双碳背景下电子芯片实验室暖通空调设计探讨

作者按：从地产行业业主到工业建筑技术，做了追随建筑市场的一点初步尝试，领悟思考了一点工业工艺建筑暖通技术，不成熟和错误之处在所难免，请行业专家不吝赐教。

摘要  ：近年来电子芯片实验室在开展芯片研发实验的过程中起到举足轻重的作用，芯片实验室的人工环境与大规模芯片生产环境类似，但由于建筑体量不大，研发用房功能性却很完整，且须不间断运行，运营能耗较大。在双碳背景下，如何做好芯片实验室人工环境设计，在严格满足设计参数的前提下，做到节能减排，是一个值得探讨的话题。本文根据近 3 年来 3 个芯片实验室的暖通空调设计案例，并结合工程实际展开阐述，为类似项目提供研究例证和参考。

0 引言

近两年来，诸多先进制造城市建设了若干电子芯片实验室。如无锡江南大学江阴校区的电子芯片实验室、无锡光子芯片联合研究中心实验室 [1]、及郑州中原科技城量子谷联合中国科学院物理研究所及北京量子信息科学研究院共同立项建设 “超导量子计算芯片与量子云算力研究中心实验室”（简称 “郑州墨子超净实验室”）等等。

电子芯片实验室可用于：1）芯片设计与开发：如电路设计、仿真与验证、版图设计；2）用于芯片制造工艺研发与优化：如工艺开发、工艺优化、新材料研究与应用；3）芯片测试与分析：如性能测试、失效分析、参数提取与建模等等。

以郑州中原科技城量子谷项目为例，该项目是建设半导体微纳制造与封测平台，下设单光子芯片研究中心、自然光芯片研究中心、未来电子器件与集成电路研究中心、先进光刻技术与装备研究中心、超导量子芯片及量子云算力研究中心和高性能存储器工程中心。平台集聚和引育世界级创新团队，核心技术涵盖第一代半导体 Si、第二代半导体 GaAs、第三代半导体 GaN、第四代半导体 Ga?O?和未来二维材料半导体集成电路，重点聚焦半导体光子芯片与光电子芯片的研发和创新。“墨子超净实验室” 为光子芯片的研发提供了实验平台。研发出的光（电）子芯片是一种实现信息传输和处理的集成电路，相比传统的电子芯片，光（电）子芯片具有更高的速度、更大的带宽、更低的能耗和更好的信号传输特性，在光通信、数据中心、高性能计算、人工智能、电力电子、汽车和高铁功率电子等领域具有重要的应用前景。

如果说电子芯片实验室的土建、装饰等基础设施建设为研究项目提供了硬件平台与场所，那么机电基础设施中的特别重要一环：暖通空调系统的实施则需要为芯片实验室的研究提供可靠、耐用、精准、节能、环保的特定人工环境条件。在双碳背景下，如何为高能耗建筑最大限度的节约宝贵的电能，降低碳排放，成为暖通空调专业重要的新研究课题之一。

1 芯片实验室暖通空调系统的设计理念

电子芯片实验室存在如下工作机制和运行特点：

1）实验场所面积不太大，一般约为 5000m2 - 10000m2 之间；

2）使用区域为 24h 不间断运行，夜间不工作时，为保持洁净度、正压需求、一定的温度维持等要素，空调设备仍然保持低频运转；

3）洁净区域往往划分为 10 万级至百级不等，且随着研发阶段的不同和时间的推移，既定的不同洁净度区域洁净度等级可能会发生一定变化，需要做出一定的调整；

4）实验室属于独立研发工作区域，冷热源系统也需要独立，又由于面积不大，冷热源系统往往采用风冷热泵水系统；

5）工艺排风量大，又需要保持正压，因此新风量较大，夏季新风空气处理过程中还存在再热情况，因此新风负荷巨大；

6）研发工艺设备发热量大，显热负荷较大；

7）对冷热源设备及末端设备高可靠性方面提出更高要求等特点。

因此要优化电子芯片实验室全年运行能耗，降低碳排放，可从如下方面着手考虑：

1）考虑实验室今后运行的可变性和灵活性，末端系统采用 “MAU + FFU + DCC” 空调方式，由组合式新风机组（Make - up Air Unit）来承担新风负荷和室内湿负荷，由提供高温冷水的（Dry Cooling Coil）来承担室内显热负荷，由风机过滤单元（Fan Filter Unit）来循环空气从而达到洁净度要求的换气次数，该空调方式将温度、湿度、洁净度分别交由不同的设备来进行处理，通过温湿度和洁净度解耦节省了运行能耗；

2）由于面积不太大，冷热源系统普遍采用风冷热泵空调系统，且由于夏季存在再热负荷，部分风冷热泵须采用四管制风冷热泵，可提供再热所需要免费热。由于采用 “MAU + FFU + DCC” 空调方式，DCC 需要 14℃ / 19℃ 的高温冷水，且新风机组可先采用 14℃ / 19℃ 的高温冷水进行一级表冷预冷，再采用 6℃ / 11℃ 的冷水进行二次表冷冷却，最终达到露点温度。即温度和湿度控制过程中采用了温湿度独立控制系统，且夏季新风处理过程采用了两级表冷，充分体现了高质高用，低质低用的用能原则 [2]，因此冷热源须具有 14℃ / 19℃ 和 6℃ / 11℃ 的两套出水温度的机组来搭配；

3）FFU 风机处理单元采用直流电机形式，其优点体现在：相对于交流电机直流电机一台功率约小 80W 左右；直流电机噪声较低；直流电机可实现无级调节，控制精度高（交流电机为 3 档调速）；

4）直流电机拥有一套完善的设备控制系统，系统实现全自动运行。

2 芯片实验室的暖通空调设计实例

以郑州中原科技城量子谷 “墨子超净实验室” 为例，例证芯片实验室在双碳背景下的暖通空调设计理念。本项目层高 10m，一层总面积为 5689.9m2。其实验核心区域建筑面积为 4650m2，其他为配套用房区域。室内外设计参数如表 1 所示。

表 1 室内外设计参数数值

室内核心区用房有光刻区、先进封装、刻蚀区、蒸镀间等；辅助用房有：蓄电池间、UPS 间、烤盘区、氮气纯化间、氯气间、硅烷供应间等等。

2.1 实验室的新风系统设计

本项目新风量为补充排风的新风量和保持正压新风量之和，此数值远远大于人员所需要的新风量。排风量有：一般性排风，工艺碱性处理排风，工艺酸性处理排风量总共为 30000m3/h，工艺热排风量 40000m3/h；有机气体排风量：20000m3/h，保持正压所需要的新风量为 9800m3/h，最终选择 2 台 60000m3/h 的新风处理机组。新风处理机组的功能段如下图一所示。

 

图一 MAU 新风组合式空调机机组功能段

图二  展示了在不同室外环境下，新风的处理过程，Ⅰ区为典型夏季新风处理，Ⅲ区为典型冬季空气处理过程，Ⅱ区为典型过渡季节空气处理过程 [3]。

 

图二 新风全年空气处理过程

2.2 实验室的干盘管设计

本项目 DCC 设置在吊顶内，如若严格遵守规范，洁净室内全部保持 10Pa 的正压，但 FFU 静压箱 Truss 保持正压，但 FFU 需克服回风夹道阻力 10Pa，预过滤器 10Pa，吊顶阻力 30Pa，及 DCC 机组的阻力约 30 - 50Pa，Truss 层很难做到正压，一般要求 FFU 静压箱负压值控制在小于 20Pa 范围内，在保证 FFU 正常使用寿命的情况下，尽量减少 DCC 的使用数量，以节省初投资 [4]。

以光刻区 104 房间为例，FFU 总风量 233280m3/h，消除余热温差为 3℃，断面风速 2m/s，DCC 计算总面积 12.8m2；如果以循环风量来计算，则温差为 1.18℃，DCC 计算总面积 32.4m2，最终选定换热面积为 32.4m2 的 DCC 定制设备。

2.3 实验室超净的保持与节能

仍然以光刻区 104 房间为例，洁净度等级 ISO5 级，面积 334m2，吊顶高度 3.5m，房间体积 1169m3，换气次数 175.4 次 /h，FFU 总风量 233280m3/h，断面风速 0.45m/s，选择 1.2m×1.2m FFU 132 台。

相对于交流 FFU，直流 FFU 具有支持物联网、群控系统集成、智能化程度高；无级调节，控制精度高；无刷电机无摩擦，噪声低；初期成本较高等特点。重要的相对于 180W 左右的交流 FFU，直流 FFU 功率一般在 100W 左右，对于长期不间断运行的 FFU，直流 FFU 功率低，无级调节，操作效率高，节能效果显著，因此本项目采用了直流 FFU 设备保持整个实验室的洁净度 [5]。

2.4 实验室的冷热源设计

根据夏季出水温度的不同，项目冷热源采用两管制风冷热泵一 6℃ / 11℃ 出水机组 2 台、两管制风冷热泵二 14℃ / 19℃ 出水机组 1 台、四管制风冷热泵三 14℃ / 19℃ 出水机组 2 台（即制冷时热回收，制热时冷回收），并采用冗余风冷热泵四机组 1 台，该机组夏季可实现 6℃ / 11℃ 和 14℃ / 19℃ 的切换工作。以上机组均可实现冬季室外温度为 - 20℃环境下制热运行。机组设计参数如下表 2 所示。

表 2 风冷热泵机组详细设计参数列表

如图三所示，通过上述风冷热泵热泵机组为本项目空调末端提供稳定的冷热水，同时 14℃ / 19℃ 出水机组也为水冷空压机及 PCW 系统提供冷却水。系统中所有风冷热泵主机和水泵均为变频调节。

 

图三 水系统流程图

2.5 实验室的运行策略

主机和水泵运行模式如下：四管制风冷热泵三全年优先开启，夏季及过渡季节开启制冷和热回收模式，冬季 2 台四管制风冷热泵轮流开启制热和冷回收模式；风冷热泵二夏季开启制冷模式，冬季热量不足时开启制热模式；风冷热泵一夏季开启制冷模式，冬季热量不足时开启制热模式；风冷热泵四作为中低温备用机组使用。当运行机组的运行电流达到额定电流的比值 %RLA 达到 90% 时，增加机组；当 ∑%RLA× 对应机组的额定出力 /（∑所有机组的额定出力 - 运行中某台机组的额定出力）≤ 设定值（如 80% 可调），关闭该机组。冷热水泵及压差旁通根据冷热水总管的压差旁通，高于设定值时降低水泵运行频率，否则提高运行频率。

室内湿度控制由新风机组来保证，控制新风机组的送风状态，根据送风状态设定值来确定 2 级表冷器的比例积分调节阀的开度及水洗喷淋加湿器控制阀的开度。实验室温度由 DCC 盘管来保证，根据室内温度调节 DCC 调节阀的开度。

3 结语

双碳背景下，芯片实验室的人工环境设计在保证研究实验用房温湿度和洁净度等室内参数高可靠性的同时，尽最大可能节能减排也是暖通空调专业需要着重考虑的方面，总结有以下节能减排措施：

1）采用性能好和效率高的设备，比如高性能的风冷热泵机组模块机组，FFU 采用直流电机等能效高的设备；

2）部分采用冷热源机组为风冷热泵四管制主机，制冷时提供免费的再热负荷，制热时能提供免费的冷负荷，为 PCW 等设备提供免费的冷源，避免了冷热互相抵消的情况发生；

3）采用温湿度独立控制，温湿度和洁净度解耦的末端空调形式，即采用中温冷水机组，为 DCC 提中温冷水，提高了主机能效，在新风机组中采用中温表冷器 + 常温表冷器两级表冷的方式，充分利用了中温冷水机组提供的中温水，充分体现低质低用，高质高用的原则。

以上节能减排技术措施为芯片实验室不间断运营增值服务。