55+15Pa男、女更万级24±350±10+10Pa二、三层操作间三十万级24±2--+10Pa3净化空调系统计算电子半导体洁净厂房具有室内工艺设备发热量大、室内显冷负荷大、湿负荷小的特点，热湿比接近无穷大。根据房间温湿度及精度、洁净度要求，采用温湿度独立控制系统，百级、千级洁净空调系统采用新风空调机组MAU+风机过滤单元FFU+干盘管DCC系统。万级空调系统常规有新风空调机组MAU+风机过滤单元FFU+干盘管DCC系统和新风空调机组MAU+组合式空调机组AHU+高效送风口HEPA系统，考虑空调机房面积及气流组织、洁净度扩展性及均匀稳定性等，万级房间采用MAU+FFU+DCC。二、三层操作间三十万级采用新风空调机组MAU+吊挂空调机组RCU。空调水温的选择根据房间23℃、相对湿度45%查出其露点温度为10.4℃，选用冷水机组供水温度为6℃，回水温度为12℃，干盘管中温水供水温度大于其露点温度2℃左右，供水温度选为13℃，回水温度为18℃。注意事项：送风露点温度低，冷冻水供水温度也过低及干盘管中温水的供回水温度。3.1万级Sub+FAB灰区净化空调系统的计算以万级Sub+FAB灰区为例，阐述其净化空调系统的计算及设计。整机集成区房间及整机集成区带Track房间的水电气及排风需求设备及接口都位于Sub+FAB灰区房间，通过高架地板二次配内部接至整机集成区及整机集成区带Track。所以Sub+FAB灰区房间工艺排风量大，且工艺设备总功率大。总排风量为55325m3/h，工艺设备总安装功率为N=3000kW，工艺设备同时使用系数n1取1.0，安装系数n2取0.7，负荷系数n3取0.85，排风带走热量系数n4取0.5，工艺冷却水总流量为3756L/min,工艺冷却水带走的热量按照2度温差计算，区域总冷却水带走的热量为Q2=524kW，此房间工艺设备总散热量为Q=Nn1n2n3n3n4-Q2=368.5kW。房间面积为595m2,吊顶高度4m，满足洁净所需送风量换气次数取25次/h，根据换气次数的送风量至少为595x4x25=59500m3/h。室内总冷负荷=建筑围护结构负荷+工艺设备总散热量+灯具负荷+人员负荷+FFU散热负荷，房间面积为595m2,吊顶高度4m，洁净区域都用洁净板包着，围护结构负荷取50W/平，微电子产品及集成电路照度为500Lux,灯具负荷取15W/平，FFU散热负荷取40W/个，夏季室内总冷负荷为414.8kW，此房间干盘管的最大送风温差7℃，根据室内负荷计算其送风量为414.8×3600/1.01/1.2/7=176011m3/h。注意事项：干盘管的送风温差的选择。干盘管中温水的供水温度为13℃，而冷盘管的送风温度高于其5℃左右，所以此房间的最大送风温差为25-（13+5）=7℃。假如干盘管换成循环空调机组RCU,这送风温差为25-13.1=11.9℃，注意两者的区别，送风温差不一样，其消除室内负荷的送风温度不一样。洁净室内的新风量为室内排风量和维持室内正压值所需新风量之和，和洁净室内每人不小于40m3/h的人均新风量的最大值。正压值15Pa压差风量取换气次数分别2次/h。Sub+FAB灰区新风量为55325+595×4×2=60085m3/h。房间送风量为新风量、消除室内负荷的送风风量、洁净所需的送风量最大值，送风量为176011m3/h，换气次数为74次/h,新风量为60085m3/h，回风量为115926m3/h，正压风量为4752m3/h。3.2百级、千级净化空调系统的计算以百级、千级房间为例，阐述其净化空调系统的计算,其中干盘管的最大送风温差为23-（13+5）=5℃。千级整机集成区房间净高7米，满足洁净所需送风量换气次数取55次/h，正压值25Pa压差风量取换气次数2.5次/h。百级整机集成区带Track房间，面积为149平，净高为7米，满足洁净所需送风量面风速选0.25m/s,送风量为134100m3/h，折合计算换气次数为128.6次/h。正压值25Pa压差风量取换气次数3次/h。按照上述方法，计算出各房间所需的送风量、新风量、回风量、正压风量。4净化空调系统设计及控制原理净化空调系统采用温湿度独立系统控制，为新风空调机组MAU+风机过滤单元FFU+干盘管DCC，MAU将室外新风处理至室内露点温度，MAU处理全部新风负荷和部分室内显热负荷，干盘管DCC承担剩余室内的显热负荷，FFU满足其洁净度要求循环和过滤空气。MAU将处理好的新风送入至上层静压箱，与经过干盘管处理的回风混合，经FFU均匀送入室内，经高架地板至回风夹道、上层静压箱。4.1新风空调机组MAU根据工艺设备的排风量、正压风量及考虑设备和风管漏风量，新风空调机组MAU总风量为150000m3/h,选用三台MAU,两用一备，每台风量为75000m3/h。新风空调机组MAU有进风段、粗效过滤器G4、中效过滤器F8、热水加热盘管、一级表冷盘管、水洗加湿段、二级表冷盘管、再热热盘段、风机段均流段、化学过滤段、高效过滤段H14、出风段，风机变频。新风空调机组MAU送至上静压箱与经过干盘管处理后的回风混合，经风机过滤单元FFU送至空调区域，以保证此区的空调温湿度洁净度要求。

代号ABCDEFG功能段进风段粗效过滤器G4粗效过滤器F8热水加热盘管段一级表冷盘管段水洗加湿段二级表冷盘管段代号HIJKLMN功能段再热热盘管段风机段均流段活性炭化学过滤段预留化学过滤段高效过滤段H14出风段4.2风机过滤单元FFU风机过滤单元FFU采用直流变频，更好的节约空调能耗。FFU尺寸选用1170x1170,风量为2400m3/h,风速＜0.45m/s,初阻力≤95Pa,机外静压为150Pa,百级房间FFU过滤效率为99.9995@0.12um，其他房间FFU过滤效率为99.995@0.3um。有需要化学过滤器的房间，在入口增加化学过滤器。FFU采用直流群控系统，具备远程控制，可实现单台、整组、任意框选控制、以及远程无级调速，带压差传感器的FFU同一房间或区域内占比不得低于3%,每个功能区不少于2个，保证FFU压差监测和风速监测。FFU上部静压箱为负压，可起负压密封作用，洁净室内的压力大于上部静压箱的压力。当FFU与支架密封处有缝隙时，负压使得未经FFU的高效过滤器的空气不能进入室内，保证洁净室的洁净度。4.3干盘管DCC干盘管DCC承担剩余室内的显热负荷，冷量为室内计算总冷负荷减去新风处理部分显热负荷。考虑房间精度要求，干盘管冷量考虑其10%的余量。干盘管断面风速宜＜2.0m/s,计算取1.5m/s,空气侧阻力≤14Pa,安装在回风夹道与上部静压箱之间，立式安装，带集水盘。干盘管水系统供回水温度为13~18℃，但对于室内温湿度精度范围，实际运行也可能带冷凝水，所以干盘管水系统也带冷凝水管。4.4净化空调系统原理及自控原理

净化空调系统气流采用单向流，MAU将处理好的新风送入至上层静压箱，与经过干盘管处理的回风混合，经FFU均匀送入室内，经高架地板至回风夹道、上层静压箱。此项目高架地板下净空间净高1米，此区域包含二次配管线。FFU吊顶采用1200x1200T-GRID龙骨吊顶，车间为单层轻钢屋顶时，上层静压箱净高为2米，上层静压箱吊顶采用单面铍镁岩棉板内填岩棉板（耐火极限≥1h）;当车间为多层且为

混凝土结构时，在各层顶板下刷水性环氧及橡塑铝箔成品保温材料，防结露。洁净室空调机组用PLC控制。MAU风管主管有温度、湿度、静压传感器，每个洁净房间均有房间温度、湿度、静压传感器。新风空调机组MAU主要对新风进行各种处理以保证生产区内湿度和压力的要求。PLC根据室外空气状态参数将整个空气处理过程分为三个区域。当室外空气，含湿量大于8.014g/kg干空气时。空气处理过程为开冷却盘管进行除湿。根据冷却后的温度调节电动二通阀的开度，保证出风露点恒定。当室外空气含湿量小于8.014g/kg且湿球温度大于15.4度时。空气处理过程为冷却加湿,根据出风露点温度控制表冷盘管电动阀开度，根据出风含湿量，控制水洗加湿加湿量。当室外空气绝对湿度小于8.014g/kg且湿球温度小于15.4度时。空气处理过程为加热加湿,根据出风露点温度控制加热盘管电动阀的开度，同时PLC根据出风含湿量，控制水洗加湿加湿量。新风机组变频控制：根据送风主管压力信号，通过变频器调节风机转速，保证送风主管静压,各个房间根据新风支管电动风阀，调节房间正压。水洗加湿单元的自带控制，设备自带RS485通讯接口。干盘管主要控制房间温度，PLC根据洁净室内各区域温度传感器的平均值，调节不同区域干盘管电动阀的开度，保证房间该区域温度的恒定值。新风机组进出口设电动阀控制：当任何机组出现故障时，由PLC关闭相应机组进出口的电动风阀,同时控制相应机组的电动水阀；备用空调机组进出口的电动风阀平时呈关闭状态。5冷热源系统及空调水系统介绍根据MAU、RCU、风机盘管、DCC及工艺冷却水量，可得出夏天低温水供回水温度为6~12℃总冷量、中温水供回水温度为13~18℃总冷量、夏季MAU再热热量，冬季总热量、冬季中温水供回水温度为13~18℃总冷量。空调冷源选用3台800RT的水冷离心式冷水机组(2用1备)和1台400RT的全热回收水冷螺杆式冷水机组。冷冻水供回水温度为6~12℃，冷却水供回水温度为32~37℃，全热回收的热水给MAU再热热盘用，热水供回水温度为30~38℃。冷冻水通过板式换热器换热为供回水温度13~18℃的中温水，供DCC和工艺冷却水使用。冷冻水、中温水系统均采用一次泵变流量系统。空调热源采用2台1.8MW的燃气常压热水锅炉，经板式换热机组换热为供回水温度为60~50℃的热水，供空调热源和纯水热源使用。

冷冻水、中温水、热水二次侧系统均采用一次泵变流量系统。冷冻水、热水水管采用异程系统。干盘管中温水系统，在主干管分支主管加静态平衡阀且每个分支主管为同程系统。由于每个房间干盘管有多个，最多为63个，房间温度精度要求为±1℃的房间，每3~4个干盘管采用一组电动阀门控制。在Sub+fab灰区房间精度要求不高的房间，每5~8个干盘管采用一组电动阀门控制。6结论本文通过对该项目的洁净空调的冷热源及末端新风空调机组MAU+风机过滤单元FFU+干盘管DCC系统的计算、设计及自控原理分析汇总，为其他工程技术人员设计类似项目提供参考。

提醒注意设计过程中冷冻水供回水温度、干盘管中温水供回水温度选择、各房间干盘管最大送风温差的选择及干盘管和循环机组的所造成的送风温差的计算等细节需要根据不同项目的实际情