半导体厂房净化空调系统设计与应用探析

摘  要：半导体厂房净化洁净空调系统是电子厂房建设的重要组成部分，厂房各类生产工艺的正常运行都依赖于一个高品质的洁净环境。本文以现已完成并运行良好的半导体电子厂房的净化空调系统相关设计方案为例，结合笔者近几年洁净室净化空调系统设计经验，并参照电子工业洁净厂房设计规范，就洁净室设计要求及设计优化等方面进行阐述总结，供今后半导体行业暖通设计提供参考。

关键词：半导体车间;净化空调;系统应用

中图分类号：TU83    文献标识码：A      文章编号：1671-2064（2020）03-0000-00

0引言

二十一世纪是技术突飞猛进的时代，科技的迅速发展促进了工业化产业的逐渐发展与完善，与此同时对工业生产的要求也逐步严格规范化，我国净化技术应用领域原来越广泛：医疗器械、科技研究、汽车、美食、化妆品等行业，高品质生产环境已经成为半导体工业进步与竞争的潜在因素，优化半导体车间的净化空调系统设计，进一步详细剖析，寻找更加合理有效的设计方案显得尤为重要。

1洁净室净化等级划分及选择

《洁净厂房设计规范》GB50073-2013中制定：无尘室中空气悬浮颗粒物浓度是可控的，其建造和运行均应降低室内滞留、产生的尘粒数量，并且净化区域温湿度等相关参数都在可控范围内。由于工艺不同，需求的净化等级和建造标准也不同，根据空气中≥0.5μm/0.1μm的颗粒数对洁净室分为：十级、百级、千级、万级、十万等级别[1]。

一般来说国内现行的标准有：GB/T16292-1996、BS5595、FS209E、ISO 14644-1、欧盟GMP等，按照这些要求进行特定颗粒的测量和计算，以对洁净室和洁净区域的清洁度水平进行分级。

根据生产工艺、机械设备的实际需求合理选择最佳的净化级别建造洁净室，在达到需求的同时降低建造成本，资源能耗是净化设计的基本目标。

2净化空调与一般空调区别及设计要求

2.1 主要控制参数方面要求

普通空调主要根据客户需求控制房间温度，湿度，新鲜空气和噪音，对温度湿度的精度控制要求不严格。净化空调主要控制房间含尘量、风速、换气次数，对净化空间的温度湿度精度控制要求较严格，一般温度控制的精度为±5℃，湿度控制的精度为±10%。

2.2 空气过滤方面要求

一般空调采用一级到二级过滤，采用初效或者初中效过滤，而净化空调采用三级到四级过滤，初中高效，甚至根据需求应采用超高效过滤等[3]。

2.3 室外压差控制要求

舒适性空调的换气次数≤10次/小时，净化空调的换气次数≥12/小时，具体根据不同净化级别参照相关设计规范换气次数;舒适空调对室内外压差要求不高，而净化空调为了减轻室外脏空气或不同洁净等级之间空气相互渗透影响，对不同净化等级的正负压值有不同的要求：据设计规范规定，不同级别的洁净室压力差值不应小于5Pa，洁净与非洁净区域之间的压力差值不应小于5Pa，洁净区域与室外之间的压力差值不应小于10Pa[1]。设计时应根据不同洁净室的需求特点，采用间隙法或换气频率法确定循环风量。净化空调系统设计时，在满足生产工艺要求的前提下，应选择规范要求的下限值，以降低能耗。

3洁净区域净化空调系统设计要点

3.1 气流流型的选择

洁净车间的气流组织形式有：综合垂直单向流，综合水平单向流，非单向流和混合流[3]。单向流是洁净室整个断面的风速稳定，大致平行的受控气流，分为与水平面垂直的单向流和与水平面平行的单向流。当送入洁净室的风与室内空气紊乱混合的气流分布形态为非单向混合流。实际实施中根据工艺产线需求及净化级别选择合适的气流流型，降低缺陷产品数及废品率。

3.1.1 综合垂直单向流洁净室

净化等级在千级或百级或以上净化等级的洁净室采用单向流的气流组织形式。理想的垂直单向流动洁净室气流组织上面送下面回风，其室内清洁度高，车间自净能力强，即使设备发尘污染空气，洁净室单向气流也能将将微粒以最快的速度单向带出车间，防止污染物进一步周边扩散。大多应用在千级以上净化级别的洁净室，一般采用新风空调机组MAU+自循环高效过滤风机单元FFU+高架孔板形式+干盘管DCC。MAU是独立的新风系统，负担新风负荷和满足室内正压需求，MAU机组将室外新风处理到露点后，送入洁净室上夹层，上夹层相当于一个大的送风静压箱，经过FFU将上夹层空气清洁过滤送入净化车间，净化车间温升后的空气经过地面高架孔板进入下夹层，下夹层相当于一个大的回风静压箱，收集洁净室空气送入侧面回风道经过DCC降温处理再送入上夹层，如此循环往复保证车间环境品质，其中FFU及高架孔板数量及位置还应针对生产工艺、设备布置位置及数量做适当调整，尽量使生产线处于洁净室环境品质最好的位置。

3.1.2 混合流洁净室

万级及以下净化级别净化房间一般采用混合流，混合流气流组织为上送测回，净化空调系统一般采用空调机组AHU+高效过滤器HEPA+自循环高效过滤风机BFU形式。维持净化车间温度湿度的热湿负荷由空调机组AHU独立集中处理，净化车间的回风与新风混合后通过AHU热湿净化处理后，再由HEPA送入净化车间，车间空气通过设置的回风柱回风百叶回到空调机组AHU与新风混合再热湿处理循环运行;为保证车间洁净度，增设部分BFU高效过滤风机，增加车间换气次数，车间空气同样通过BFU专用回风柱回到BFU機组再送入洁净室内，如此循环过滤运行。这种车间空气热湿处理和净化处理分开的系统不仅保证的车间的温湿度，又避免了风量全部由空调机组承担多出的能源消耗。

3.1.3 局部区域设置净化层流罩

生产车间净化区域并不是一成不变的，例如有时候大面积产线万级净化级别足够，但是与其连接的局部生产线需要千级或者百级，这时候就可以采取设置层流罩或洁净棚，局部增加高效循环风机提高净化级别，不仅满足生产，还能降低建造成本和能耗。

3.2 新风量及排风量的优化确定

3.2.1 新风量的计算

按照我们平常经验选取新风量为总送风量的10%-20%，不仅增加空调负荷，且浪费能源，我们应根据实际需求计算合理实际需求量，新风量的确定选择以下计算数值的最大值G：

（1）保证净化区域工作内工作人员新风量大于等于40m？/H;

（2）净化区域内排气量峰值与维持房间正压所需新风量之和;

（3）最终新风量的确定G=MAX（G1，G2） [2]。

3.2.2 排风量的优化

净化车间需要补充大量的新风主要是因为车间内生产设备的并不一定24h全部100%满负荷运转，所以要根据实际生产工艺流程及维持车间正压新风量，另外要加大对车间排气热量的二次回收利用，减少工艺负荷。

3.3 风机选型相关因素考虑

净化空调系统风量大、功率大，在现场允许的情况下适宜把风机和电机都外置，且选择高能效的变频风机。净化空调机组、自循环高效过滤风机单元FFU在运行过程中产生温升。空调机组克服初中高效过滤器、冷热盘管、风管等阻力，空调风机全压一般会在1400Pa左右，其温升大概在1.5～1.6℃;自循环高效风机只需要克服高效阻力，一般全压在300Pa，运行温升约0.5℃[2]，这些因素在空调设计及设备选型过程中要给予适当考虑。

3.4 过滤材质及压差选择

净化空调过滤材质选择的好坏直接影响到风机的压差功率。对于半导体行业组合式空调机组初效适宜采用板式或者袋式无纺布过滤，中效适宜采用板式无纺布，高效采用超细玻璃纤维等，合理正确的选择过滤器不仅保证净化质量，且提高风机和高效等的使用寿命[3]。为保证净化车间环境品质，要定时更换过滤器，正常情况高效过滤器一年更换一次，初中效过滤器一年四次，这个还要根据具体实际使用情况决定是否增加年更换次数。净化空调内部各过滤器段还要设置压差报警装置，自动显示压差，当其超过设定值时，自动报警，一般各级过滤器初终阻力值如下：

（1）初效过滤器G4：初阻力60Pa，终阻力120Pa;

（2）中效过滤器F8：初阻力120Pa，终阻力250Pa;

（3）高效过滤器H14：初阻力200Pa，终阻力400Pa。

3.5净化空调机组控制方式

3.5.1净化车间湿度和压力的控制

净化车间湿度和压力主要取决于新风机组MAU，新风机组采用PLC控制，PLC根据室外空气温度将整个空气处理过程分为三个区域：当室外空气含湿量是9.72g/kg干空气时，空调机组冷盘管对空气进行除湿，再根据冷却后的温度调整电动水阀的开度保证出风露点值稳定;在室外气体的含湿量小于9.72g/kg，并且湿球温度大于9.53℃时，对空气进行冷却加湿，通过出风露点温度值调整制冷盘管电动水阀的开度，由出风含湿量控制加湿器的加湿量;当室外空气绝对湿度小于9.72g/kg及湿球温度小于9.53℃时，对空气加热并加湿，通过出风露点温度自动调整加热盘管电动阀的开度，同时PLC根据出风空气含湿量值，控制加湿器加湿量。具体控制参数还要根据各个实例、工艺需求再做适当调整，尽可能找到既满足每个工艺要求又是最节能的控制点。

3.5.2 新风机组压差及加湿器控制

新风空调机组MAU主管安装电动风阀，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;房间各个区域需求的压差值通过调整对应新风支管电动风阀实现。

3.5.3 房间温度控制

房间温度主要由干盘管承担，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。自动控制在满足工艺需求的同时尽可能的适时调整降低能耗。

4结论和建议

综上所述，选择满足自身工艺链需求的净化级别，分清净化空调的特殊功能和要求，以及把握净化空调设计中的关键要素，对工艺过程细致分析，设计出与之相符的暖通空调系统及自控系统，找到建造成本低，运行效果佳的净化方案，以期为以后半导体行业净化设计提供参考。

参考文献

[1] GB 50073-2013.洁净厂房设计规范[S].

[2] GB 50736-2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[3] 许钟麟.空气洁净技术原理[M].上海：同济大学出版社，2014.

收稿日期：2020-01-04

作者簡介：于庆杰（1990—），女，河南漯河人，本科，助理工程师，研究方向：暖通空调。