降低恒溫恒濕潔凈稱量室能耗的十項(xiàng)措施
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- 發(fā)布日期：2020-07-08 09:29:46
恒溫恒濕潔凈稱量室有許多節(jié)能區(qū)域，如采暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)、過程冷卻、壓縮空氣等設(shè)施。
HVAC系統(tǒng)消耗了整個(gè)晶圓廠一半以上的電力。造成大量電力浪費(fèi)和暖通空調(diào)產(chǎn)能過剩的原因，很大程度上是由于在電廠的設(shè)計(jì)和建設(shè)中走了捷徑，盡可能地減少了初期投資，而不考慮后期的運(yùn)營(yíng)成本。高效率的設(shè)計(jì)和高效率的設(shè)備需要大量的初始投資。所謂“小省大廢”的捷徑降本，會(huì)降低電廠的運(yùn)行性能，增加電廠的能源消耗。
1、低截面風(fēng)速設(shè)計(jì)
截面風(fēng)速是空氣處理裝置中的空氣通過過濾器或加熱/冷卻盤管的速度。
大多數(shù)工程師根據(jù)“經(jīng)驗(yàn)”設(shè)計(jì)每分鐘500英寸的空氣處理裝置。這種設(shè)計(jì)節(jié)省了時(shí)間，但增加了運(yùn)行成本。LFV是為低風(fēng)速設(shè)計(jì)的
并且風(fēng)機(jī)更小，從而降低風(fēng)量，降低能耗和壽命成本。
壓降決定了風(fēng)扇的能量損失。根據(jù)平方規(guī)則，壓降與速度降的平方成正比。截面風(fēng)速降低20%，壓降降低36%;如果截面風(fēng)速降低50%，壓降將降低四分之一
3.根據(jù)“立方規(guī)則”，風(fēng)機(jī)能耗的變化與流量變化的立方成正比。風(fēng)量減少50%，風(fēng)機(jī)能耗降低88%。
因此，更大的空氣處理器，更大的過濾器和線圈面積消耗更少的風(fēng)扇能量，更小的風(fēng)扇和電機(jī)可以使用。小風(fēng)扇給空氣增加較少的熱量，減少了冷卻的難度。線圈厚度越小，清洗越容易，工作效率越高，冷水溫度也就越高。在低截面風(fēng)速條件下，過濾器的工作效果更好，使用壽命更長(zhǎng)。
LFV設(shè)計(jì)降低了空氣和水的壓降，降低了冷卻盤管的含水量。流線型設(shè)計(jì)，幾乎沒有尖角，降低10% - 15%的壓降。
LFV的設(shè)計(jì)也降低了四分之一的壓降。其目標(biāo)是減少至少25%的能源消耗，并減少變速風(fēng)扇的尺寸。截面風(fēng)速范圍為250-450 fpgmin，具體取決于使用情況和能耗。
2、通風(fēng)率
恒溫恒濕潔凈稱量室要保持一定的空氣流量，以保持清潔度和顆粒數(shù)。流量由每小時(shí)換氣次數(shù)決定，這也決定了風(fēng)扇的大小、建筑結(jié)構(gòu)和能源消耗。在保持清潔的前提下，降低風(fēng)量可以降低建筑和能耗成本。如果通風(fēng)率減少20%，則風(fēng)扇的尺寸可減少50%。空氣清潔比節(jié)能更重要，但研究成果已被記錄下來，以降低清潔成本。
對(duì)于通風(fēng)率，目前尚無共識(shí)。許多原則已經(jīng)過時(shí)，而且是基于使用效率低下的空氣過濾器的舊觀念。根據(jù)調(diào)查，推薦的換氣率從250到700以上，符合ISO 5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
3、電機(jī)效率
在恒溫恒濕潔凈稱量室里，電動(dòng)機(jī)消耗了大部分的動(dòng)力。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)每個(gè)月要消耗大量的電力。改造后如果能提高效率，適當(dāng)調(diào)整規(guī)模，經(jīng)濟(jì)效果會(huì)很好。如果效率提高幾個(gè)百分點(diǎn)，利潤(rùn)就會(huì)增加。
使用高質(zhì)量和高效的馬達(dá)不一定花費(fèi)太多。高效率意味著在改變馬達(dá)尺寸之前，負(fù)載減少。當(dāng)輸出發(fā)生變化時(shí)，采用變頻驅(qū)動(dòng)器(VSD)可以提高運(yùn)行效率。
4、冰箱采用變速驅(qū)動(dòng)
變速驅(qū)動(dòng)冰箱可以節(jié)省大量的能源和金錢。許多潔凈室的設(shè)計(jì)者和操作人員相信，它是沒有必要使用變速驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)，因?yàn)樨?fù)荷通常是恒定的，和多級(jí)冷水機(jī)組通常控制高負(fù)荷運(yùn)行。而恒負(fù)荷冰箱通常是滿負(fù)荷工作。變速驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)通常工作在90% - 95%的滿載，以節(jié)省能源。一臺(tái)1000噸的冰箱可以在70%的滿載狀態(tài)下穩(wěn)定工作。如果采用變速驅(qū)動(dòng)，每年可節(jié)省2 - 3萬美元。根據(jù)制造商的說法，電價(jià)是$0.05/kwh，大約一年就可以收回成本。
多級(jí)制冷機(jī)很少在高負(fù)荷下運(yùn)行。一般情況下，電場(chǎng)負(fù)荷與機(jī)組的能級(jí)變化并不完全匹配。許多操作人員操作額外的冷水機(jī)以提高可靠性。一旦一臺(tái)制冷機(jī)出現(xiàn)故障，其他制冷機(jī)可以立即補(bǔ)充能量，以接管其全部負(fù)荷。因此，冷水機(jī)經(jīng)常以60%到80%的冷卻能力運(yùn)行。
當(dāng)購(gòu)買一個(gè)新的冰箱，它是劃算的指定一個(gè)變速驅(qū)動(dòng)器冰箱。采用變速驅(qū)動(dòng)冰箱，可降低能耗，使其他冰箱運(yùn)行可靠。大量的研究和實(shí)驗(yàn)證明了變速驅(qū)動(dòng)冰箱的效果是很好的。20多年來，變速驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)制造商為新的和升級(jí)的清潔工廠生產(chǎn)了更可靠的產(chǎn)品。
5、雙溫冷凍循環(huán)
制冷系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)成能夠承受大負(fù)荷，無論大負(fù)荷是否經(jīng)常發(fā)生。冷凍水在制冷循環(huán)中的溫度是由極端熱負(fù)荷決定的，而極端熱負(fù)荷只占全部負(fù)荷的一小部分，在許多情況下只是一種或兩種情況。這可能導(dǎo)致制冷能力過剩和低效率的情況下，不足的負(fù)荷。當(dāng)供冷水溫較低時(shí)，冰箱的工作效率會(huì)很低。平均而言，冷凍水供應(yīng)溫度每升高1華氏度，冷凍器效率就會(huì)提高1個(gè)百分點(diǎn)以上。如果負(fù)荷分開，提供兩種不同的冷凍水溫度，工作效率會(huì)更高。
設(shè)計(jì)者可以使用平行循環(huán)管路將其分為兩個(gè)子系統(tǒng)，這樣當(dāng)需要大制冷量時(shí)，冰箱就可以在相對(duì)不那么惡劣的條件下工作。使用專用的冷水機(jī)進(jìn)行中溫循環(huán)(如55 ~ 65)，其操作優(yōu)化為冷水溫度，可以滿足工廠的大部分需求。另一款小型高效冷水機(jī)提供較低的溫度循環(huán)(例如39 ~ 43)，以滿足高負(fù)荷要求。
該方案可使整個(gè)機(jī)組效率迅速提高25%以上。對(duì)于同等容量的冰箱來說，在高溫下工作的成本要比在低溫下工作的成本低得多。
6、冷卻塔優(yōu)化
高效冷卻塔通過降低凝結(jié)水的供給溫度來提高制冷機(jī)的效率。
冷水機(jī)組每輸出一噸冷凍水，一般冷卻塔需要100瓦的能源。效率提升可達(dá)10倍之多，如更接近進(jìn)口、出口溫差，更高效的氣流設(shè)計(jì)，高品質(zhì)高效風(fēng)機(jī)配變速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，降低高度限制泵揚(yáng)程，增加填充面積(選擇大塔尺寸)。
室外空氣濕度與冷卻水供應(yīng)溫度的差值不同，應(yīng)控制在3 ~ 5之間。
所有冷卻塔應(yīng)平行工作，以達(dá)到蒸發(fā)冷卻面積增加。
許多任務(wù)工廠使用多級(jí)塔，使用單速或雙速風(fēng)扇，并將塔分為不同的階段。一個(gè)塔全速運(yùn)行，直到負(fù)載超過它的能力，然后另一個(gè)塔打開，它工作在低或高功率。該方案會(huì)造成冷卻塔負(fù)荷連續(xù)變化大，經(jīng)常低于或超過要求的額定值，造成能耗呈鋸齒形，降低冷水機(jī)組效率。
因此，各冷卻塔應(yīng)并聯(lián)工作，以達(dá)到表面積增加時(shí)的蒸發(fā)冷卻效果。如果有較多的塔低速工作，則采用變速傳動(dòng)來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷的變化而變化。根據(jù)“三次定律”，風(fēng)扇在較低的速度下可以節(jié)能。
工廠通常使用一個(gè)特殊的冷卻塔為每臺(tái)冷水機(jī)組提供冷凝液。這種想法不允許冷水機(jī)與冷卻塔平行運(yùn)行。只有在冷凝系統(tǒng)中加入公用集箱時(shí)，才允許冷卻塔并聯(lián)運(yùn)行，而不考慮冷卻要求。
7、免費(fèi)冷卻
利用室外空氣進(jìn)行冷卻是一種經(jīng)濟(jì)且廣泛應(yīng)用于商業(yè)建筑的方法。另一種“免費(fèi)冷卻”方案適用于需要持續(xù)冷凍水和風(fēng)機(jī)盤管的系統(tǒng)，如潔凈室。
自由冷卻技術(shù)直接利用冷卻塔在低溫或低濕度環(huán)境下生產(chǎn)冷凍水，減少或替代冷水機(jī)的使用。根據(jù)天氣情況，使用免費(fèi)冷卻系統(tǒng)可將冷卻系統(tǒng)的能耗降低到十分之一(從0.5 kW /冷噸到0.05 kW /冷噸)。
過程負(fù)荷直接換熱可使自由冷卻技術(shù)利用大氣外較高的溫度，換熱時(shí)間比二、三次換熱系統(tǒng)長(zhǎng)幾個(gè)小時(shí)。冷卻水和板式換熱器分離的冷凝液之間的溫差非常小(例如只有2的溫差)。當(dāng)溫濕度較低時(shí)，冷卻塔可獨(dú)立運(yùn)行，無需風(fēng)機(jī)。根據(jù)溫濕度圖，許多地方每年可以有很多時(shí)間的免費(fèi)冷卻。
8、熱回收
許多任務(wù)工廠消耗大量的能量來產(chǎn)生熱量，同時(shí)消耗更多的能量來去除過程中的“浪費(fèi)”熱量，但它們沒有將這兩個(gè)過程結(jié)合起來。回收的熱量可用于新風(fēng)預(yù)熱、送風(fēng)、再熱等用途。AHU預(yù)熱盤管可以用廢水對(duì)外部空氣進(jìn)行預(yù)熱(在炎熱天氣也可以進(jìn)行預(yù)熱)。
再熱盤管可回收空壓機(jī)或冰箱冷凝器的回水余熱，節(jié)約冰箱能源和鍋爐燃料。熱交換器可以在不能混合或直接接觸的不同介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換。
9、變頻泵
在過去，裝有變頻驅(qū)動(dòng)的設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，而且控制復(fù)雜，很多工程師和管理人員都不愿意使用變頻驅(qū)動(dòng)。可靠性比節(jié)能更重要，但舊的變頻驅(qū)動(dòng)器可靠性差。在過去的十年中，變頻驅(qū)動(dòng)器的可靠性得到了提高，價(jià)格也降低了。許多關(guān)鍵系統(tǒng)現(xiàn)在都使用變頻驅(qū)動(dòng)器。
我們相信在恒溫恒濕潔凈稱量室的許多系統(tǒng)和泵中使用變頻驅(qū)動(dòng)是安全和經(jīng)濟(jì)的。事實(shí)上，可以證明不使用變頻驅(qū)動(dòng)就考慮投資回收率是不負(fù)責(zé)任的，因?yàn)橥顿Y回收期不到一年。
冷卻水和凝結(jié)水泵系統(tǒng)的流量變化較大。要求冷卻水和凝結(jié)水系統(tǒng)的流量在50%至75%之間。根據(jù)立方規(guī)則，流量的一個(gè)小的減少可以導(dǎo)致相當(dāng)可觀的能源節(jié)約。減少20%的流量會(huì)導(dǎo)致泵功率下降近50%。
大多數(shù)已知的冷凍水系統(tǒng)采用恒流量一次泵/變流量二次泵設(shè)計(jì)，二次泵采用變頻驅(qū)動(dòng)。使用變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，所有的冷凍水都應(yīng)采用雙通閥，否則將失去使用變頻泵的意義。
新建工廠時(shí)，采用變流量一次泵系統(tǒng)，不再需要二次泵。該系統(tǒng)操作合理，簡(jiǎn)單可靠，通過改變冰箱內(nèi)的冷水流量，可節(jié)省大量能源。
10、離心式壓縮機(jī)
空氣壓縮機(jī)的改進(jìn)節(jié)省了大量能源。離心壓縮機(jī)是無油的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于螺桿壓縮機(jī)的效率。然而，離心壓縮機(jī)不能空轉(zhuǎn)，這使得它們?cè)诘拓?fù)荷下效率非常低。離心壓縮機(jī)和螺桿壓縮機(jī)的組合是有效、經(jīng)濟(jì)的方法。選擇離心機(jī)組來滿足基本載荷，然后使用較小的螺桿機(jī)組來滿足載荷。壓縮機(jī)組應(yīng)配備熱回收系統(tǒng)。
另一種是采用高效離心式壓縮機(jī)作為大型壓縮空氣裝置，加上大型儲(chǔ)氣罐和連接管道作為緩沖。這樣可以保證整個(gè)裝置保持恒定的負(fù)荷，減少因裝卸而造成的設(shè)備損失，減少能源浪費(fèi)。
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