工业洁净室新风系统环保节能方法研究

2022-12-27中国电子系统工程第三建设有限公司施辉辉

区域治理 2022年9期

中国电子系统工程第三建设有限公司施辉辉

工业洁净室适用于精细机械工业、电子工业、高纯度化学工业等行业。由于工业洁净室新风系统的专业程度较高，因而具有复杂性的特点，在新风处理期间，不仅需要保证室内空气温度及湿度的合理控制，还需去除其中颗粒，因此，洁净室内新风及空气与其能量消耗具有紧密联系[1]。基于这种情况，若要实现新风系统运行能源消耗的降低，重点需调整新风系统运行参数，对于能量的使用数据进行合理分析，实现新风系统的环保节能。

一、新风系统环保节能的意义

随着我国社会经济水平的迅速发展，带动了我国工业化的发展速度。而工业化的发展对能源的消耗量较大，因此，近年来，我国能量的消耗量逐渐增多。全球变暖对人类生存的威胁，能源使用所产生的环境问题不断引起人们的重视。为实现可持续发展，低碳经济模式得到我国广泛重视，是一种基于低能耗、低污染、低排放的经济发展形态，为逐步迈向生态文明提供新的出路[2]。在一定程度上，二氧化碳的排放量能够反映能源消耗问题。二氧化碳排放量有具体的卡亚公式进行计算，若要降低二氧化碳排放量，应对单位GDP能源消耗量、单位能耗排放量进行降低，才能真正实现节能减排[3]。微电子行业动力系统是指提供水、电、气的系统，有助于营造舒适的工作环境，而所有能源是由动力系统所提供的。动力系统包括洁净室系统、机械系统、水处理系统、电子供应及自动化系统、气体、工业废气等，具体而言，洁净室系统又包含新风系统、二次配管线路，机械系统包含冷冻机、设备冷却水、空压机及生活水箱，水处理系统包括纯水系统、排水系统及生活污水，电力供应及自动化系统包括强电和弱电，气体包括氧气、氮气、氢气、氩气，工业废气包括酸排气、碱排气、粉排气等。因此，节约能源在新风系统运行过程中尤为重要。

二、新风系统节能发展

由于能源的稀缺以及全球人口的不断增长，不同国家及不同地区针对降低新风系统能量消耗均在进行不同的研究，并通过各种环保节能措施得以实现。工业洁净室外空气通过新风处理系统，将洁净的空气引入室内，能耗消耗主要体现在新风机组上，为了保持洁净室的洁净水平和相对稳定的温度和湿度，需要注意以下几个方面。

（一）换气次数

工业洁净室的洁净水平与换气次数密切相关。换气次数是根据室内送风量及室内体积所计算而得，不同的洁净等级所需的换气次数不同，例如，10万级洁净室的换气次数为每小时至少15次，1万级洁净室每小时换气次数至少25次，1千级洁净室每小时换气次数至少50次[4]。洁净室按气流状态来分状况划分，包括辐射、乱流、单向洁净室。具体来说，乱流洁净室的送风口到回风口的流通截面是不断变化的，类似于稀释效应，颗粒不能完全送到出风口，其洁净等级仅能达到至多1000级。单向洁净室能够产生更高的洁净度，其中垂直单向流洁净室效果更佳。在室内顶棚覆盖高效过滤器，底部格栅用于空气再循环，实现顺畅向下的平行气流，具有很强的自清洁能力[5]。洁净室的布局从平面结构来看有三种形式：开放式布局、港湾式和岛式布局。在8寸及12寸的洁净室布置通常采用开放式洁净室和微环境的方式，这种布置方式可以为洁净室内的布局创造更多的便利，同时能够降低循环风量。在用力室等开放的空间，洁净等级可达到1万级，然后通过微环境控制，局部工作空间的洁净度可以提高到100级及以上。若要降低空气的循环量，就需精确控制风量，洁净室内的设备布局要更加合理，可配置微环境，减少高层洁净室面积和单向流动的需要，同时要求洁净室的气密性，使超压降低在合理范围内，控制并保持洁净室的正压避免过高，可以减少洁净室所需的新鲜空气总量，降低洁净室的换气率，进一步减少引入空气的空气量调理系统。减少新风量虽然在一定程度上节约了能源，同时也反映出室内空气质量有不同程度的降低，液体除湿还可以去除空气中的潜热负荷，以减少能源消耗[6]。通过将两者结合起来，基于液体除湿的空调系统可以通过增加进入空调系统的新鲜空气量来改善室内空气质量。除湿液体可以使用氯化钙、溴化锂、氯化锂等金属卤化物盐除湿液。

（二）设备发热

对于密闭的洁净室，洁净的空气是由新风系统供给的，而新风机的热交换也需进行调节。由于大量设备的集中，发热量不断增大。工艺设备产生的热量约为75%，湿热比接近于无穷大，这部分热量不能通过自然热扩散而消散。通过在机组内部循环冷却水，将机组运行过程中产生的大部分热量散发出去，剩余的热量可以通过循环空气加以利用[7]。洁净室内循环的空气将热量随空气带入回风管道，并通过风机过滤机组过滤，从二次回风中得到热量。进入新风温度略低于设定值，两部分空气在循环空气中进行热交换，实现冷暖互补，节约能源。同时，排气系统起到平衡洁净室压力的作用，使压力、温度和湿度保持相对稳定。这对于要求苛刻的半导体生产环境是必要的。模糊温度和湿度控制方法允许减少温度和湿度变化以促进控制。

（三）空气输送系统的阻力

新鲜空气要经过多道工序才能将空气带入符合要求的洁净室，新风机组内每道净化过程前后都会产生相应的压差，浪费了大量的能源。在相对固定的环境下，其压差是相对固定的，浪费了大量的能源。基于此，若要降低能耗，则可通过改变新风机组处理进行实现。在洁净室中，安装多孔地板可选择风机过滤机组，使得新风和回风更容易循环，减少空气阻力。中方空调系统在洁净室的合理布置也可以降低能源消耗。不同的分布结构对气流特性有不同的影响。

（四）空调机箱的效率

洁净室通风设计是最为重要的，在动力设备建成后，其次为洁净室的建设，对于新风设备生产的重视程度普遍不足。为了实现节能要求，新型风机也越来越受到重视，在洁净室建成后，以上三个方面都很难改变。空调机箱在正常环境下的节能方法也不断应用到洁净室新风系统的机箱上。节能的重点正在逐步转移到新风系统的空调机箱。空调会消耗大量热水、冷水、电力等能源，空调机箱的尺寸、处理能力和各连接的配置都会在一定程度上影响最终的能耗。由于该设备位于洁净室外，因此改造相对容易。空调系统的节能改造也成为新风系统节能的关键，可以通过减少或更换机械冷却或电加热过程来提高洁净室的能源效率。在不同的环境和不同的场合，开发出许多独特的节能方法。沼气驱动的热泵空调系统使用沼气来减少热能的使用。在有温泉的地区，可使用地热辅助空调系统以减少用电量。由于设备之间的热量差异，热量也可以以互补的方式使用，即热量回收。制冷除湿系统不仅能在一定程度上改变冷风量，还能使空调本身节省大量能源。冷却塔和太阳能集热器在液体除湿空调中用作冷却和调节热源，对于液体除湿的效果，相关研究人员简化了除湿效率模型，不断寻找提高效率的方法[8]。冷冻水系统和加热系统是提供能量不可缺少的部分。冷水系统和供暖系统是能源供应的重要组成部分。使用冷冻水系统与具有热回收功能的系统的组合，实现最低能耗，同时通过组合洁净室的风扇位置来节省能耗。冬季室外空气温度较低，可引入新风机的后续冷却过程，使室外空气和风箱内的冷空气与新风中的热空气进行能量交换系统并使用多种冷源进行冷却。还有氟利昂直接蒸发式除湿机，对洁净室空气进行除湿，巧妙地利用除湿机冷凝器的热量对除湿后的空气进行加热。

三、新风系统改造及节能方法研究

（一）新风制备期间重视水的应用

比热容是单位质量的物质提高其单位温度所需的热量，而水的比热容最大。在相同的加热或冷却条件下，水温变化较小。水不仅储存了大量的热量，而且能够散发出大量的热量。水的性质较为稳定，在不同的温度下，在不同的温度下，它仅以三种形式出现，没有太大的危害，因此在传热过程中得到了广泛的应用。水的潜热量、汽化热较高，这意味着将水汽化到沸点所需的热量是将相同量的水从1℃加热到100℃所需热量的五倍。水在新风系统的能源消耗中也起着重要作用。喷水室中的喷空气、冷却盘管中的冷水、后加热盘管中的热水和加湿过程中的蒸汽均利用了水的特性。改造新风系统中的水连接可以节省大量能源，最简单的变换方法是在气温差变化最大的环节了根据新风处理工艺，分析预热器盘管和水喷室的运行工况，可以找到多种能源改造方案，即冷冻机冷却水余热利用、水蓄冷节能、冷凝水回收和水喷雾系统改造。

（二）冷冻机冷却水热回收

冷冻机是利用压缩机改变制冷剂气体的压力来实现低温制冷的机械装置，分为活塞式、螺杆式和离心式。在冷冻机的热交换中，水起到很好的传热作用，蒸发段产生的冷冻水为洁净室提供直接冷却动力，冷冻机系统中的冷冻水出水温度6℃，回温为11℃。冷凝器部分的冷却水温度为32℃，通过冷却水泵送到屋顶的冷却塔，而热量通过风扇排到大气中。这部分能量直接释放到大气中，是一种能量的浪费，对此，水的热量在冷凝器中具有可利用性。

（三）水蓄冷节能改造

夏季制造冷量的冷冻机用电量较大，特别是在35℃的持续高温下，冷冻机白天以最大负荷工作。然而，尽管夏季炎热，但昼夜温差还是相当大的。夜间温度通常不超过30°，可减少冷冻机的负荷。另外，新风系统的冷却盘管级需要大量的冷水来冷却新风。这种冷却力是由冷冻水提供的，所以白天多余的冷却力可以应用到夜晚的新风冷却阶段。由于夏季对制冷的要求较高，夏季夜间温度比较低，冷冻机的制冷量有一定的盈余。此外，夏季峰谷电的价格相对较低，冷冻机可将冷水储存在水箱中蓄冷，白天冷水通过冷却管送入新风机组预冷管，可减少新风机组自身的冷水消耗，预冷管道可利用预热盘管以促进管道的使用。

（四）冷凝水回收

夏季气温高、湿度大，新风经过水喷淋室空气净化后，湿度上升到接近饱和，温度下降，但温度仍高于其他季节。在进入冷却盘管的下一级时，供应冷水的冷却盘管冷却新鲜空气并将新风的湿度增加到接近饱和。大量的冷凝水从潮湿空气中分离出来，直接通过管道进入市政污水系统，成本非常高。中央动力部分冷却塔风扇散热导致大量水逸出，为了保持冷却塔的正常运行，必须每日进行补水，且补水量较大，虽然冷却塔的补水并不能直接给新风机组带来节能效果，但新风系统的节能也可降低生产成本[9]。此外，新风系统内的水喷淋室也会消耗大量的水，可将冷却盘管级的冷凝水收集起来用于水喷淋，节省用水量。冷凝水也可以满足喷水的补水需求，但喷水所需的水量远少于不能充分利用的冷凝水量。因此，在测量水喷淋室水质时发现，由于空气中的酸性成分溶解在水中，导致循环水的pH呈弱酸性，因而需要更多的纯水进行稀释，以防机箱腐蚀。由此可见，冷却塔处理最好使用冷凝水。

（五）水喷室节能改造

新风处理系统要求喷水室有足够的加湿。事实上，它是空气湿热处理的一部分。用于空气湿热处理的介质和热湿交换介质包括水、蒸汽、各种盐类的水溶液和冷却剂。喷水室是湿式接触换热器之一。双级、卧式、低速喷水室是新风系统中应用广泛的喷水室。为保证空气能得到充分加湿，应对外围水泵施加一定的压力，水泵带动水进入喷水室，使水与空气充分接触，达到加湿的目的，不仅可以处理带热量和水分的冷空气，还可以进一步净化空气。

由于需要对空气进行净化，空气加湿需要对水质要求较高的纯水。喷水室的主要部件包括池底、循环水泵、喷水管、挡水板、补水管及溢流管道。水滴完成热湿交换后，落到池底，底部有滤水器，以确保水可以重复使用，不仅能够去除空气中的一些残留污染物，还能通过避免堵塞喷淋管道，减少喷水效率。喷水管能与风有更好的接触。与镀锌钢板保水板相比，波纹塑料保水板的阻力较小，且保水效果更好。当含有水滴的空气通过导水板时，曲折的波道与空气中的水滴碰撞，形成水膜，最后沿导水板进入池底，起到节水作用；另外，可避免过多的水滴进入下一空气处理环节，导致设备生锈。由于空气加湿，会带走部分水气，且部分水会泄露在底池外，因此需要通过纯水管重新补充水喷室的水。当纯水过多时，水会溢出，所以池底的水位由浮球阀控制。溢入水池的水排入自来水排放管，避免浪费水资源。在夏季，水喷室内的空气与水温相近，并且由于夏季湿度较高，应用水喷淋的目的在于去除水中可溶性酸碱物质，因此两台水泵是超负荷运行，仅需应用单台水泵适当加湿空气即可，固定接触区域可使用Y-1型的离心式喷嘴，这不会影响新风系统各环节参数，且送风机频率可得到降低。