热回收冷水机组在半导体芯片工厂的应用介绍

热回收冷水机组在半导体芯片工厂的应用介绍
益科德（上海）有限公司 王 辉*
摘 要 以某半导体芯片工厂扩建项目空调水设计为案例，通过分析半导体厂房冷热负荷点，介绍了热回收冷水机组选型以及相关水系统设计。

从技术上说明了在半导体工厂应用热回收冷水机组的优势。

再通过分析比较热回收机组方案和常规冷水机组+锅炉方案在投资成本和运行成本上的差异，论证了热回收冷水机组在半导体芯片工厂应用上有着显著的经济优势，应用经验值得推广。

关键词 热回收冷水机组；节能；水系统设计；经济性分析
Introduction of Heat Recovery Chiller Designed In Semiconductor Wafer Fab
Wang Hui
Abstract The article take the wet mechanical design for some semiconductor Fab expansion project as a case. The Heat
recovery chiller selection and associated water system design were introduced and the advantage of using the Heat recovery chiller in a semiconductor fab was validated technically by analyzing the feature of heating and cooling load in the semiconductor Fab. Through further analysis and comparison on initial investment and operation cost between Heat recovery chiller option and tradition chiller+boiler option, It shows the significant advantage on cost saving by using Heat recovery chiller in semiconductor Fab, The experience of using Heat recovery chiller in semiconductor is worth popularizing .
Keywords Heat recovery chiller; Energy saving; Water system design; Economical analysis
0 引言
由于半导体芯片厂房生产工艺的特殊性，各种生产机台需要全年持续运行，热回收冷水机组在半导体厂房的应用能大量回收这些工艺机台废热并制成低温热水供工艺空调和舒适性空调的加热盘管，冬季使用以及洁净工艺空调的再热盘管夏季使用同时还可以供给纯水制备系统，将进入RO 膜之前的水加热到25℃，保证稳定的纯水处理效果[1]。

这些废热的再利用特别是冬季的近乎100%的回收利用，降低了热水系统锅炉装机容量，并显著减少冬季锅炉燃气的消耗量，由于大部分热量被回收和利用，使冬季冷却塔和水泵的运行台数和负载大幅降低，有效地降低了冷却水系统运行成本。

1 热回收冷水机组工程应用介绍
某大型晶圆生产厂房二期产能扩建，新增冷热负荷如表1所示。

根据冷热负荷特征以及热回收机组形式和节能特点分析，热回收冷水机组选型及水系统设计如下：
1.1 热回收冷水机组的选型
1）由于回收的热量大部分来自于用户端的冷负荷，所以当末端用户冷负荷需求减少时，热回收冷水机组负载开始降低，相应的热回收量也随之减少，如果要保证全年特别是冬季的稳定供热，就要求在冬季有一定数量且有稳定制冷需求的末端用户，冬季回收的热量越多，相应的节能和经济效应越明显。

表1冷热负荷中有10614 kW 的冷负荷为冬季制冷负荷，且这部分热负荷持续稳定，不随着室外气温变化而变化。

这为冬季利用热回收冷水机组供热提供了稳定持续的热源。

通过选用合适类型的热回收冷水机组，可以有效将这部分数量可观且原本通过冷却塔排放到室外空气的废热进行回收再利用。

2）热回收冷水机组通常冷凝温度会高于普通制冷机组，以保证有较高的热水供水温度，这会一定程度上影响冷水机组的制冷效率，如果此时能够相应提高蒸发器的冷水出水温度，会对提高冷机效率有显著改善，所以将热回收机组运行在较高的冷水出水温度下，无论是对提高设备运行稳定性还是提高制冷效率都是有利的。

半导体芯片厂由于有大面积的洁净区利用干盘管进行温度控制，而干盘管通常需要较高的冷水温度12℃~17℃[2]，如表1中温冷水负荷为18551
约占总冷负荷4250+18551=22801 kW 的81%，需要配
置大量中温冷水机组，这就为热回收冷水机组的利用提供了另一有利条件。

3）热回收冷水机组热水出水温度越高，机组冷凝温度越高，运行效率越低[3]。

不同于酒店等民用场所为了加热生活用水需要50℃或以上的热水出水温度[4]，半导体芯片厂可以接受40℃出水温度用于对进
入RO 膜之前的软水进行加热以及用于工艺空调和舒适性空调冬季加热回风或新风以及洁净工艺空调夏季再热新风。

40℃的设计出水温度较大程度降低了因为冷凝温度提高对机组运行效率的影响。

通过以上冷热负荷分析发现半导体芯片工厂在利用热回收冷水机组方面相比其他场所有着诸多优势，但由于热回收冷水机组有着不同的类型和节能特点，我们需要根据本次冷热负荷特点选用适用类型的热回收冷水机组。

通常热回收冷水机组为了更高效的从冷媒侧回收热量，相比较标准冷水机组内部增加了额外的冷凝换热器并直接预留热水接口供外部连接。

目前热回收冷水机组主要分为两类，一类是显热回收冷水机组，通常在压缩机和标准冷凝器之间串联一个小的热回收冷凝器，优先吸收压缩器高温高压排气，剩余热量再由标准冷凝器带走。

由于热回收冷凝器仅回收排气的高温过热部分热量，因此能够产出较高温度的出水，通常高于45℃[5]，但由于过热段气态冷媒不发生
相变，过热部分热量占总冷凝热量比例较小，约15%左右，总热回收率较低。

由于一部分热量被热回收冷凝器带走，相应的标准冷凝器承担的热量减少，有助于增加冷媒的过冷度，如图1所示。

对提高机组效率是有利的。

此类热回收由于热回收冷凝器容量较小，
相比标准冷水机组成本增加较小。

显热回收机组仅适用于供水温度较高、热水需求量不大的用户；不适用于半导体厂房大量的热量回收。

图 1 冷媒压焓示意图
另一类是全热回收冷水机组，也是本次采用的热回收机组形式，能够回收制冷剂在过热段、凝结段以及过冷段的全部冷凝热量，回收热量远大于显热回收机组的回收热量。

热回收冷凝器通常会和常规冷凝器容量相当。

根据冷凝器的体积大小可以集成在一个筒体内变成单冷凝器双管束或独立分开成双冷凝器结构布置，对于大容量离心冷水机组，主流做法是双冷凝器布置。

由于全热回收机组冷凝热绝大部分或全部热量由热回收冷凝器承担，越高的热水出水温度，要求越高的冷凝温度，需要提高压缩机的排气压力，但同时也降低了机组的制冷效率。

此外高温冷凝水还会增加离心机组喘振停机的风险。

设计者需要综合考虑，在满足需求的情况下尽量降低出水温度。

由于全热回收的冷凝器容量远大于显热回收冷凝器，使全热回收机组成本比显热回收机组更大一些，约是标准冷水机组设备总价的1.2倍。

但其大容量的热回收冷凝器设计更加适合应用于半导体厂房的大量热量回收。

1.2 冷热水系统设计
1）冷水系统：整个厂区冷水系统设计成低温冷水系统和中温冷水系统。

低温冷水系统5℃供水，13℃回水，用于空调除湿。

新增低温负荷由原有低温冷水系统承担，新增末端接入原有低温冷水主管道。

中温冷水12℃供水，18℃回水，承担除湿之外的所有冷负荷，主要服务于洁净空调及非洁净空调冷盘管，洁净区干盘管，工艺冷却水板式换热器以及纯水制备和废水处理系统的板式换热器等。

由于中温冷水新增负载量较大，需单独设计新的冷热源和输配管路。

根据中温总冷负荷18551 kW确定选用4500 kW冷水机组5台并联运行，4用1备，冷水一次定频泵加二次变频泵系统，如图2所示。

2）热回收水系统：由于原有热水系统已经没有冗余，也需要单独设置新的热水回路来满足新增的负荷。

通过表1冷热负荷分析，冬季供冷总负荷为10614 kW，如果供冷时冷凝热全部回收可以满足冬季6796 kW总热负荷的大部分需求。

按照冬季冷负荷10614 kW进行估算，需要3台4500 kW冷水机组同时运行，再考虑1台备用，最终确认5台冷水机组中的4台为热回收型机组。

根据公式（1）计算热回收机组总热回收量。

Q=Q +Q =Q ÷EER+Q
=10614÷EER+10614
式中：Q为冷水机组实际热回收量（kW）；Q1为冷水机组实际耗电量（kW）；Q0为冷水机实际制冷量（kW）；EER为冷水机组实际制冷效率（kW制冷量/kW耗电量）。

由于冷水机组在不同制冷负载率η下，制冷效率EER均不相同，需要通过查询厂家数据，确认冷水机组在某个负载率η下的实际制冷效率EER。

经过公式（2）计算，冷水机组实际制冷负载率。

η=Q÷n÷Q
=10614÷3÷4500≈79%
式中：η为单台冷水机负载率（%）；Q为系统实际运行负荷（kW）；n为运行冷水机组台数；Q’为单台冷水机装机容量（kW）
制冷负载率η约为79%，在79%部分制冷负载率下查询到的制冷效率EER=6.5，并带入公式（1）计算得出实际冬季总热回收量为12247 kW，小于冬季峰值总负荷16796 kW，用热高峰时期16796-12247=4549 kW热量需要外部辅助提供。

本次通过在热回收出水总管上串联设计3个2300 kW板式换热器的方式，利用原有90℃锅炉高温热水进行辅助加热，保证供水总管温度稳定。

换热器两用一备。

热回收系统整体构架如图3所示。

3）冷却水系统：由于夏季热回收水用户端热负荷变得很小或者没有制热需求，使回收的冷凝热不能及时被末端用户端消耗掉，为保证热回收冷水机组的正常运行，我们的冷却塔回路的设计需满足无热回收工况下的散热量，在夏季末端热负荷需求较小或没有热需求时，足够带走热回收制冷机的全部冷凝热，保证制冷机组正常运行。

本次设计冷却水为定频冷却水泵系统，为保证热回收系统不工作时冷水机组也能正常运行，冷却水泵设计台数与冷水机组设计台数相同且单台冷却水泵设计流量能够满足机组在无热回收工况下带走全部冷凝热量，图2给出了冷却水泵和冷水机组之间管道连接方式及控制阀门设置方式。

单冷型冷水机组冷凝器出口设置开关型控制阀，热回收型冷水机组标准冷凝器出口设置调节型控制阀。

为保持热回收冷水机组稳定运行，各系统控制原理如下：
（1）冷水系统控制：一次冷水泵定频运行。

当启动/停止一台冷水机组时相应启动/停止一台一次冷水泵，保证运行的一次泵台数与冷水机组台数相等，蒸发器出口控制阀开关状态与冷水机组运行状态连锁，冷水机组通过一二次旁通管的流量、流向以及持续时间为条件控制加减机，冬季优先加载热回收机组。

二次水泵根据末端压差控制频率和加减台数。

（2）热回收水系统控制：热回收水泵变频运行并根据末端压差控制频率和加减台数。

热回收冷凝器出口控制阀开关状态与冷水机组运行状态连锁。

辅助加热换热器高温热水侧控制阀根据低温热回收侧出水温度调节开度，保证40℃供水温度。

（3）冷却水系统控制：单冷型冷水机组冷凝器出口控制阀开关状态与冷水机组运行状态连锁。

热回收冷水机组标准冷凝器出口调节控制阀用来控制热回收冷凝器出水温度，当热回收冷凝器出水温度低于40℃时，控制阀关闭，反之则控制阀逐渐打开，维持热回收出水温度不高于40℃。

冷却水泵定频运行，当启动/停止一台单冷冷水机组时相应启动/停止一台冷却水泵。

由于热回收冷水机组大部分冷凝热被热回收水带走，导致标准冷凝器大部分时间在部分设计流
（1）（2）
量或零流量下工作。

我们将调节控制阀门流量特性按
照直线型考虑，此时阀门单位行程变化所引起的流量
变化相等[6]，用控制阀的开度来近似判断冷凝器过流冷却水量。

如阀门开度OP=30%即近似认为通过冷凝器的冷却水量为冷凝器设计流量的30%。

通过累加所有冷凝器调节阀开度ΣOPi ，并四舍五入取值来确定需要几台冷却水泵来服务所有热回收冷水机组。

例如当前运行一台单冷冷水机组和三台热回收冷水机组且每台热回收机组标准冷凝器出口阀门开度为30%，则总运行冷却水泵台数为1+30%×3=1.9≈2台。

考虑到冬季仅有热回收冷水机组运行且冷凝热被全部回收时所有标准冷凝器冷却水出口阀门均关闭，为避免冷却水管路内水流长时间停留而导致菌类繁殖，程序设
定强制开启单冷机组冷凝器出口阀门并保持最少有一台冷却水泵运行，维持系统内冷却水循环。

2 热回收冷水机组经济性分析
如上文公式（1）的计算，4台制冷量4500 kW 全热热回收冷水机组，3用1备，总热回收量约为12247 kW ，同样制备12247 kW 的热量，如果采用常规锅炉供热，需要设计3台7000 kW 热水锅炉，2用1备。

同时为了满足冬季16796 kW 峰值热负荷，剩余16796-12247 = 4549 kW 热量需要额外配置一台5600 kW 锅炉提供辅助加热，但无论选取表2、表3中哪种热源方案，辅助加热的5600kW 锅炉投资成本都是相同的，以下两种热源方案投资比较中对于相同投资部
图2 中温冷水及冷却水系统原理图
分（5600 kW 辅助加热锅炉投资费用）不再计入。

表
2列出了两种不同热源方案的初投资费用。

其中方案1初投资计算尚未包括扩建锅炉房的土建成本，仅机电投资成本比方案2减少了1036万元。

再从运行经济性分析，根据冬季总冷负荷10614 kW 计算，且为不随室外气象参数变化的稳定工艺冷负荷，需要3台4500 kW 冷水机组运行，同时需要3台冷却水泵和冷却塔运行来服务冷水机组。

如果采用热
图3 热回收水系统原理图
回收冷水机组方案，冬季热量全部被热回收回路带
走，冷却塔冬季可以停止运行，冷却水泵仅开启一台用于保证冷却水环路水循环。

表3为两种不同热源方案冬季运行费用比较。

尚不计夏季热回收量，仅冬季采暖期方案2比方案1可累计节省运行费用14416505元。

通过对两种不同热源方案在初投资和运行费用上的对比，可以发现热回收冷水机组的应用大幅降低了热水锅炉的装机容量，不仅节约了锅炉及配套辅件的投资成本，还同时降低了冷水系统和热水系统的运行费用，经济和节能效益显著。

3 结论
近年来，随着国家对芯片制造行业的日益重视，相应的支持力度也越来越大，已经将集成电路作为重点发展的战略产业之一。

全国各地大量新的半导体厂房建成并投入生产，热回收冷水机组在半导体芯片厂房的应用不仅能够减少冷凝热对环境的热污染，还能够利用半导体厂房大量且稳定的废热比较经济地得
到所需的热源，节省投资成本的同时降低系统运行费用。

热回收冷水机组在半导体芯片厂房的应用经验值得推广，在今后空调设计和改造中应充分认识冷凝热回收的重要性，冷凝热回收技术也将成为空调节能的重要措施被广泛应用。

参考文献
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[5] 林晓丽.全热回收型冷水机组的应用[J].暖通空调.2011, 41
(5)
[6] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M]. 2版 .北京：中国建筑
工业出版社，2008。