印制电路板厂房暖通空调节能设计分析

2020-05-19王志军殷小涛

印制电路信息 2020年4期

王志军殷小涛

（无锡深南电路有限公司，江苏无锡 214000）

0 引言

印制电路板（PCB）广泛应用于通讯电子、消费电子、计算机、汽车电子、国防及航空航天等领域，是现代电子信息产品不可或缺的电子元器件。随着当前云技术、5G网络建设、大数据、人工智能、物联网等行业的快速发展，印制电路板需求越来越大，产品要求越来越高。为满足市场的需求，新建、扩建印制电路板生产厂房越来越多。PCB生产过程工艺复杂、设备发热量大、环境要求高，致使空调能耗极高，空调系统全年能耗约占全厂总用量的30～40%，因此暖通空调节能设计势在必行。

1 厂房暖通空调状况分析

PCB工艺流程复杂，生产过程工序较多，各工序中生产设备的发热量、废气排放量及环境需求均不相同，从而导致了暖通空调系统复杂，且运行能源消耗大的现象。表1是华东地区某大型PCB厂房空调参数及冷负荷的统计数据，从统计的数据可以看出，此类厂房空调能耗较大，生产区域单位面积平均冷负荷大于350 W/m2。由此可见，暖通空调节能设计非常必要，见表1。

厂房暖通空调系统运行能耗主要受以下因素的影响：

（1）室内外环境温湿度，室内洁净度等；

（2）生产设备发热量、废气排放量；

（3）冷热源有效利用率；

（4）空调系统输送水/风量、阻力；

（5）暖通空调系统设备的运行效率。

由室外气候及生产工艺直接制约的因素，此次不做研讨。本文重点从提高冷热源利用率、降低空调系统输送能耗、提升空调设备运行效率等方面进行分析，以降低冷热源、空调系统的综合运行能耗。

表1 生产车间空调参数及负荷状况

2 冷热源系统的节能设计

2.1 冷热源的选用

（1）热源的选用应优先采用城市、区域供热或工厂余热。高度集中地热源能效高，便于管理，有利于环保，为国家能源政策所鼓励，使用费用相对较低；

（2）对于峰谷电价差异比较大的地区，利用低估电价时段蓄冷有显著经济效益时，可采用蓄冷系统供冷；

（3）冷源应首先考虑采用天然冷源，无条件采用天然冷源时，可采用人工冷源。

2.2 冷热源机房的设置

（1）当生产厂区多栋厂房距离较近时，应集中设置供冷、供热机房，以便于充分利用各厂房负荷的参数特性，减小冷热源设备的容量，管理集中、方便，可以提高能源的利用率。

（2）当生产厂区多栋厂房距离较远时，应分别独立设置供冷、供热机房，机房的位置尽可能靠近厂房，以缩短输送管路，减少输送能耗。

2.3 供冷、供热系统的节能设计

2.3.1 中、低温冷冻水的应用

基于PCB工厂冷源需求量大、应用场所多、冷冻水温度要求不同等特性，供冷宜采用中、低温冷冻水两套供应系统。中温冷冻水供回水温为13 ℃/18 ℃，用于工艺设备降温、干盘管及风机盘管制冷。低温冷冻水供回水温为7 ℃/12 ℃，用于组合式空调箱（MAU、AHU）降温除湿。冷水机出水温度提高1 ℃，机组COP提高约2～3%，相比传统的单一低温冷冻水供应系统，冷水机综合能耗降低约10%。

2.3.2 变流量水系统的应用

多栋厂房集中设置的供冷、供热机房，宜采用二次泵变流量系统，二次泵应根据各厂房需求特性分别选用、控制。每栋厂房独立设置的供冷、供热机房，宜采用一次泵变流量系统。

2.3.3 冷却塔节能运行的应用

通过监测室外湿球温度，重置冷却水温度控制设定值，以此来调整冷却塔风扇运行数量、频率，避免冷却塔风扇过度运行产生的能源浪费。通常冷却水温度控制设定值比室外湿球温度高3 ℃。

2.3.4 机房群控的应用

充分利用机房群控的技术，通过监测供回水温度、流量及压力等参数，自动调节冷水机、水泵及冷却塔等设备运行负荷，以降低机房整体能耗。水泵运行频率宜通过监测最不利回路供回水压差进行控制。为了运行稳定，也可直接通过监测供回水主管压差进行控制。

2.3.5 自由冷却的应用

厂房生产设备发热量大，大部分空调需全年制冷，且部分生产设备也需全年降温。鉴于此，对于冬季环境温度较低的地区，应充利用天然冷源，可采用冷却塔直接制冷。从以往使用经验看，在华东地区，每年有三个月可使用自由冷却系统，节能效果显著。

2.3.6 热回收的应用

工厂压缩空气使用量大，且用量稳定，因此空压机热回收可作为稳定的热源使用。从以往使用数据看，空压机热回收量约占总用量的15%。

厂房冬季冷量需求较大，若不采用自由冷却的情况下，可利用冷水机全热回收。从以往应用案例看，在华东地区，冷水机与空压机热回收总量即可满足全厂冬季空调的使用。

2.4 冷热源系统设备的节能

冷水机的选型应结合工厂特性、市政能源状况，以及环境气候特点综合评估后选用。印制线路板厂房多数情况会选用电动压缩式冷水机组，对于冷冻水用量需求较大的厂房，宜采用高效、环保的离心式冷水机组。考虑到厂房全年冷负荷需求量的变化，为保证供冷系统全年稳定、高效的运行，每个供冷机房宜设置一台变频冷水机组。具备市政蒸汽供应的地区，应采用市政蒸汽与水进行换热来制取热水，其中换热器的选用至关重要。结合以往应用案例看，螺旋螺纹管式换热器具有传热系数高（7000～8000 W/m2.K）、换热效率高、耐高温高压、外形体积小等特点，非常适合应用于汽-水换热。

水泵作为空调水系统循环的动力源，对水系统的稳定运行起着至关重要的作用，但同时水泵也是其中主要的耗能设备。在空调水系统中，水泵约占整个水系统能耗的20%，因此水泵的节能设计非常重要。水泵选用参数要合理，并配置合适、高效的电机。水泵电机采用变频驱动，可根据系统负荷的变化，自动调节运行频率，以保证水泵有效、高效的运行。

3 空调系统及设备的节能设计

3.1 空调系统的节能设计

3.1.1 洁净室空调系统的合理选用

PCB厂房洁净室洁净度等级一般为N6、N7，其车间具有数量多、面积小、冷负荷大、新风需求量大等特点，并且应市场的发展，洁净室车间会随生产工艺的变化进行改造。基于此，印制线路板厂房洁净室宜采用新风机组（MAU）+风机过滤单元（FFU）+干盘管（DC）的组合方式进行空气处理，相比一/二次回风空调系统，该空调系统具备空气循环耗能小、系统运行稳定、升级改造方便等特点。新风处理机组（MAU）风机采用变频驱动，风机频率根据室内压差自动调节。风机过滤单元（FFU）选用高效的直流电机，可根据高效过滤器的使用状况调节风机的运行速率，避免在系统投用初期，过风量运行造成不必要的能源浪费。干盘管（DC）采用13 ℃的中温冷冻水，降低了冷水机运行能耗。

在进行厂房工艺布局设计时，应尽可能将不同洁净度、不同温湿度要求的区域分隔开，分别设置单独的空调系统，独立控制。空调机房应尽可能靠近所使用的区域，缩短风管长度，减少输送阻力，节省运行成本。

3.1.2 恒温恒湿车间空调系统的优化

PCB厂房恒温恒湿车间具有设备发热量大、新风需求量大、室内湿负荷小等特点。对于温湿度控制精度较高的区域，可采用优化后的一次回风系统（图1），相比传统的一次回风系统，组合式空调箱增加了冷却段、回风段。第一段冷却段采用7℃的低温冷冻水，其主要功能是降温除湿，控制室内湿度；第二段冷却段采用13 ℃的中温冷冻水，其主要功能是降温，控制室内温度。相比传统一次回风系统，避免了冷却除湿后的再热，消除了冷热抵消的能源浪费；尽量采用13 ℃中温冷冻水，提高冷水机的运行效率，降低冷水机的运行能耗如图1。

图1 一次回风系统/组合式空调箱结构

对于温湿度控制精度相对较低的区域，可采用一次回风变风量系统（图2）。新风电动调节阀的开度根据车间的压差进行控制，以保证补充适当的新风量，考虑到一般回风侧管路较长，相对新风侧沿程阻力较大，所以回风侧不需设置电动调节阀。夏季工况下，室内湿度通过冷却段冷水阀的开度进行控制，室内温度通过风机运行频率进行控制。冬季工况下，风机可在较低频率下运行，室内温度通过冷却段、加热段的水阀开度进行控制，室内湿度通过加湿器开度进行控制。相比传统的一次回风系统，减少了冷热抵消的能源浪费，降低了空气输送的能耗。但风机运行频率较低时，送风量较小，送风相对室内温差较大，不适宜应用于温度控制精度较高的车间如图2。

图2 一次回风变风量系统/组合式空调箱结构

3.1.3 普通加工车间环境微负压控制的应用

普通加工车间生产过程中会产生少量有害气体，生产设备废气排放量大，操作人员工作岗位固定，因此采用全新风空气处理机组进行岗位送风和环境补风。为了减少对周边生产车间的环境影响，该区域采用微负压控制，以避免有害气体对外扩散，同时减少从周边环境的取风量。废气处理系统与生产设备联控，风机采用变频驱动，通过监控废气处理系统管道的压力，自动调节风机运行频率，合理控制生产设备的废气排放量。通过区域微负压控制，自动调节新风空调处理机组的运行频率，合理有效的进行岗位送风和环境补风，减少冷热源、风机的能耗，降低空调运行成本。

3.1.4 生产设备排气余热的回收利用

对于部分生产设备（烤箱、烘干设备等）产生的高温、低污染的废气，可采用热回收新风机组，回收生产设备废气余热。对于部分无污染、与室内空气焓差小的工艺设备排气，可直接排至车间内，以降低环境补风量、减少新风处理能耗，对于温湿度要求高的车间，节能效果非常显著。