FAB 厂空调系统节能改造技术应用研究

关键词：FAB ；空调系统；改造方案；节能措施

引言

FAB 厂作为芯片制造的关键环节，随着市场对半导体的需求量不断增加背景下，导致半导体行业快速发展。需要建设大量 FAB 厂以满足芯片生产制造的需求，在生产过程中由于FAB 厂对生产环境要求极为严苛，过程中需要对设备产生的热量及时排除到室外，才能保证设备稳定运行，过程中需要空调系统高效、高负荷工作，进一步增加了对能源的消耗和运营成本［1-2］。

针对空调系统运行过程能源消耗较大问题，江宏玲［3］对针对办公场所的空调的能耗进行了分析，并采取相关措施降低了设备能耗。姚砺强［4］对空调系统设计进行了概述，在设计过程中引入了相关节能技术，比如变频技术、高效热回收技术显著提高了项目的能效。杜水婷［5］对空调系统节能控制方法进行了研究，并采用了一种多传感器的温度控制方法，以降低空调运行的能耗。

FAB 厂空调系统不仅要保证环境的舒适性，在满足生产工艺的高精度要求的前提下降低空调系统的使用能耗具有重要意义。为此，本文以 FAB 厂空调系统节能项目改造为案例，对相关的设备进行改造，以及应用相关的节能措施降低设备能耗，以降低企业的运行成本。

1 工程背景

1.1 工程概况

因某科技有限公司因工艺规模发展需要，对位于厂房东侧进行扩建，建设晶圆级光学芯片研发生产基地项目二期。该项目建筑面积约 4422m2，涵盖百级、千级、万级净房，需要一套厂务系统满足 3 个洁净度等级的需求，对空调系统设计提出了很高的要求，本项目在空调系统满足使用需求后，对相关设备进行改造，以降低项目的能耗。

1.2 空调系统设计方案概述

该项目的空调系统采用了 FFU、干冷却盘管加全新风系统。其中，不同级数的区域分别采用不同的换气次数，以满足相应的洁净度要求。新风机组选型为风量 35000CMH，新风空调箱设置在一层厂务区。FFU 设备根据不同净化区的要求选用不同的覆盖率和过滤器，100级净化区 FFU 覆盖率为 85%，过滤器选用 U16 ；1000 级净化区 FFU 覆盖率为 45%，过滤器选用 U15 ；10000 级净化区 FFU 覆盖率为 14%，过滤器选用 H14，过滤器材质选用 E—PTFE，风机选用直流 EBM 风机，相比交流风机更高效、更节能，噪音也更低，控制选用 AAF 电脑群控系统，实现远程群控便于厂务运维。

2 FAB 厂空调系统的组成与功能

2.1 设备构成

FAB 厂区内的空调系统结构组成较为复杂，其中主要的组成部分有冷热源系统、空气处理系统、空气输送系统和自控系统。其中冷热源系统作为空调系统组成的核心，主要功能是控制温度（通过供冷或者供热的方式实现），供冷主要采用涡旋式冷水机组（单冷），通过压缩机循环工作产生低温水对厂区内进行供冷。供热的设备主要为涡旋式热泵机组（冷 / 热），工作时产生热水达到对空气加热的目的。该项目建设地址在 2024 年高温天气的天数为 52 天（其中极端高温天数占3 天，酷暑天数占23 天），此天气下热泵机组工作进行冷热模式调节，既可以补充冷水机组冷量，还可以在高温天气下进行制冷，减少了项目初期建设成本。在天气气温较低的时候，热泵机组在制热模式下产生热水，一部分热水直接进入全新风机组进行新风预热，确保新风送风温度满足恒温需求；另一部分经混合后变成中温水，进入车间的干盘管对空气进行加热，达到维持车间温度的目的，而空气系统主要对空气进行过滤、冷却以及加热，其中过滤环节至关重要，关系到输入车间的空气指标是否满足要求。例如对于在100 级的区域，要求空气中颗粒粒径大于等于 0.5μm 的粒子浓度不超过 3520PC/m3，生产区域的温度采用冷区和加热的方式进行调节，而空气湿度则采用加湿和除湿的方式进行，以达到不同生产工艺参数要求。

而空气输送系统主要功能是将处理后的空气传输到相关生产区域，同时将室内的回风带回至空气处理机组中，整个过程的运行依靠风机提供动力，使产生的空气在风管中流动，保证车间内的空气环境均匀一致。当然需要针对风机的功率选择合适的风管，以降低系统阻力设备的能耗。

自控系统主要依赖传感器对室内的环境进行监测，将采集到的环境参数进行分析，并发出相关指令，使各个设备平稳并保持车间环境保持稳定。

2.2 FAB 厂空调系统能耗分析

通过 FAB 厂区的占地面积较大、对空气洁净度要求较高，需要空调系统平稳、高效的运行才能保证室内环境的稳定，需要消耗大量能源才能满足运行要求。通过对厂区内的能耗进行统计，空调系统的能耗大约为 30%—50%。对于生产工艺不同的区域，时间段的差异也会增加空调的负荷，例如进行光刻生产区域，因为对温度和湿度的控制要求较高，负荷相对稳定，而设备布置较多的区域，设备频繁开启、关闭，导致负荷波动较为明显。

由于 FAB 厂区内全年生产运行，不同季节及环境下均要求保证室内环境的稳定性，特别是冬季、夏季，冷热源系需要高效的工作需要消耗大量的电能，导致冷热源系统的能耗占比在 40%—60% 之间，而空气处理系统和空气输送系统的能耗占比分别在 20%—30% 和 10%- 20% 之间。而风机及泵运行的能耗同样不能忽视。

3 新风空调器改造及节能效果

3.1 新风空调器改造措施

在节能控制方面，将新风空调器主要用于控制净化区的相对湿度和正压。在夏季的时候利用新风机组设备自带的蒸发冷区管处理室外的新风，在冬季的时候利用热水加热新风。通过调节压力信号改变风阀的开度，利用总管静压控制新风机组变频调速装置，调节新风总风量，保证洁净室内压力要求。新风机组采用的是双风机模式，在车间利用率不高的条件下，单风机工作供应新风，当单风机工作达不到对新风的需求时，另一台风机启动进行工作，实现了新风系统的精准控制。

在净化区干冷却盘管控制方面，设置在回风夹道上的中温水与干冷却盘管，根据室内温度传感器信号控制二通阀开度，调节中温水量，精确控制室内温度。整个净化空调系统采用DDC/PLC 控制系统，中温水供水根据总管供水压力水泵自动调速运行，保持恒压供水，实现了对温度的高效控制，减少了不必要的制冷能耗。

在气流组织设计上，有高架地板的洁净室采用上送下回的气流组织方式，无高架地板的洁净室采用上送侧回方式。FFU 从吊顶上技术夹层吸风，经过高效过滤器过滤后送入室内，回风进入回风夹道或灰区回到吊顶上技术夹层，在吊顶上靠回风夹道处设有干冷却盘管对回风进行冷却处理。新风经过新风空调器集中处理后，与回风混合，通过合理的气流组织设计有助于提高空气的利用效率，降低空调系统能耗。

3.2 节能效果评估

通过对设备运行过程中相关参数进行监测，根据监测的结果，通过采用新风送风系统控制净化区和对干冷却盘进行优化，制冷能耗降低了 20%c 。并且车间内的空气分布更加均匀，有效防止了局部过热和局部过冷的现象出现，进一步提高了对能源的利用效率。

同时在该项目中运用直流EBM 风机和AAF 电脑群控系统，风机的能耗降低了 15‰

通过采取以上措施，该项目空调系统节能效果有效提高了18%—22%，项目节能效果较好，达到较好的经济效益。

4 冷热源系统改造及节能效果评估

4.1 冷热源系统改造

针对 FAB 厂区内的冷热源系统，首先将传统的定频螺杆冷水机组更换为多系统涡旋式冷水机组，同时还增加了智能控制系统，达到了对制冷量精准调节的目的。对于空气处理系统，选择了过滤效果更好的过滤器，以满足对不同区域的洁净度要求。对风机变频进行了改造，能够根据实际风量需求自动调节风机转速。而对于自控系统方面，采用了基于传感器技术的数据采集检测和控制系统，并在空调系统关键部位安装了温度、湿度、压力、流量、洁净度等传感器，以实现对系统运行参数的实时监测。

4.2 节能效益与运行稳定性评估

设备改造完成之后进行节能效果测试，根据测试结果，多系统涡旋冷水机组后能源消耗降低了 9%，循环水系统安装了变频恒压供水装置后，设备的能耗降低了 5%，经过综合对比，整个空调系统能耗能够降低6%—8%，每年可为公司节省电费超过数十万元。

在设备改造完成之后，通过应用智能系统之后，能够更好的对设备的调控并且能够更加精准的适应环境的变化，达到了精准控制的目的。各个设备之间协调工作变得更加顺畅，降低设备频繁启动的现象出现，有效的降低了因设备频繁启动导致的故障，提高了设备运行的稳定性。并且通过安装传感器设备，能够实时的对设备潜在问题进行检测，当出现故障后能够及时的采用相关维修措施，避免因设备故障导致车间生产工作暂停。

5 工艺循环冷却水冷源改造及节能效果评估

5.1 循环冷却水冷源改造

FAB 厂内工艺要求冷却水系统需要 24 小时不间断运行，并且温度控制在 18℃ ±3℃。为了达到全年制冷需求，设计单位一般会采用全年制冷水冷螺杆机配合冷却水塔系统或者全年风冷螺杆系统方案。经过实际运行评估：当室外气候为过渡季及冬季时，可利用冷却塔直接冷却得到工艺冷却水所需之温度（免费制冷），可降低风冷 / 水冷螺杆机制冷的能耗，减少压缩机电制冷开机频率。作为工业中工艺冷却水的冷源，在使用时需要充分考虑冷量的需求和对冷水温度的要求。对于常年不间断供冷恒温工艺制冷的需求，冷却塔供冷和压缩机电制冷之间的切换非常重要。因此，对原有工厂内系统进行了改造：采用板换及电动阀切换来保证末端半导体生产设备用水质量及温度。板换一次侧冷源分 2 块：1. 压缩机制冷 2. 冷却塔直接制冷。冷源选择的依据为室外温湿度感测结果，当连续3 天室外气温低于12\~15℃时，关闭压缩机电制冷及相应管路电动阀，同时开启冷却塔管路电动阀进入板换一次侧工艺水换热。根据一次侧出口水温感测结果（18℃）设置控制二次侧电动阀开度以保证末端水温的恒定。

5.2 节能效益与运行稳定性评估

从24 年10 月份系统完成改造后投入使用至今，上海地区免费冷源使用周期长达5 月（11月 \~3 月）。两台水冷螺杆机组（制冷量 100USRT/ 台，用电量：173KW/ 台）以及一次侧冰水泵浦停用 2 台（7.5KW/ 台）开机时间减少 150 天。节约的电能合计 1299600KW( 创造直接经济效益130 万)，整体厂务能耗降低5%\~6%。此外，由于系统停用制冷压缩机及相应水泵设备，厂务巡检及保养工作量大幅减少，相应设备保养及易损件更换周期超过半年。有效降低了设备的管理成本同时提高了设备的使用稳定性。

6 结语

为了降低空调系统对能源的消耗，本文以 FAB 厂空调系统节能改造项目进行了深入的研究。针对园区空调系统特点对空调系统的组成、功能和能耗特点进行分析，。并采用了高效冷热源技术、优化的空气处理技术以及智能控制系统，从不同角度为空调系统节能提供相关的解决措施，最终通过节能效果评估有效的降低了设备的能耗，为厂区运行降低了成本，达到了降本增效的目的。

参考文献

[1] 半导体行业洁净室设计规范 , GB 50472 - 2019.

[2] 西门子自动化控制系统技术手册, 2023.

[3] 江宏玲 . 合肥市某办公建筑能耗分析及节能举措探究 [J]. 智能建筑与智慧城市 ,2025,(05):120-122.

[4] 姚砺强. 绿色建筑暖通空调设计中节能技术的应用研究[J]. 城市建设理论研究( 电子版 ),2025,(13):205-207.

[4] 杜水婷 , 李瑞琪 , 周永博 . 基于多传感技术的空调节能系统温度控制方法 [J]. 微型电脑应用 ,2024,40(10):173-176.

简介：张玉增（1987-3）男 江苏省连云港市人 专科 职称：助理工程师 研究方向：我的研究方向主要集中在集成电路研发与制造、锂离子电池研发与制造以及电子产品制造业领域的新扩、改、建项目的建设工作，同时还负责厂务公辅系统高效运维方面的研究