浅谈半导体工厂能耗分析及建造地点对能耗的影响
2024-04-24 09:46:51 来源：安科瑞电子商务（上海）有限公司
摘要：根据上海市某半导体制造工厂2015年1月1日至2017年12月31日动力机房内冷水机组的实测满载率和全年逐日负荷中与室外气象条件相关部分，推导负荷和室外空气比焓的关联度，并依据４个生产半导体的重点城市的典型气象（设计典型）年逐时参数报表总结了建造地点对能耗的影响，提出了未来半导体工厂的节能方向。
关键词:半导体工厂；负荷；能源消耗；气象数据；比焓分析
0引言
随着半导体制造技术越来越进步，以及制造装置和配套设备大型化的趋势，洁净室结构和面积也越来越大，半导体工厂的能源消耗日趋增大。精细分析工厂的能源消耗组成及不同条件下建厂对运行费用的影响显得十分重要。本文以上海市某半导体制造工厂机房改造项目为例，整理半导体厂房能耗规律并形成报告，进一步演算不同建造地点对半导体厂房能耗影响的关联度，为公司经营活动提供数据支持。
1半导体工厂的能源消耗
1．1能源消耗结构
国维持室内洁净度、温湿度，为生产设备提供电力、超纯水、特气、化学品、压空、真空，以及进行废水、废气处理等需要消耗大量能源，半导体洁净厂房消耗的能源以电和天然气为主。根据国际半导体产业协会（ＳＥＭＩ）公布的ＳＥＭＩ－Ｓ２３装置能源换算系数，统计得到上海某半导体制造工厂的能源消耗结构，如图１所示，除生产设备用电外的生产附属设备能耗结构如图２所示。
1．2能耗数据分析
由图１可以看出，生产设备所消耗的能源*多，占比达52％，而且与设备相关的冷热源设备（占比20％）也是能耗大户。在同样工艺、相同产能前提下，生产设备耗能相差甚微，所以本文重点讨论冷源设备中因工厂建造地点不同、新风参数变化引起的能耗波动，旨在分析建造地点对半导体工厂能耗的影响。
2某半导体制造工厂2015—2017年冷水机组运行参数分析
2.1数据来源
原机房设计采用机械通风方式（机械排风＋自然送风），离心风机通过风管系统将机房内空气吸入后排出室外，在机房内形成一定的相对负压，室外新风经由特定位置的百叶风口吸入机房内。机房运行多年后，特别是二期的冷水机组及水泵安装运行后，发现如下问题：1）夏季机房内温度过高，维保人员无法忍受；2）夏季机房内湿度过高，导致部分管路出现凝露锈蚀；3）全年机房内为负压，设备积尘严重。根据建设单位提供的机房２０１５年１月１日至２０１８年８月１２日的水泵运行频率和冷水机组的压缩机运行电流，计算得出冷负荷，设计ＭＡＵ＋ＲＣＵ（新风空调机＋自循环机组）组合空调方式解决上述３个问题，并使机房全年温度不高于２８℃，相对湿度不大于６０％，同时验证建设单位所提供数据的真实可靠性。由于２０１８年数据不全，本文仅对２０１５—２０１７年３个完整日历年的数据进行分析。
2.2数据分析结论
数据统计思路为将给定的当日冷水机组运行台数乘以设备的额定功率再乘以机组当日的负荷率，得出当日的运行平均输出功率ＰＤ：ＰＤ＝ＮＤＰＲ（１）式中ＮＤ为当日冷水机组运行台数，以２０１５年１月１日一期低温冷水机组为例，ＮＤ＝２；Ｐ为冷水机组额定功率，同上条件，Ｐ＝７５２ｋＷ；Ｒ为冷水机组额定负载电流，同上条件，Ｒ＝５５％。计算可得，２０１５年１月１日一期低温冷水机组的平均输出功率为８２７．２ｋＷ。根据上述方法分别统计出低温冷水机组和中
温冷水机组２０１５年的逐日平均输出功率，如图３所示。
根据统计数据得出，低温冷水机组整年运行曲线平整，５—１０月为负荷高峰期，其余月份除偶尔几天出现峰值，其他日期较５—１０月低３６％，低温冷水机组的日平均输出功率*低值出现在１２月１７日，为６１２ｋＷ；*高值出现在８月７日，为２２４９．４ｋＷ。分析数据得出，低温冷水机组全年开启是因为其他附属功能区，比如办公区、食堂、设备机房的新风空调及ＦＣＵ等全年制冷设备接入了低温冷水所致，这部分负荷相对比较固定，室外空气参数对其影响较小，在后面分析中删减此部分负荷，如图３所示。中温冷水机组整年运行曲线根据新风条件不同发生了相应变化，日平均输出功率*低值出现在
２月５日，为２７３４．１２ｋＷ；*高值出现在８月６日，为７６４０．７２ｋＷ。分析数据得出，中温冷水机组承担了核心生产区的ＭＡＵ新风预冷负荷、生产区降温干盘管负荷、纯废水用冷负荷、生产冷却水用冷负荷等，全年负荷水平较高，且不随室外空气参数变化而变化，在后面分析中合理删减此部分负荷，如图４所示。
按照此方法，分别统计出２０１６年和２０１７年的逐日平均输出功率，如图５～８所示。
3四个生产半导体的重点城市的气象数据统计
3.1建厂地点选择分析
工业企业建设地点的选择和很多因素有关，一般来说除考虑社会、经济、技术、政策因素以外，自然资源也有很大影响，比如气候、水资源、风力资源、电力资源、天然气供给等。本文选择北京、上海、成都、厦门４个生产半导体的重点城市进行数据统计分析，使论文更贴合工程实际应用，发掘其中规律。为使论文的数据来源更具权威性，气象参数引自国家气象局公布的“典型气象（设计典型）年
逐时参数报表”，北京站台编号为５４５１１，上海站台编号为５８３６２，成都站台编号为５７６３３，厦门站台编号为５９１３４。
工厂运行时，能耗特点为用于夏季降温除湿的能耗大于冬季用于加湿的能耗，如果简单选择室外干球温度变化趋势来分析，势必造成数据失真，比如室外中温高湿情况下冷水机组负荷也大。因此，本文归类统计４个生产半导体的重点城市的逐日比焓，来验证不同城市的能耗偏差。
3.2北京典型气象年逐日比焓统计（见图９）
3.3上海典型气象年逐日比焓统计（见图10）
3.4成都典型气象年逐日比焓统计（见图11）
3.5厦门典型气象年逐日比焓统计（见图12）
4室外空气参数变化对能耗的影响分析
通过对图１０所示的上海典型气象年逐日比焓与图３、５中冷水机组２０１５—２０１７年逐日平均输出功率的正相关性分析，计算得到因室外空气比焓波动引起的平均输出功率增加因数，再反推北京、成
都、厦门三地的能耗，结果见表１。地点对能耗影响比重约为９％；选择以北京为代表的寒冷地区建厂为佳，选择以上海、成都为代表的夏热冬冷地区次之，而以厦门为代表的夏热冬暖地区稍差；能耗偏差在－２５％～３０％之间，约占整厂能耗的２％～３％。
5半导体工厂节能措施分析
根据图１所示的能源消耗构成，半导体工厂的能源消耗特性是空调设备和生产制造装置能耗占比大，所以从这两方面开展节能对策研究，具体分析如下。
5.1生产设备节能对策
半导体生产中，应根据各个生产过程的不同特点，深入了解设备特性，优化生产程序，达到节能目的。例如，扩散炉等设备用电量大，使得洁净室内冷负荷增大，对应的冷却水量、排气量增大：从用电量考虑，考虑生产设备并不是连续运转生产，需要降低设备待机状态时的用电量；从冷却水考虑，在设备允许的前提下，提高冷却水的温度，使全年均可使用冷却塔自然换热，而不需要经过冷水机组换热降温；从排气量考虑，准确把握装置的必要排气量和真空度要求，匹配好设定值和需要值之间的误差，减少排气浪费，从而降低新风处理能耗。再比如清洗装置，纯水使用量和废液排放量特别多，从消耗纯水考虑，二次配管时，循环管应尽可能靠近机台，减少因非循环管路洗净等待时的纯水排出量，从而也减少废液排放。
5.2生产附属设备节能对策
根据图２所示生产附属设备能源消耗构成，冷热源设备和循环空调设备是主要耗能设备，提高冷水机组的ＣＯＰ，提高风机、水泵的输送能效比是节能的关键。由于生产的不同时使用特性，风机和水泵大范围使用变频器，排气热回收和冬季、过渡季使用免费供冷系统是节能的有效对策，比如富士通的半导体工厂在寒冷地区建厂，冬季使用低温冷却水降低冷水回水温度，从而提高冷水机组ＣＯＰ，甚至缩短冷水机组运行时间，降低电力消耗。
6 Acrel-EIOT能源物联网云平台
（1）概述
Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台，建立统一的上下行数据标准，为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器，选配网关，自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。
该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。
（2）应用场所
本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。
（3）平台结构
（4）平台功能
◆电力集抄
电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示，以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制，对系统进行综合检测和统一管理；在数据资源管理方面，可以显示或查询供配电室内各设备运行（包括历史和实时参数，并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印，提高工作效率，节约人力资源。
变压器监控
配电图
◆能耗分析
能耗分析模块采用自动化、信息化技术，实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理，使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来，运用先进的数据处理与分析技术，进行离线生产分析与管理，实现全厂能源系统的统一调度，优化能源介质平衡、有效利用能源，提高能源质量、降低能源消耗，达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。
能耗概况
◆预付费管理
1）登陆管理：管理操作员账户及权限分配，查看系统日志等功能；
2）系统配置：对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置；
3）用户管理：对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作；
4）售电管理：对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作；
5）售水管理：对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作；
6）报表中心：提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询，本系统所有的报表及记录查询，都支持excel格式导出。
预付费看板
◆充电桩管理
通过物联网技术，对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。
充电桩看板
◆智能照明
智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测，也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等，降低路灯设施的维护难度和成本，提升管理水平，并达到一定节能减挂的效果。
监控页面
◆安全用电
安全用电采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现快速时间的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。
◆智慧消防
通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。填补了原先针对“九小场所”和危化品生产企业无法有效监控的空白，适应于所有公建和民建，实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”、用电管理“精细化”的实际需求。
（5）系统硬件配置
7结论
以史为鉴，半导体产业是国家战略之争。２０１４年国务院颁布的《国家集成电路产业发展推进纲要》明确提出，到２０２０年，集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小，１６、１４ｎｍ制造工艺实现规模量产，封装测试技术达到国际领先水平，关键装备和材料进入国际采购体系，基本建成技术先进、安全可靠的集成电路产业体系。２０１５年发布的国家１０年战略计划《中国制造２０２５》则提出，２０２０年中国芯片自给率要达到４０％，２０２５年要达到７０％。如何推动半导体工厂的建厂技术进步，服务国家战略是我们接下来要持之以恒去做的事情。本文从能耗实测数据出发，定性分析了建厂地点对能耗的影响，进而提出了一些节能措施。后续工作是收集更多的半导体工厂运行数据，建成数据库储备，提升技术能力。
参考文献
［1］江诗兵，袁佳.半导体工厂能耗分析及建造地点对能耗的影响
［2］赵伟 东．建厂地区条件与厂址选择［Ｊ］．石 油 化 工 设 计，１９９９，１６（２）：３０ ３３．
［3］企业微电网设计与应用手册2022.05版.
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3四个生产半导体的重点城市的气象数据统计
7结论
