冷却水在半导体厂的节能利用

冷却水在半导体厂的节能利用

谢元忠

亚翔系统集成科技（苏州）股份有限公司厦门分公司厦门翔安区361101

摘要：半导体工艺制造对生产环境有较高的恒温恒湿要求，空调加热能耗较大。而很多半导体厂由于未选用热回收制冷机组，通过冷却塔排掉大量的热量，如果能够将冷却水热量用于空调系统的加热，那么可以节省大量能耗。本文以某半导体厂房为例，根据日常运行数据对空调电加热器耗电进行统计分析，提出冷却水余热利用方案并进行了理论计算，通过对计算结果和日常运行情况的比较，表明利用冷却水的余热来降低加热能耗是可行的。

关键词：冷却水空调余热节能

0引言

半导体工艺制造对生产环境有较高的恒温恒湿要求，并且新风量大，空调系统的能耗是一般空调的5~10倍。半导体厂作的空调系统消耗的电力达全厂的40%[1]，其中空调系统的加热能耗又占据大一块。因此，如何降低空调系统的能耗成为半导体厂降低运营成本的一个重要方向。目前大部分半导体工厂在新建时都很注重节能，配备了热回收制冷机回收热量供空调加热使用。但也有部分工厂在建设初期并未考虑使用热回收机组，采用电加热器对空调系统进行升温加热，耗电极大。结合半导体厂的制冷机需要全年运行的情况，如果能够将冷却水的余热利用到空调系统的加热部分，那么将有效降低空调运行成本，。下面以某半导体厂房为例进行分析。

1概述

该半导体厂房主要生产六英寸集成电路，建设时未安装热回收制冷机组。该厂房对温湿度要求较高，厂房内各工艺的操作区全年温度控制在22±1℃，湿度控制在45±5%。

该厂房安装有2台一样的全新风组合式空调，编号分别为MAU-A及MAU-B（以下均简称MAU空调），每台MAU空风量60000m3/h。每台MAU空调配备212KW电加热器进行送风温度调节。

2MAU电加热器耗电情况

该半导体厂房配备的MAU空调的电加热器电表抄表记录显示：2017年3月16日~2018年3月15日期间MAU-A空调消耗电力495516度。

调取20017年3月16日到2018年3月15日全年的送风温度数据共14254个（送风温度曲线见图1），按温度区间对数据进行统计，结果见表1。

由表1可知，MAU送风温度维持在12～22℃之间，其中温度在13～19℃之间的占90.6%，19℃以内的占91.48%，21℃以内的温度占99.79%。

3冷却水热回收方案

结合MAU空调送风温度在12～22℃之间的特点，以及该公司制冷机全年不间断运行的特点，考虑利用冷却水余热作为MAU空调系统热源，起到部分或全部替代电加热器的作用，达到减少电耗的目的。

MAU空调原设计简图见图2，外界空气进入空调柜后经过表冷器，由电加热器加热到送风温度值，然后由风机送到车间。

4加热器热工计算

福州市在每年12月到次年3月进入冬季低温期，结合图1，可知电加热在冬季运行负荷最大。因此，以4℃（福州市冬季室外空气设计状态点）作为空气初温，19℃作为空气终温对空气加热器进行热工计算。

下面采用热交换效率法进行热工计算，计算方式参考文献[2]：

（1）初选加热器型号：

因为G=20.53kg/s，先假定加热器的迎面风速Vy＇=2.5m/s，则需要的加热器有效截面积为：

式中

tw2——热水终温，℃；

W——热水流量，kg/s

c——水的定压比热，c=4.19×103kJ/（kg·℃）

由于冷却水温度基本在30~38℃左右，满足JW40-4型加热器所要求的水初温tw1=32.2℃，因此采用该型号的表冷器作为MAU空调系统的加热器是合适的。

当使用JW40-6型6排的加热器时，供热能力增强，对冷却水水温的要求降低（见表5）。

表3供热能力增强，对冷却水水温的要求降低

根据以上计算结果，可知当采用JW40-4型4排加热器时，能够满足91.4%的送风加热需求，使送风温度达到19℃，但在冬季低温情况下无法完全满足加热需求，最大热量缺口；当采用JW40-4型6排加热器时，在送风温度达到21℃时，对冷却水初温的要求也才30℃，此时已经满足99.99%的送风加热需求，因此完全本能够替代电加热器，使电加热器电耗降低到最低程度。

5经济性分析

若按图4对两台MAU空调系统进行改造，选用7.5KW水泵（90m3/h，扬程18m）、JW40-4型6排加热器，加上其他配套材料及施工费用，预计共需投入改造资金30万元。改造后，可节能83%，年节约电费512261元，7个月可收回投资。具体见表6。

表4改造后的节能效益

图4MAU空调系统改造图

6结语

1通过计算，表明在半导体厂房中，对冷却水进行热回收并用于空调系统是可行的，具有较大的节能空间，在冷却水余热足够的情况下，通过合理选择空气加热器，是能够完全替代电加热器的。

2由于冷却水基本属于开式循环，经过冷却塔时与空气直接接触，空气中的灰尘不断进入水中，而且冷却塔易滋生青苔，及冷却水的硬度通常较高。因此，在实际应用中，应当在空气加热器前增加过滤器以及根据水质监测情况及时对冷却水水质进行改善，防止空气加热器水管堵塞或结垢。

参考文献

1.蔡俊宏、萧铭召，郭荣昌等：.“半导体洁净室的节能对策与分析”。台湾：《半导体科技》，2001-4

2.赵荣义，范存养，薛殿华等：“空调调节（第三版）”。北京：中国建筑工业出版社，1994