洁净实验室的节能方法

一、低断面风速设计

断面风速就是空气处理部件中空气经过过滤器或者加热/冷却盘管的速度。低断面风速（LFV）设计使用更 大的空气处理器和较小的风机，从而降低空气的流速，降低能耗和设备寿命成本。大部分工程师根据“经 验”把空气处理器设计成 500 英寸/分钟。这样的设计虽然节省时间，但是却增加了运作费用。

在低断面风 速（LFV）设计中，使用更大的空气处理器和更小的风机，从而降低空气的流速，降低能耗和使用寿命成本。 压降决定了风机的能量损耗。由“平方定则”可知压降与速度下降的平方成正比。如果断面风速降低 20%， 那么压降将下降 36%；如果断面风速降低 50%，压降将下降四分之三。根据“立方定则”，风机能耗的变化 与流量变化的立方成正比。如果空气流量降低 50%，风机能耗将下降 88%。

因此，较大尺寸的空气处理器、 较大的过滤器和盘管面积消耗较少的风机能量，可以使用比较小的风机和马达。小风机给空气添加的热量 比较少，降低了冷却的难度。厚度小的盘管更容易清洗、工作效率更高，所以冷冻水的温度可以更高。过 滤器在低断面风速情况下，工作效果更好、寿命更长。

LFV 设计减少了空气和水的压降，减小了冷却盘管 的带水量。流线型设计，几乎没有尖角，从而使压降减少 10%到 15%。LFV 设计也可以把压降降低四分之一。 目标是使能量损耗降低至少 25%，减小变速风机的大小。最优的断面风速范围是 250-450 英尺/分钟，具体 取决于使用情况和能量消耗。

二、换气次数

洁净室维持一定的空气流量来保持清洁度和颗粒数。流量根据每小时的换气次数来确定，同时这也决定了 风机尺寸、建筑构型和能量消耗。在保持洁净度的前提条件下，空气流速的降低可以降低建造及能耗成本。 换气次数降低 20%就可以使风机的尺寸降低 50%。空气洁净度比节约能耗更重要，但是最新的研究成果已经 有降低洁净成本的记载了。

关于最佳换气次数还没有达成共识。许多原则都已过时，是建立在老观念上， 采用低效的空气过滤器。调查显示，ISO 第 5 级标准的洁净室推荐的换气次数变化范围是从 250 到 700 以 上。美国的一所国家实验室正在确定ISO 第5级洁净室的标准。研究显示，实际换气次数范围是 90到250―― 比操作规程标准低很多，而且不会影响生产和洁净度。

因此建议 ISO 第 5 级洁净室的换气次数大约是 200， 保守的上限是 300。 三、马达效率 马达消耗了洁净室的大部分电能。连续运转的马达每月消耗大量的电力。适当地提高效率、适当地调节尺 寸，在翻新后，经济效果多半是不错的。效率增加几个百分点，利润就可增加。使用优质高效的马达，不 一定会花费太多。高效率意味着最小，在改变马达的尺寸之前先尽量减小负荷。在输出量变化时，利用变 速驱动（VSD）可以提高操作效率。

四、变速驱动的冷冻机

变速驱动冷冻机能节省大量的能量和金钱。许多洁净室的设计人员和操作人员认为，没有必要使用变速驱 动冷冻机，因为负荷通常是恒定的，多级冷冻机机组通常控制为高负荷运转。但是负荷恒定的冷冻机通常 工作在满负荷以下。变速驱动冷冻机通常工作在全负荷的 90%-95%以节省能量。一台 1000 吨的冷冻机稳定 工作在满负荷的 70%，如果使用了变速驱动，每年就可节省两万到三万美元。

根据生产商的数据，电能的 价格是 0.05 美元/千瓦时，这样大约一年就可以回收成本。多级冷冻机冷水式机组很少高负荷运转。通常 情况下，现场负荷通常不是正好匹配机组的能级变化。许多操作人员运行额外的冷冻机以求可靠，一旦某 个冷冻机发生故障，其它的冷冻机可以立刻补充，接替其全部负荷，因此冷水式机组经常是让冷冻机在制 冷能力的 60%到 80%运转。在购买新冷冻机的时候，指定购买变速驱动冷冻机是划算的。

用变速驱动冷冻机 可降低能耗，同时让其他冷冻机可靠性运行。有许多的研究和实验证明，变速驱动冷冻机的效果是很好的。

五、双温度冷冻循环

冷冻系统通常设计成可以承受最大负荷，不管最大负荷发生得是否频繁。流程中处于冷冻循环的冷冻水温 度，是由所有负荷中只占一小部分的极端热负荷来确定，这只是许多情况中的一两种。这会造成冷冻能力 过剩，在负荷不足的情况下效率低下。当供给的冷冻水的温度较低时，冷冻机的工作效率也会很低。平均 来说，冷冻水的供给温度每增加一华氏度，冷冻器效率就提高一个百分点以上。

如果划分负荷，提供两个 不同温度的冷冻水，那么工作效率将会更高。设计者可以使用并联循环管路，将他们分成两个子系统，这 样可以在需要最大冷量的时候，冷冻机可以工作在相对不很苛刻的条件下。设计人员可以使用并联循环管 路，将他们成两个子系统，这样可以在需要最大冷量的时候，冷冻机可以工作在相对不很苛刻的条件下。 用专用冷冻机进行中等温度的循环（例如 55℉到 65℉），它的运作是针对冷冻水的温度进行优化的，可以 满足工厂的大部分需要。另一个较小的高效冷冻机提供温度较低的循环（例如：39℉到 43℉），可以满足 负荷中要求苛刻的部分。

这个方案可以迅速增加整个冷冻机机组的效率提高百分之二十五或更多。对于相 同容量的冷冻机，高温工作要比低温工作花费小得多。

六、冷却塔的优化

高效冷却塔通过降低冷凝水的供给温度来提高冷冻机效率。所有的冷却塔都应该并联工作，在表面积增加 的情况下蒸发冷，效果却达到最佳。从冷冻机中每输出一吨冷冻水，一般的冷却塔需要 100 瓦的能量。效 率提高可高达十倍，例如采用更为接近入口、出口温差、更有效的气流设计、优质高效的配有变速驱动马 达的风机、减少高度以限制泵的扬程以及增加填充面积（选择大尺寸的塔）等。

不同的外界空气的湿温度 和冷却水的供给温度，这个温差有所不同，应该控制在 3℉到 5℉之间。 所有的冷却塔都应该并联工作， 在表面积增加的情况下蒸发冷却达到最佳。许多任务厂使用多级塔，它们使用单速或双速的风机，并且把 塔分成不同的阶段。一个塔全速运转直到负荷超过它的承受能力，然后另一个塔开启，它工作在较低或较 高的功率状态。

这个方案可以导致冷却塔负荷出现较大的、不断递增的变化，频繁地低于或者超过要求的 额定值，从而出现锯齿状的能耗状况，降低冷冻机的效率。因而所有的冷却塔都应该并行工作，在表面积 增加的情况下蒸发冷却达到最佳。如果更多的塔在低速状态下工作，使用变速驱动调节风机的速度，随负 载变化而调整，根据“立方定律”，在较低的速度下风机可以节省能量。工厂通常采用专门一个冷却塔为 每一个冷冻机供应冷凝水。

这种构想不允许冷冻机利用冷却塔并行运作。只有为冷凝水系统加上普通的集 管才允许冷却塔并行运行，不考虑冷却要求。

七、自由冷却

使用外面的空气进行冷却是经济的，在商业大楼得到广泛采用。另外一种“自由冷却”方案适用于需要恒 定的冷冻水以及风机盘管的系统，比如洁净室。自由冷却技术直接利用处在低温或低湿度环境中的冷却塔 制造冷冻水，减少或取代冷冻机的使用。

根据天气的变化，使用自由冷却系统可以把冷却系统的耗能减少 到十分之一（从 0.5 千瓦/冷吨减少到 0.05 千瓦/冷吨）。直接与工艺负荷进行热交换，可以使自由冷却技 术利用外面温度较高的大气，要比用在二级或者三级热交换系统进行热交换的时间长出若干个小时。由板 式热交换器分隔开来的冷却水和冷凝水之间的温差很接近（比如只有 2℉）。

当温度和湿度相当低时，冷却 塔可以独立运行，无需风机。根据温湿图，很多地方每年有很多的时间都可以进行自由冷却。 八、热量回收 许多任务厂都要消耗大量的能量来制热，同时又消耗更多的能量从工艺过程中移除“废”热，却没有把这 两个过程结合起来。

回收的热量可以用来预热新风，送风再热，以及其它用途。AHU 预热盘管可以用废水 预热外来的空气（在炎热的天气下也可预冷）。再热盘管可以从空气压缩机或者冷冻机的冷凝器回水中回收 废热，同时节省了冷冻机能量和锅炉燃料。热交换器可以使不能混合或者直接接触的不同介质进行热量交 换。

九、变频泵

过去配备变频驱动的设备经常出现故障，而且控制复杂，所以很多工程师和管理人员不愿意使用变频驱动。 可靠性比节能更重要，而老的变频驱动可靠性差。最近十年中，变频驱动可靠性提高了，价格降低了。许 多关键系统现在都在使用变频驱动。在洁净室中的许多系统和各类的泵上使用变频驱动是安全和划算的。

实际上，可以证明考虑投资回收率却不使用变频驱动是不负责任的，因为其投资回收期不满一年。冷冻水 和冷凝水的泵系统流量变化较大，冷冻水和冷凝水系统有最小流量要求，基本上在 50%到 75%之间。根据“立 方定则”，流量减少很小，就会产生可观的能量节约。流量减少 20%，就会产生几乎 50%的泵功率下降。大 多数已知的冷冻水系统使用一级泵定流量/二级泵变流量设计，二级泵采用变频驱动。使用变频驱动时，所 有冷冻水要使用双道通阀，否则就失去使用变频泵的意义了。

十、离心式压缩机

空气压缩机的改进节约了大量能源。离心式压缩机是无油的，比螺杆式压缩机的效率高很多。但是离心式 压缩机不能空转,即低负荷工况对离心机运行是极为不利的（>30%），这使得它们在负载低的情况下效率很 低。

最有效和经济的办法是离心式和螺杆式压缩机两者结合使用。选用离心机组满足基本负荷，再用小一 些的螺杆式机组满足峰值负荷。压缩机组应该配有热回收系统。另一种方案是整个现场用高效的离心式压 缩机作为一个大的压缩空气装置，外加大的储气罐和连接管道作为缓冲器。

这样可以保证整个工厂系统维持一 个恒定载荷，减轻加载与卸载对设备的损耗，并且降低能量浪费。

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