淺談半導(dǎo)體工廠能耗分析及環(huán)境對能耗的影響

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：根據(jù)上海市某半導(dǎo)體制造工廠2015年1月1日至2017年12月31日動力機(jī)房內(nèi)冷水機(jī)組的實測滿載率和全年逐日負(fù)荷中與室外氣象條件相關(guān)部分，推導(dǎo)負(fù)荷和室外空氣比焓的關(guān)聯(lián)度，并依據(jù)４個生產(chǎn)半導(dǎo)體的重點城市的典型氣象（設(shè)計典型）年逐時參數(shù)報表總結(jié)了建造地點對能耗的影響，提出了未來半導(dǎo)體工廠的節(jié)能方向。

關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體工廠；負(fù)荷；能源消耗；氣象數(shù)據(jù)；比焓分析

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行費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)房改造項目為例，整理半導(dǎo)體廠房能耗規(guī)律并形成報告，進(jìn)一步演算不同建造地點對半導(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（ＳＥＭＩ）公布的ＳＥＭＩ－Ｓ２３裝置能源換算系數(shù)，統(tǒng)計得到上海某半導(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，所以本文重點討論冷源設(shè)備中因工廠建造地點不同、新風(fēng)參數(shù)變化引起的能耗波動，旨在分析建造地點對半導(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)組運行參數(shù)分析

2.1數(shù)據(jù)來源

原機(jī)房設(shè)計采用機(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)房運行多年后，特別是二期的冷水機(jī)組及水泵安裝運行后，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日的水泵運行頻率和冷水機(jī)組的壓縮機(jī)運行電流，計算得出冷負(fù)荷，設(shè)計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％，同時驗證建設(shè)單位所提供數(shù)據(jù)的真實可靠性。由于２０１８年數(shù)據(jù)不全，本文僅對２０１５—２０１７年３個完整日歷年的數(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)計思路為將給定的當(dāng)日冷水機(jī)組運行臺數(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)日的運行平均輸出功率ＰＤ：ＰＤ＝ＮＤＰＲ（１）式中ＮＤ為當(dāng)日冷水機(jī)組運行臺數(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)計數(shù)據(jù)得出，低溫冷水機(jī)組整年運行曲線平整，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)組全年開啟是因為其他附屬功能區(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)計出２０１６年和２０１７年的逐日平均輸出功率，如圖５～８所示。

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

3.1建廠地點選擇分析

工業(yè)企業(yè)建設(shè)地點的選擇和很多因素有關(guān)，一般來說除考慮社會、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個生產(chǎn)半導(dǎo)體的重點城市進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，使論文更貼合工程實際應(yīng)用，發(fā)掘其中規(guī)律。為使論文的數(shù)據(jù)來源更具性，氣象參數(shù)引自氣象局公布的“典型氣象（設(shè)計典型）年

逐時參數(shù)報表"，北京站臺編號為５４５１１，上海站臺編號為５８３６２，成都站臺編號為５７６３３，廈門站臺編號為５９１３４。

工廠運行時，能耗特點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４個生產(chǎn)半導(dǎo)體的重點城市的逐日比焓，來驗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（見圖９）

3.3上海典型氣象年逐日比焓統(tǒng)計（見圖10）

3.4成都典型氣象年逐日比焓統(tǒng)計（見圖11）

3.5廈門典型氣象年逐日比焓統(tǒng)計（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，計算得到因室外空氣比焓波動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)各個生產(chǎn)過程的不同特點，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)運轉(zhuǎn)生產(chǎn)，需要降低設(shè)備待機(jī)狀態(tài)時的用電量；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，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，循環(huán)管應(yīng)盡可能靠近機(jī)臺，減少因非循環(huán)管路洗凈等待時的純水排出量，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)組運行時間，降低電力消耗。

6 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，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。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)付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應(yīng)用場所

本平臺適用于公寓出租戶、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、電力運維等領(lǐng)域。

（3）平臺結(jié)構(gòu)

（4）平臺功能

◆電力集抄

電力集抄模塊可以實現(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)備運行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢或打印，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化、信息化技術(shù)，實現(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）報表：提供售電、售水財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費看板

◆充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時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。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、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)行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關(guān)策略配置及后臺遠(yuǎn)程管理和移動管理等，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)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導(dǎo)企業(yè)實現(xiàn)一時間的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

◆智慧消防

通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。原先針對“九小場所"和危化品生產(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，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細(xì)化"的實際需求。

（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。本文從能耗實測數(shù)據(jù)出發(fā)，定性分析了建廠地點對能耗的影響，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)體工廠運行數(shù)據(jù)，建成數(shù)據(jù)庫儲備，提升技術(shù)能力。

參考文獻(xiàn)

［1］江詩兵，袁佳.半導(dǎo)體工廠能耗分析及建造地點對能耗的影響

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

［3］企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.