芯片类厂房洁净空调系统能耗影响因素及运行综合评价研究

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随着信息产业的高速发展,半导体芯片的研制和生产已经成为国家层面的重要关注对象。虽然目前芯片类洁净厂房的技术及相关设计运行规范能够保证洁净环境的参数要求,但是其单位面积能耗却是常规公共建筑的数倍,国内缺乏对其进行能耗和能效运行节能评价的系统方法。本文从芯片类洁净厂房空调系统的运行特点出发,分别就其能耗和能效构成影响因素进行理论分析、实测分析和模拟研究,初步形成芯片类洁净厂房空调系统综合评价层次指标体系。首先,文章从理论分析角度,分别就芯片类洁净厂房空调系统负荷、能耗和能效构成进行了影响因素剖析,形成了各项影响因素逻辑图谱,为随后的实测和模拟研究提供了分析方向。此外,初步确立了以单位洁净空气为评价基准的理论可行性依据。随后,通过对典型建筑湖南某芯片类洁净厂房进行了为期一年的冬季工况、过渡季工况和夏季工况的测试研究。研究发现项目各洁净区环境保障良好,但邻室压差和换气次数较高。空调系统的能耗达到了整体能耗的近30%,其中制冷站约占总耗电量的20%受季节和运行能效影响波动较大,净化空调风系统占7%,工艺生产设备耗电量占比最大约为50%以上,后两项全年能耗稳定。冷冻站在全年各测试工况下能效比均不足3.3,水泵选型较大、冷机蒸发器趋近温度、冷机负荷率小等为主要问题。净化空调系统过大的新风量和送风量是其全年能耗高的主要因素。经测算分析,芯片类洁净室的单位洁净空气冷负荷在不同级别洁净室较为稳定,基本处于17.6-20.5 k J/m3之间,由此拟合出洁净室供冷量x与送风量y的关系式为:y=18.7367x+52.2171,其拟合优度可决系数R2达0.9871。该指标仅与洁净空气送风量有关,可以对单个等级洁净室或整个洁净厂房进行负荷估算。接着,通过DesignBuilder进行典型建筑模拟分析,对芯片类洁净厂房空调系统电耗影响程度较大的因素为:冷机COP、换气次数和新风量,优化后其分别可以实现39.7%、23.0%和11.2%的节能率。最后,综合以上研究结论,初步形成了芯片类洁净厂房空调系统层次评价指标,主要分为环境安全指标、能耗评价指标和能效评价指标三部分。首先,环境安全指标主要包含室内温度、相对湿度、洁净度和室内外压差四项。随后,能耗评价指标采用单位洁净空气为标准,主要为单位洁净空气冷负荷、单位洁净空气风机能耗、年单位洁净空气风机能耗和年单位洁净空气耗电量四项,涵盖典型测试工况和全年累计工况。最后,能效评价指标分为制冷站和净化空调系统两部分,每部分分为系统能效指标、设备能效指标和问题指标三层,初步探索单位洁净空气冷负荷用于负荷估算和运行环境控制比对的可能性。通过该指标体系可以逐层分析定位空调系统的运行问题,指导节能优化改造。
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