0引言

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)越來越進(jìn)步,，以及制造裝置和配套設(shè)備大型化的趨勢,，潔凈室結(jié)構(gòu)和面積也越來越大，半導(dǎo)體工廠的能源消耗日趨增大,。精細(xì)分析工廠的能源消耗組成及不同條件下建廠對運(yùn)行費(fèi)用的影響顯得十分重要。本文以上海市某半導(dǎo)體制造工廠機(jī)房改造項(xiàng)目為例,，整理半導(dǎo)體廠房能耗規(guī)律并形成報(bào)告,，進(jìn)一步演算不同建造地點(diǎn)對半導(dǎo)體廠房能耗影響的關(guān)聯(lián)度，為公司經(jīng)營活動(dòng)提供數(shù)據(jù)支持,。

1半導(dǎo)體工廠的能源消耗

1．1能源消耗結(jié)構(gòu)

國維持室內(nèi)潔凈度,、溫濕度，為生產(chǎn)設(shè)備提供電力,、超純水,、特氣、化學(xué)品,、壓空,、真空，以及進(jìn)行廢水,、廢氣處理等需要消耗大量能源,，半導(dǎo)體潔凈廠房消耗的能源以電和天然氣為主。根據(jù)國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（ＳＥＭＩ）公布的ＳＥＭＩ－Ｓ２３裝置能源換算系數(shù),，統(tǒng)計(jì)得到上海某半導(dǎo)體制造工廠的能源消耗結(jié)構(gòu),，如圖１所示，除生產(chǎn)設(shè)備用電外的生產(chǎn)附屬設(shè)備能耗結(jié)構(gòu)如圖２所示,。

1．2能耗數(shù)據(jù)分析

由圖１可以看出，生產(chǎn)設(shè)備所消耗的能源多,，占比達(dá)52％,，而且與設(shè)備相關(guān)的冷熱源設(shè)備（占比20％）也是能耗大戶。在同樣工藝,、相同產(chǎn)能前提下,，生產(chǎn)設(shè)備耗能相差甚微，所以本文重點(diǎn)討論冷源設(shè)備中因工廠建造地點(diǎn)不同,、新風(fēng)參數(shù)變化引起的能耗波動(dòng),，旨在分析建造地點(diǎn)對半導(dǎo)體工廠能耗的影響。

2某半導(dǎo)體制造工廠2015—2017年冷水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)分析

2.1數(shù)據(jù)來源

原機(jī)房設(shè)計(jì)采用機(jī)械通風(fēng)方式（機(jī)械排風(fēng)＋自然送風(fēng)）,，離心風(fēng)機(jī)通過風(fēng)管系統(tǒng)將機(jī)房內(nèi)空氣吸入后排出室外,，在機(jī)房內(nèi)形成一定的相對負(fù)壓,，室外新風(fēng)經(jīng)由特定位置的百葉風(fēng)口吸入機(jī)房內(nèi)。機(jī)房運(yùn)行多年后,，特別是二期的冷水機(jī)組及水泵安裝運(yùn)行后,，發(fā)現(xiàn)如下問題：1）夏季機(jī)房內(nèi)溫度過高，維保人員無法忍受,；2）夏季機(jī)房內(nèi)濕度過高,，導(dǎo)致部分管路出現(xiàn)凝露銹蝕；3）全年機(jī)房內(nèi)為負(fù)壓,，設(shè)備積塵嚴(yán)重,。根據(jù)建設(shè)單位提供的機(jī)房２０１５年１月１日至２０１８年８月１２日的水泵運(yùn)行頻率和冷水機(jī)組的壓縮機(jī)運(yùn)行電流，計(jì)算得出冷負(fù)荷,，設(shè)計(jì)ＭＡＵ＋ＲＣＵ（新風(fēng)空調(diào)機(jī)＋自循環(huán)機(jī)組）組合空調(diào)方式解決上述３個(gè)問題,，并使機(jī)房全年溫度不高于２８℃，相對濕度不大于６０％,，同時(shí)驗(yàn)證建設(shè)單位所提供數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性,。由于２０１８年數(shù)據(jù)不全，本文僅對２０１５—２０１７年３個(gè)完整日歷年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,。

2.2數(shù)據(jù)分析結(jié)論

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)思路為將給定的當(dāng)日冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)乘以設(shè)備的額定功率再乘以機(jī)組當(dāng)日的負(fù)荷率,，得出當(dāng)日的運(yùn)行平均輸出功率ＰＤ：ＰＤ＝ＮＤＰＲ（１）式中ＮＤ為當(dāng)日冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，以２０１５年１月１日一期低溫冷水機(jī)組為例,，ＮＤ＝２,；Ｐ為冷水機(jī)組額定功率，同上條件,，Ｐ＝７５２ｋＷ,；Ｒ為冷水機(jī)組額定負(fù)載電流，同上條件,，Ｒ＝５５％,。計(jì)算可得，２０１５年１月１日一期低溫冷水機(jī)組的平均輸出功率為８２７．２ｋＷ,。根據(jù)上述方法分別統(tǒng)計(jì)出低溫冷水機(jī)組和中

溫冷水機(jī)組２０１５年的逐日平均輸出功率,，如圖３所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出,，低溫冷水機(jī)組整年運(yùn)行曲線平整,，５—１０月為負(fù)荷高峰期，其余月份除偶爾幾天出現(xiàn)峰值,，其他日期較５—１０月低３６％,，低溫冷水機(jī)組的日平均輸出功率低值出現(xiàn)在１２月１７日，為６１２ｋＷ,；高值出現(xiàn)在８月７日,，為２２４９．４ｋＷ,。分析數(shù)據(jù)得出，低溫冷水機(jī)組全年開啟是因?yàn)槠渌綄俟δ軈^(qū),，比如辦公區(qū),、食堂、設(shè)備機(jī)房的新風(fēng)空調(diào)及ＦＣＵ等全年制冷設(shè)備接入了低溫冷水所致,，這部分負(fù)荷相對比較固定,，室外空氣參數(shù)對其影響較小，在后面分析中刪減此部分負(fù)荷,，如圖３所示,。中溫冷水機(jī)組整年運(yùn)行曲線根據(jù)新風(fēng)條件不同發(fā)生了相應(yīng)變化，日平均輸出功率低值出現(xiàn)在

２月５日,，為２７３４．１２ｋＷ,；高值出現(xiàn)在８月６日，為７６４０．７２ｋＷ,。分析數(shù)據(jù)得出,，中溫冷水機(jī)組承擔(dān)了核心生產(chǎn)區(qū)的ＭＡＵ新風(fēng)預(yù)冷負(fù)荷、生產(chǎn)區(qū)降溫干盤管負(fù)荷,、純廢水用冷負(fù)荷,、生產(chǎn)冷卻水用冷負(fù)荷等，全年負(fù)荷水平較高,，且不隨室外空氣參數(shù)變化而變化,，在后面分析中合理刪減此部分負(fù)荷，如圖４所示,。

按照此方法,，分別統(tǒng)計(jì)出２０１６年和２０１７年的逐日平均輸出功率，如圖５～８所示,。

3四個(gè)生產(chǎn)半導(dǎo)體的重點(diǎn)城市的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.1建廠地點(diǎn)選擇分析

工業(yè)企業(yè)建設(shè)地點(diǎn)的選擇和很多因素有關(guān),，一般來說除考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì),、技術(shù),、政策因素以外，自然資源也有很大影響,，比如氣候、水資源,、風(fēng)力資源,、電力資源、天然氣供給等,。本文選擇北京,、上海,、成都、廈門４個(gè)生產(chǎn)半導(dǎo)體的重點(diǎn)城市進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,，使論文更貼合工程實(shí)際應(yīng)用,，發(fā)掘其中規(guī)律。氣象參數(shù)引自氣象局公布的“典型氣象（設(shè)計(jì)典型）年

逐時(shí)參數(shù)報(bào)表",，北京站臺(tái)編號為５４５１１,，上海站臺(tái)編號為５８３６２，成都站臺(tái)編號為５７６３３,，廈門站臺(tái)編號為５９１３４,。

工廠運(yùn)行時(shí)，能耗特點(diǎn)為用于夏季降溫除濕的能耗大于冬季用于加濕的能耗,，如果簡單選擇室外干球溫度變化趨勢來分析,，勢必造成數(shù)據(jù)失真，比如室外中溫高濕情況下冷水機(jī)組負(fù)荷也大,。因此,，本文歸類統(tǒng)計(jì)４個(gè)生產(chǎn)半導(dǎo)體的重點(diǎn)城市的逐日比焓，來驗(yàn)證不同城市的能耗偏差,。

3.2北京典型氣象年逐日比焓統(tǒng)計(jì)（見圖９）

3.3上海典型氣象年逐日比焓統(tǒng)計(jì)（見圖10）

3.4成都典型氣象年逐日比焓統(tǒng)計(jì)（見圖11）

3.5廈門典型氣象年逐日比焓統(tǒng)計(jì)（見圖12）

4室外空氣參數(shù)變化對能耗的影響分析

通過對圖１０所示的上海典型氣象年逐日比焓與圖３,、５中冷水機(jī)組２０１５—２０１７年逐日平均輸出功率的正相關(guān)性分析，計(jì)算得到因室外空氣比焓波動(dòng)引起的平均輸出功率增加因數(shù),，再反推北京,、成

都、廈門三地的能耗,，結(jié)果見表１,。地點(diǎn)對能耗影響比重約為９％；選擇以北京為代表的寒冷地區(qū)建廠為佳,，選擇以上海,、成都為代表的夏熱冬冷地區(qū)次之，而以廈門為代表的夏熱冬暖地區(qū)稍差,；能耗偏差在－２５％～３０％之間,，約占整廠能耗的２％～３％。

5半導(dǎo)體工廠節(jié)能措施分析

根據(jù)圖１所示的能源消耗構(gòu)成,，半導(dǎo)體工廠的能源消耗特性是空調(diào)設(shè)備和生產(chǎn)制造裝置能耗占比大,，所以從這兩方面開展節(jié)能對策研究，具體分析如下,。

5.1生產(chǎn)設(shè)備節(jié)能對策

半導(dǎo)體生產(chǎn)中,，應(yīng)根據(jù)各個(gè)生產(chǎn)過程的不同特點(diǎn)，深入了解設(shè)備特性，優(yōu)化生產(chǎn)程序,，達(dá)到節(jié)能目的,。例如，擴(kuò)散爐等設(shè)備用電量大,，使得潔凈室內(nèi)冷負(fù)荷增大,，對應(yīng)的冷卻水量、排氣量增大：從用電量考慮,，考慮生產(chǎn)設(shè)備并不是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn),，需要降低設(shè)備待機(jī)狀態(tài)時(shí)的用電量；從冷卻水考慮,，在設(shè)備允許的前提下,，提高冷卻水的溫度，使全年均可使用冷卻塔自然換熱,，而不需要經(jīng)過冷水機(jī)組換熱降溫,；從排氣量考慮，準(zhǔn)確把握裝置的必要排氣量和真空度要求,，匹配好設(shè)定值和需要值之間的誤差,，減少排氣浪費(fèi)，從而降低新風(fēng)處理能耗,。再比如清洗裝置,，純水使用量和廢液排放量特別多，從消耗純水考慮,，二次配管時(shí),，循環(huán)管應(yīng)盡可能靠近機(jī)臺(tái)，減少因非循環(huán)管路洗凈等待時(shí)的純水排出量,，從而也減少廢液排放,。

5.2生產(chǎn)附屬設(shè)備節(jié)能對策

根據(jù)圖２所示生產(chǎn)附屬設(shè)備能源消耗構(gòu)成，冷熱源設(shè)備和循環(huán)空調(diào)設(shè)備是主要耗能設(shè)備,，提高冷水機(jī)組的ＣＯＰ,，提高風(fēng)機(jī)、水泵的輸送能效比是節(jié)能的關(guān)鍵,。由于生產(chǎn)的不同時(shí)使用特性,，風(fēng)機(jī)和水泵大范圍使用變頻器，排氣熱回收和冬季,、過渡季使用免費(fèi)供冷系統(tǒng)是節(jié)能的有效對策,，比如富士通的半導(dǎo)體工廠在寒冷地區(qū)建廠，冬季使用低溫冷卻水降低冷水回水溫度,，從而提高冷水機(jī)組ＣＯＰ,，甚至縮短冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間,，降低電力消耗。

6 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺(tái),，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺(tái),。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器,，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機(jī)和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù),。

該平臺(tái)提供數(shù)據(jù)駕駛艙,、電氣安全監(jiān)測、電能質(zhì)量分析,、用電管理,、預(yù)付費(fèi)管理、充電樁管理,、智能照明管理,、異常事件報(bào)警和記錄、運(yùn)維管理等功能,，并支持多平臺(tái),、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問,。

（2）應(yīng)用場所

本平臺(tái)適用于公寓出租戶,、連鎖小超市、小型工廠,、樓管系統(tǒng)集成商,、小型物業(yè)、智慧城市,、變配電站,、建筑樓宇、通信基站,、工業(yè)能耗,、智能燈塔、電力運(yùn)維等領(lǐng)域,。

（3）平臺(tái)結(jié)構(gòu)

（4）平臺(tái)功能

◆電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢,、分析、預(yù)警及綜合展示,，以保證配電室的環(huán)境友好,。在智能化方面實(shí)現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信,、遙控控制,，對系統(tǒng)進(jìn)行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數(shù),，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行日報(bào),、月報(bào)和年報(bào)查詢或打印，提高工作效率,，節(jié)約人力資源,。

變壓器監(jiān)控

配電圖

◆能耗分析

能耗分析模塊采用自動(dòng)化、信息化技術(shù),，實(shí)現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集,、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析,、能耗管理等全過程的自動(dòng)化,、科學(xué)化管理，使能源管理,、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機(jī)結(jié)合起來,，運(yùn)用數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線生產(chǎn)分析與管理,，實(shí)現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度,，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源,，提高能源質(zhì)量,、降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的,。

能耗概況

◆預(yù)付費(fèi)管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配,，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑,、通訊管理機(jī),、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶,、銷戶,、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作,；

4）售電管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電,、退電、沖正及記錄查詢等操作,；

5）售水管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售水,、退水、記錄查詢等操作,；

6）報(bào)表：提供售電,、售水財(cái)務(wù)報(bào)表,、用能報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等查詢,，本系統(tǒng)所有的報(bào)表及記錄查詢,，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費(fèi)看板

◆充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，對接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控,，同時(shí)對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓,、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警,。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營的所有功能,，包括城市級大屏、交易管理,、財(cái)務(wù)管理,、變壓器監(jiān)控、運(yùn)營分析,、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能,。

充電樁看板

◆智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測,，也可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)策略配置及后臺(tái)遠(yuǎn)程管理和移動(dòng)管理等,，降低路燈設(shè)施的維護(hù)難度和成本，提升管理水平,，并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果,。

監(jiān)控頁面

◆安全用電

安全用電采用剩余電流互感器、溫度傳感器,、電氣火災(zāi)探測器,，對引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計(jì)分析,，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時(shí)推送給企業(yè)管理人員,，指導(dǎo)企業(yè)實(shí)現(xiàn)一時(shí)間的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患,，實(shí)現(xiàn)“防患于未然"的目的,。

◆智慧消防

通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析,，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi),、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo),。彌補(bǔ)了原先針對“九小場所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白,，適應(yīng)于所有公建和民建，實(shí)現(xiàn)了無人化值守智慧消防,，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化",、“智能化"、“系統(tǒng)化",、用電管理“精細(xì)化"的實(shí)際需求,。

（5）系統(tǒng)硬件配置

7結(jié)論

以史為鑒，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略之爭,。２０１４年國務(wù)院頒布的《集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》明確提出,，到２０２０年，集成電路產(chǎn)業(yè)與國際水平的差距逐步縮小，１６,、１４ｎｍ制造工藝實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn),，封裝測試技術(shù)達(dá)到國際水平，關(guān)鍵裝備和材料進(jìn)入國際采購體系,，基本建成技術(shù),、安全可靠的集成電路產(chǎn)業(yè)體系。２０１５年發(fā)布的１０年戰(zhàn)略計(jì)劃《中國制造２０２５》則提出,，２０２０年中國芯片自給率要達(dá)到４０％,，２０２５年要達(dá)到７０％。如何推動(dòng)半導(dǎo)體工廠的建廠技術(shù)進(jìn)步,，服務(wù)戰(zhàn)略是我們接下來要持之以恒去做的事情,。本文從能耗實(shí)測數(shù)據(jù)出發(fā)，定性分析了建廠地點(diǎn)對能耗的影響,，進(jìn)而提出了一些節(jié)能措施,。后續(xù)工作是收集更多的半導(dǎo)體工廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，建成數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)備,，提升技術(shù)能力,。

參考文獻(xiàn)

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［2］趙偉 東．建廠地區(qū)條件與廠址選擇［Ｊ］．石 油 化 工 設(shè) 計(jì),，１９９９,，１６（２）：３０ ３３．

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