半导体芯片制造洁净车间暖通空调系统节能优化与运行调控研究

摘要：半导体芯片制造过程对生产环境的温度、湿度、洁净度及压差都有极高精度要求，暖通空调系统作为维持这类特殊环境的核心设施，长期存在能耗占比高、运行策略冗余等突出问题。本文以洁净车间空调系统的全流程能效提升作为核心目标，从负荷特性溯源、被动式节能改造、主动式动态调控这三个维度展开系统研究，构建适配半导体生产场景波动特性的节能优化与运行调控体系，研究成果可降低公用工程运行成本、保障生产环境稳定性，为高洁净度工业建筑的绿色低碳改造提供理论参考与实践借鉴。

关键词：半导体洁净车间；暖通空调系统；节能优化

半导体产业是支撑现代数字经济发展的重要基础产业，2025年中国集成电路产业规模达到1.8万亿元，同比增长15.7%，成熟制程产能占全球比重提升到22%，成为全球最大成熟制程芯片生产基地。同期，全球半导体销售额创下7917亿美元的历史新高，AI算力和新能源汽车等新兴领域需求爆发推动产业进入新一轮扩张周期。芯片制造环节的高精密属性决定了其生产过程要在受控洁净环境中开展，温度和湿度偏差超出允许范围以及洁净度不达标都可能直接导致产品良率下降甚至导致整批次产品报废，对暖通空调系统的运行稳定性提出了极高要求。本文结合半导体洁净车间的生产特性与空调系统运行逻辑，探索兼顾环境可靠性与运行能效的节能优化路径和动态调控方法，以期实现生产保障与能效提升的双重目标。

1 半导体洁净车间暖通空调系统负荷特性分析

1.1 洁净车间空调系统典型架构与运行要求

半导体洁净车间的暖通空调系统通常由多个功能单元耦合构成，其核心部分包含负责新风过滤以及温湿度预处理的新风处理单元、用于维持车间正压并使颗粒度达标的风机过滤单元集群、承担消除室内余热余湿任务的循环空调箱，以及配套的排气处理、冷热源供给、输配管网等子系统。不同功能单元并非独立运行而是存在紧密的联动关系，新风处理参数会直接影响循环空调箱的处理负荷，风机过滤单元的送风量则决定了车间洁净度与压差水平[1]。针对不同的芯片制造制程，空调系统的控制精度要求存在显著差异，先进制程的晶圆制造车间对温度的控制精度能够达到±0.1℃，湿度控制精度要求为±2%RH，同时需要维持稳定的车间正压，以防止外部污染物渗入，任何参数的短期波动都可能对生产良率造成不可逆的影响，这也决定了空调系统的调控必须以环境可靠性作为首要前提（见表1）。

表1 不同半导体制程区域环境参数控制要求对照表

1.2 动态负荷构成与时空分布特征

半导体洁净车间的空调系统负荷由多种不同来源构成，其中生产设备持续运行产生的散热是负荷的核心组成部分，其次新风引入带来的冷热负荷与湿负荷也占一定比例，人员散热散湿以及围护结构传热等所占比例相对较低。这类负荷并非恒定不变，而是呈现出明显的时空分布差异。从时间维度来看，生产班次的切换、制程设备的周期性启停以及室外气象参数随季节与昼夜的变化，都会使总负荷出现大幅度的波动，高峰和低谷时段的负荷差值可达数倍。从空间维度来说，不同制程区域的设备密度、产污水平以及环境参数要求存在差异，对应的局部负荷也存在明显的区域异质性，如光刻机等高精密设备所在的核心区域负荷密度远远高于普通辅助生产区域。充分掌握这类负荷的动态波动规律，是避免空调系统持续按照最高负荷冗余运行、实现按需供给的核心基础。

2 洁净车间暖通空调系统被动节能优化技术路径

2.1 新风系统节能优化

2.1.1 基于制程排气热回收的新风预冷/预热方案设计

半导体制造过程会产生大量经处理后排放的制程排气，这类排气温度通常和车间设定温度接近且全年温度相对稳定，其中蕴含着可观的可回收热能或冷能。在新风处理环节加装适配的热回收装置，能够实现排气与新风之间的热量传递，冬季利用排气热量预热低温新风，夏季利用排气冷量预冷高温新风，可大幅降低新风处理阶段的冷热负荷投入，热回收装置选型要结合排气的成分特性，避免排气中残留污染物对新风造成二次污染[2]。同时需根据不同季节的新风与排气温差，动态调整热回收装置运行模式与旁通比例，在保证新风品质合规的前提下，最大化热回收效率并减少新风处理过程的能源消耗。

2.1.2 按需新风量控制策略

传统洁净车间的新风量一般按设计规范最大值设定，在实际运行过程中始终保持固定供给，然而实际需求会随生产状态动态改变，按需新风量控制策略依据室内污染物浓度、人员实时数量、制程排气量这三个核心参数，建立起动态新风量计算模型[3]。在保证车间正压要求且室内污染物浓度达标的前提下，对新风供给量进行动态调整，以此避免过量新风引入带来额外负荷，当车间处于非满产状态、人员数量较少或者制程排气量降低时，可在合规范围内适当降低新风供给量。这样既能减少新风处理的能耗，又不会对生产环境的安全性产生影响，同时要设置多级安全阈值，当室内污染物浓度接近限值时自动提升新风量，确保生产环境始终满足洁净要求。

2.2 输配系统能效提升

2.2.1 FFU集群变风量调速优化

风机过滤单元（FFU）集群是洁净车间输配系统核心能耗来源，传统运行模式下，所有FFU均保持恒定转速，风量供给远远高于实际洁净度需求，造成了大量风机能耗的浪费[4]。FFU集群变风量调速优化要先根据车间不同区域制程属性与洁净度要求，划分出独立的控制分区，每个分区设置实时颗粒浓度监测装置，依据监测到的颗粒浓度水平动态调整对应区域FFU运行转速。当区域洁净度高于要求等级时，适当降低FFU转速来减少送风量，当洁净度接近限值时，则提升转速以增加送风量，在保证各区域洁净度持续达标的前提下最大限度降低FFU集群的整体运行能耗。

2.2.2 冷冻水/冷却水系统大温差小流量改造与水泵变频匹配方案

冷冻水与冷却水系统是空调系统冷量输配核心载体，传统设计通常采用小温差大流量运行模式，水泵运行功率长时间处于较高水平，对系统进行大温差小流量改造。在确保末端冷量供给充足的前提下，适当提升冷冻水供回水温差和冷却水进出水温差，可大幅降低系统的循环流量，进而减少水泵的输送能耗，为水泵配套加装变频控制装置，依据空调系统的实时负荷需求动态调整水泵运行频率，改变循环水量，实现冷量的按需输配，避免水泵长期满负荷运行导致的能源浪费。

2.3 热湿处理过程节能优化

2.3.1 温湿度独立控制（THIC）系统在洁净场景的适配性改造

传统空调系统通常采用温湿度耦合处理的方式，为满足湿度控制要求常把空气冷却到更低温度，之后再做二次加热，容易造成冷热抵消的问题。温湿度独立控制系统将温度处理和湿度处理拆分为两个独立流程，由独立的除湿系统承担室内湿负荷，末端系统仅承担室内温度负荷，无需为除湿而过度降低空气温度，从根源上避免冷却后再加热的能源浪费[5]。针对半导体洁净车间的特殊运行要求，需对常规温湿度独立控制系统做适配性改造，重点优化新风除湿流程的可靠性，同时匹配洁净度控制要求，避免除湿过程引入额外污染物，确保系统既能实现温湿度的精准独立控制，又完全符合洁净生产的环境要求。

2.3.2 蒸发冷却、自然冷源等免费制冷技术的应用边界与季节切换策略

在室外气象条件合适的时段充分利用免费制冷技术能大幅降低冷源系统运行能耗，蒸发冷却技术依靠水蒸发吸热原理实现空气降温，在空气湿度较低季节可部分替代机械制冷减少冷水机组运行时间，自然冷源技术借助板式换热器等装置直接利用室外低温空气或冷却水冷量冷却冷冻水[6]。在冬季或过渡季室外温度较低时能完全关闭冷水机组仅靠自然冷源满足系统冷量需求，应用这类技术需明确不同技术的适用边界，根据室外温湿度参数确定对应技术启用阈值。同时制定平滑季节切换策略在免费制冷与机械制冷间实现无缝切换，避免切换过程导致室内温湿度大幅波动影响生产环境稳定性。

结论

通过精准把握负荷波动的规律，结合多维度被动节能技术优化，能在不降低环境控制可靠性前提下，有效降低空调系统整体运行能耗。本文提出的各类优化路径与调控方法，充分适配半导体生产场景特殊要求，兼顾生产安全性与能效提升双重目标，具备较强工程可操作性。

参考文献

[1]万易,陈澄. 微波组件用万级超净车间空调工程设计[J].科技创新与应用,2024,14 (4):110-114+118.

[2]冯显桓. 基于高低温双冷水机组的恒温恒湿洁净车间空调系统节能性分析[J].洁净与空调技术,2023, (3):84-89.

[3]缪家琦,李玉. 千级无尘车间洁净空调系统设计与应用[J].安装,2023, (5):50-52.

[4]卓平欢. 半导体器件生产车间通风洁净空调系统节能分析[J].材料研究与应用,2020,14 (1):51-54.

[5]于晓达. 药厂洁净车间的空调自动控制系统设计[J].电子技术与软件工程,2019, (8):123.

[6]曹学明,魏亚志,丁路. 某电子厂房超净车间空调设计[J].制冷与空调(四川),2018,32 (6):599-602.