技术交流 | [高级]- 详述洁净室的能耗与节能

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一、洁净室简述

洁净室因其用途、气流流型等的不同，可分为各种不同冠名的洁净室。洁净室按用途可分为工业洁净室、生物洁净室。工业洁净室是以控制微粒为主要对象的洁净室，通常适用于微电子产品生产、精密机械加工、电子元器件和某些电子产品组装、精细化工、精密仪器仪表生产、航天航空的一些产品生产等。生物洁净室是以控制微粒和微生物为主要对象的洁净室，可分为一般生物洁净室和生物安全学洁净室; 一般生物洁净室主要是大部份药品和生物制品生产、部份食品和化妆品生产，生物安全学洁净室主要用干有生物学安全要求的实验室或部份药品和生物制品的生产。洁净室按气流流型分类时可分为单向流洁净室、非单向流洁净室和混合流洁净室。单向流(unidirectional airflow)洁净室，气流沿单一方向呈平行流线并且横断面上风速一致的洁净室;单向流分为垂直单向流洁净室和水平单向流洁净室。非单向流(non-unidirectionalairflow)洁净室，气流不符合单向流方式的洁净室，曾被称为“乱流洁净室”混合流(mixed airflow)洁净室，以单向流和非单向流组合的洁净室。

二、洁净室能耗特点

洁净室的空调净化系统运行能耗比一般舒适性空调运行能耗大得多，根据不同不同净化等级，洁净室空调净化能耗是一般舒适性空调能耗的1.5~15倍，其单位面积的耗电量为0.1~1.0 Kw/m2。

A、洁净室的主要能耗

① 为维持洁净室所要求的温度和相对湿度，要对洁净室的送风进行必要的热、湿处理（冷却、去湿、加热、加湿等），就必须向空调净化系统供冷供热，供蒸汽就要消耗大量的能量。

② 为了保证洁净室的洁净度，温度、湿度等参数，必须往洁净室送入大量的空气，送风的风机和供水的水泵等动力设备也要消耗可观的能量。

③ 上述的供冷、供热、供蒸汽消耗的能量以及送风、送水设备消耗的电量随洁净级别越高，能量消耗越大。下表为不同级别洁净室的能耗统计表：

不同级别洁净室的能耗统计表

  注：单位面积耗电量指空调净化系统的耗电量（含制冷、制热、加湿、送风等）

三、洁净室大能耗的原因

① 净化送风量大。不同净化级别的洁净室送风量和相同面积的舒适空调送风量的相比是其1.5~55倍，而且送风风压也是其2~3倍，因此送风机的温升耗冷量很大。

净室(区)的空气洁净度等级，它是依据产品品种、生产工艺或使用要求所确定。例如集成电路的集成度不断提高，洁净室控制粒径及洁净度等级已从0.5um或0.3um的ISO5级(100级)要求严格到0.05pm的ISO1级；薄膜晶体管液晶显示器件(TFT-LCD)生产用洁净室的空气洁净度等级为ISO3级~4级/5级，控制粒径0.1um/0.3um；微型硬盘(HDD)生产用洁净的空气洁净度等级ISO4级，控制粒径01um/03um; 药品生产用洁净室的控制粒径及洁净度等级通常为0.5um，ISO7级8级(10000级、100000级)，局部要求ISO5级(100级)；根据净化级别不同，空气洁净度等级越严格，洁净室送风量越大，如ISO4级的送风量约相当于300~500次换气次数，能量消耗很大。

② 洁净室空调净化系统的新风量大，一般情况下，新风量等于排风量与正压漏风量之和，因此生产工艺排风量大故新风量就很大。因此，新风的热湿处理耗能也就很大。

③ 洁净室中的工艺设备和工艺过程发热量大，而且连续两班制或三班制运行。因此，耗能量也大。

④ 洁净室内生产工艺的温、湿度及其精度要求很高、很严，也是能耗大的原因。

四、洁净室能耗分析

洁净室能量消耗主要用于维持产品生产环境要求、功能参数、工艺介质的供应等。洁净室是连续使用的能量消耗大户，它的能量消耗包括：产品生产设备用电、用热、用冷，净化空调系统的耗电、耗热和冷负荷，冷冻机组的耗电，排气装置的耗电、耗热，各种工艺介质的制取、输送耗电、耗热和冷负荷，公用设施的用电和照明用电等。洁净室的能量消耗是一般写字楼的10~30倍，如一个大规模集成电路生产用洁净室的电力负荷约数万千瓦甚至十几万千瓦药品生产工厂因药品种类、规模不同，能量消耗各不相同，一般药品洁净室面积3000~5000m2的电力负荷约为1500~2000kw。在各类能量消耗中除生产设备随产品品种、生产工艺不同而不同外，能量消耗总量中比例较大的是冷热源和净化空调系统，如冷冻机的电耗，通常要占总量的15~35%。下表是中国电子设计院设计的几个工厂洁净室能量消耗的初步统计

以下两图为中国电子设计院做过的两个洁净厂房的能量消耗比例图：

图1可见制冷机能耗占总能量消耗的比例为24%或35%；净化空调系统的能量消耗占17%或18%。

图2是台湾集成电路工厂的能量消耗的比例图，从图中可见制取冷冻水的能量消耗占总能耗的比例为27%，净化空调系统为9%。

五、洁净室的节能

节能减排已经成为国内外普遍关注的热点，各国政府都推出了相关的政策和法规，我国政府已明确规定全国以及各行各业节能减排的具体指标。洁净厂房是能量消耗大户应该从理念上、设计建造等方面均应十分重视节约能源的措施的制定、落实。洁净室的节能潜力巨大，许多洁净室的工程实践和一些统计数据表明，各类洁净室因各种原因使各个洁净室的能量消耗差异很大。即使是同类产品的洁净室能量消耗也差距较大各类洁净室中的各种耗能装置的能耗占总能量消耗的比例也是差异不小。

降低洁净室的能量消耗，洁净室的规划、设计是十分重要的环节。降低洁净室能量消耗的主要途径是根据所生产的产品生产工艺要求，合理确定洁净室的面积和恰当选择洁净度等级；合理选择净化空调系统形式，准确计算冷负荷和配置节能型设备；选用先进的，能耗低的公用动力系统、设备；合理确定洁净室建筑围护结构，选择好能降低冷(热)损失、气密性好的建材和构造等。对于已经建造投入运行的洁净厂房是否存在"节能潜力”或实现降低能量消耗的要求？洁净室的节能技术改造的措施大都是下面所述及的一个或多个技术措施的具体实施。在洁净室规划、设计时或技术改造时应考虑的节能措施主要有：

1 厂址、总平面布置，尽量选择大气污染小、产尘量少的场地建厂；厂内布置时洁净室应布置在污染少的场所，注意朝向的安排，加强绿化带的设置等。

2 洁净室的平面布置应尽量减少洁净室的面积或减少洁净度要求严格的洁净室面积；能不设置在洁净室内的工序、设备应尽量设在非洁净区恰当的确定各类房间的空气洁净度等级，不应随意提高洁净度要求；组织好人流、物流和安排好辅助用房与相关专业配合选择好洁净室的形式、空间布置等。

3 合理确定墙体、顶棚构造及选材，特别注意围护结构的确定及建材选择，门窗的构造及选材：在立面选型、门窗数量的确定注意洁净室的特点，避免大窗、多窗以降低冷量损失。

4 严格控制洁净室的设计参数（洁净度和温湿度）和洁净室的面积尤其是10级、100级这样的高级别单向流洁净室的面积。因为洁净级别越高，温湿度精度要求越高，单位面积能耗越大。因此，实事求是该高则高，不要无原则地提高要求。洁净室的面积不要留太大余地。尤其是高级别的洁净室面积尽量采用混合流以低级别洁净室代替高级别洁净室。尽量缩小10级、100级单向流洁净室的面积。

5 设法降低冷(热)负荷，降低冷负荷是降低洁净室能耗的有效途径，主要措施可能有：

一  充分利用洁净室的回风；

—  减少洁净室、生产设备的排气量；

—  减少洁净室、净化空调系统的泄漏量；

—  降低洁净室内生产设备的散热量；

—  减少洁净室内的发尘量，降低送风量；

一  合理划分净化空调系统，了解清楚产品生产情况，注意对班次不同、不常开工的工序或设备或房间划分为不同系统；

一  合理选用送风方式，如在电子工厂洁净室中采用风机过滤机组(FFU)等；

一  合理选用局部净化隔离装置/微环境装置，降低整个生产过程/洁净宰的冷量消耗；

—  采取措施减少系统阻力；

一  选用能耗低、效率高的风机；

一  加强隔热措施，选用优质隔热材料: -采用变风量、变频机等；

6 提高设备效率，在可能条件下采用热回收装置：

—  采用高效冷冻机、风机、水泵和换热设备；

—  采用高效电气装置（含照明）、合理配线；

—  合理配置设备，尽力防止大马拉小车现象；

一  采用回风冷(热)蛋回收装置、排气冷(热)量利用装置；

—  在合适的条件下采用冷冻机的冷凝热利用装置；

一  生产设备的冷(热)量回收:

—  合理配置公用动力设备，如采用热泵系统、自由冷却系统、冷热电联产等。

7 加强管理。减少跑、冒、滴、漏。充分利用热回收和天然能源做为空调系统的预冷和预热。

六、总结

1 洁净是能量消耗大户，节约能量消耗的潜力巨大，当前，在节能减排的热潮中首先应引起业主、设计人员和有关管理人员的重视，提高节约能源的认知，它不仅“经济”问题，不仅是一个企业的事情，降低能量消耗就是降低环境污染。将洁净室节能减排工作置于“重点”位置。

2 洁净室的建造费用高、运行能耗大，在洁净室设计、建造和运营中都应采取对策设法降低造价、减少能量消耗、降低运营费用。

3 一个洁净室要实现节约能量消耗，获得较好的经济效益、社会效益和环境友好，既是容易的、也是困难的。只要洁净室的设计者、建造者，最主导的是所有者业主，从洁净室的规划、设计开始，就十分注重"节能”、提出“要求”，并多支付“小量"投资，就可能获得“巨大”的社会经济“回报(效益)。

注：本文素材来源中国电子学会洁净技术分会专家著述，由本公众号编辑整理。

  | 资料1：《洁净室与节能》，作者：陈霖新

  | 资料2：《洁净室的能耗与节能》，作者：张利群

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关于中国电子学会洁净技术分会

中国电子学会洁净技术分会（CCCS）是倡导污染控制的非赢利性学术团体，成立于1982年。1983年创办学会期刊《洁净与空调技术》，是学术性季刊。学会工作内容是： 通过国内外技术交流、主办学术论坛与会展、办好"洁净技术"刊物、开展项目咨询与培训。

中国科学技术协会学会学术部，科协学发【2003】120号文批准：中国电子学会开展中国电子信息技术资格认证试点工作。中国电子学会【2004】学会总发字007号文批准：中国电子学会洁净技术分会开展 “ 中国洁净室工程师 ” 资格认证试点工作。

2017年，学会发起建立“中国(国际）洁净室贸易平台”，线上为会员提供产品展示与供需撮合服务，线下为行业企业提供人才培训、工程咨询、检测诊断、运维保养等信息资源。

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