空調熱泵熱回收技術在芯片制造基地的應用

文_王吉標 魏騰騰 李凱

華清安泰（北京）科技股份有限公司

1 逐月冷熱負荷和余熱分析

本工程為單晶硅切片制造基地提供冷熱源，總建筑面積為6.75 萬m2，建筑使用功能為切割太陽能用單晶硅硅片。該基地內主生產廠房為凈化車間，夏季空調系統需要供冷，同時有再熱需求，冬季需要供熱，過渡季節同時有冷熱需求。在春秋冬三個季節內生產工藝需要的純水在制備過程中需要加熱。項目空調最大冷負荷為17MW，最小冷負荷為3MW。最大熱負荷為15MW，最小熱負荷為1MW，各個月份需要的冷負荷和熱負荷如表1。

表1

供冷供熱設計供回水溫度如表2。

表2

制造基地內采用線切機進行芯片切割時需要8℃左右的冷卻水進行工藝冷卻，該冷卻水系統由冷水機組制備，采用冷卻塔進行散熱，全年24h 行。冷卻塔作為散熱設備，冬季冷卻水系統進塔溫度25 ～28℃，出塔溫度20 ～24℃，冷卻水量4000m3/h。

2 用能比選

項目周邊可利用的能源形式對比如表3。

表3

3 冷熱源系統配置

本項目能源系統采用熱回收+電制冷+燃氣鍋爐相結合的多能源供能系統，以高效節能的熱回收熱泵技術為主，燃氣鍋爐為輔，作為調峰和備用熱源。供冷采用空調熱回收供冷+冷水/熱泵機組+冷卻塔系統；供熱采用空調熱回收供熱+工業余熱回收供熱+燃氣鍋爐（調峰及備用）系統。主機設備配置情況如表4。

表4

3.1 工業余熱回收利用

本項目冬季工藝冷卻系統的進塔溫度25 ～28℃之間，冷卻水量為4000m3/h，通過熱泵技術，可提供50℃的熱源水。提取完熱量的冷卻水再回到冷卻水系統中，同時由于余熱回收后冷卻水溫度已經降低，可以減少工藝冷卻塔風機開啟數量，減少工藝冷卻系統的用電量。

采用熱泵技術回收工藝余熱進行冬季供熱(圖1)。

圖1

采用該技術制備12100kWh 熱量需要的電費為：1940kWh×0.69 元/kWh=1339 元；而采用燃氣鍋爐制取相同熱量需要燃氣量為1200Nm3，燃氣費用為1200×2.98元=3576 元。可以看出，采用熱泵回收技術運行費用僅為燃氣鍋爐供熱的40%左右。

3.2 熱泵熱回收技術

從每個月供冷和供熱負荷分析，除冬季三個月外，其它月份均同時有冷熱負荷需求。除冬季外，供熱負荷均小于供冷負荷，可利用螺桿熱泵機組在制冷的同時“免費”回收冷凝熱為建筑供熱，可大大節省后期的運行費用。即采用1 臺熱泵機組，一端供冷，一端供熱，機組能效為：（制冷量+制熱量）/用電量；而采用冷水機組供冷時，機組能效為：制冷量/用電量。

以同時制備2331kWh 冷水和3011kWh 熱水為例測算運行費用，對比分析如下：

（1）熱回收系統（圖2）

圖2

開啟一臺熱泵主機便可同時滿足供冷、供熱，主機能效：（2331+3011）/680=7.85；主機電費：680×0.69=469 元/h。

（2）常規系統（圖3）

圖3

需同時開啟冷水機組供冷、燃氣鍋爐供熱，制冷主機能效：2331/462=5.0；燃氣、電費：462×0.69+334×2.98=1314 元/h。

可以看出，采用熱回收技術，可大大降低運行費用。

4 不同季節運行模式

冬季供熱運行時以工業余熱回收系統為主，不足時再開啟燃氣鍋爐調峰供熱；冷熱同時有需求時，采用熱泵熱回收技術制備全部熱水，以熱回收制備的冷水作為基礎負荷，不足部分開啟冷水/熱泵機組+冷卻塔進行補充。

5 運行費用測算

本制造基地全年24h 運行，空調冷熱指標高，用能量非常大，表5是對采用熱泵熱回收、余熱利用系統與常規能源系統進行全年耗能對比。

表5

可以看出，采用熱回收和工業余熱利用的能源形式，每年可減少500萬Nm3的天然氣耗量，運行費用僅為常規能源的60%左右。

6 結語

本項目從論證、設計、安裝、調試歷時2 年，目前已運行7個月，完全達到使用要求。工業建筑能耗高，生產過程中有大量的余熱產生，且存在冷熱同時需求的情況。采用本系統的設計思路，能夠降低運行費用，減少化石能源消耗和污染物排放為工業建筑余熱回收利用提供一種技術方法。，