摘要：根據上海市某半導體制造工廠(chǎng)2015年1月1日至2017年12月31日動(dòng)力機房?jì)壤渌畽C組的實(shí)測滿(mǎn)載率和全年逐日負荷中與室外氣象條件相關(guān)部分，推導負荷和室外空氣比焓的關(guān)聯(lián)度，并依據４個(gè)生產(chǎn)半導體的重點(diǎn)城市的典型氣象（設計典型）年逐時(shí)參數報表總結了建造地點(diǎn)對能耗的影響，提出了未來(lái)半導體工廠(chǎng)的節能方向。

關(guān)鍵詞:半導體工廠(chǎng)；負荷；能源消耗；氣象數據；比焓分析

0引言

隨著(zhù)半導體制造技術(shù)越來(lái)越進(jìn)步，以及制造裝置和配套設備大型化的趨勢，潔凈室結構和面積也越來(lái)越大，半導體工廠(chǎng)的能源消耗日趨增大。精細分析工廠(chǎng)的能源消耗組成及不同條件下建廠(chǎng)對運行費用的影響顯得十分重要。本文以上海市某半導體制造工廠(chǎng)機房改造項目為例，整理半導體廠(chǎng)房能耗規律并形成報告，進(jìn)一步演算不同建造地點(diǎn)對半導體廠(chǎng)房能耗影響的關(guān)聯(lián)度，為公司經(jīng)營(yíng)活動(dòng)提供數據支持。

1半導體工廠(chǎng)的能源消耗

1．1能源消耗結構

國維持室內潔凈度、溫濕度，為生產(chǎn)設備提供電力、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，半導體潔凈廠(chǎng)房消耗的能源以電和天然氣為主。根據國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )（ＳＥＭＩ）公布的ＳＥＭＩ－Ｓ２３裝置能源換算系數，統計得到上海某半導體制造工廠(chǎng)的能源消耗結構，如圖１所示，除生產(chǎn)設備用電外的生產(chǎn)附屬設備能耗結構如圖２所示。

1．2能耗數據分析

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

2某半導體制造工廠(chǎng)2015—2017年冷水機組運行參數分析

2.1數據來(lái)源

原機房設計采用機械通風(fēng)方式（機械排風(fēng)＋自然送風(fēng)），離心風(fēng)機通過(guò)風(fēng)管系統將機房?jì)瓤諝馕牒笈懦鍪彝?，在機房?jì)刃纬梢欢ǖ南鄬ω搲?，室外新風(fēng)經(jīng)由特定位置的百葉風(fēng)口吸入機房?jì)?。機房運行多年后，特別是二期的冷水機組及水泵安裝運行后，發(fā)現如下問(wèn)題：1）夏季機房?jì)葴囟冗^(guò)高，維保人員無(wú)法忍受；2）夏季機房?jì)葷穸冗^(guò)高，導致部分管路出現凝露銹蝕；3）全年機房?jì)葹樨搲?，設備積塵嚴重。根據建設單位提供的機房２０１５年１月１日至２０１８年８月１２日的水泵運行頻率和冷水機組的壓縮機運行電流，計算得出冷負荷，設計ＭＡＵ＋ＲＣＵ（新風(fēng)空調機＋自循環(huán)機組）組合空調方式解決上述３個(gè)問(wèn)題，并使機房全年溫度不高于２８℃，相對濕度不大于６０％，同時(shí)驗證建設單位所提供數據的真實(shí)可靠性。由于２０１８年數據不全，本文僅對２０１５—２０１７年３個(gè)完整日歷年的數據進(jìn)行分析。

2.2數據分析結論

數據統計思路為將給定的當日冷水機組運行臺數乘以設備的額定功率再乘以機組當日的負荷率，得出當日的運行平均輸出功率ＰＤ：ＰＤ＝ＮＤＰＲ（１）式中ＮＤ為當日冷水機組運行臺數，以２０１５年１月１日一期低溫冷水機組為例，ＮＤ＝２；Ｐ為冷水機組額定功率，同上條件，Ｐ＝７５２ｋＷ；Ｒ為冷水機組額定負載電流，同上條件，Ｒ＝５５％。計算可得，２０１５年１月１日一期低溫冷水機組的平均輸出功率為８２７．２ｋＷ。根據上述方法分別統計出低溫冷水機組和中

溫冷水機組２０１５年的逐日平均輸出功率，如圖３所示。

根據統計數據得出，低溫冷水機組整年運行曲線(xiàn)平整，５—１０月為負荷高峰期，其余月份除偶爾幾天出現峰值，其他日期較５—１０月低３６％，低溫冷水機組的日平均輸出功率低值出現在１２月１７日，為６１２ｋＷ；高值出現在８月７日，為２２４９．４ｋＷ。分析數據得出，低溫冷水機組全年開(kāi)啟是因為其他附屬功能區，比如辦公區、食堂、設備機房的新風(fēng)空調及ＦＣＵ等全年制冷設備接入了低溫冷水所致，這部分負荷相對比較固定，室外空氣參數對其影響較小，在后面分析中刪減此部分負荷，如圖３所示。中溫冷水機組整年運行曲線(xiàn)根據新風(fēng)條件不同發(fā)生了相應變化，日平均輸出功率低值出現在

２月５日，為２７３４．１２ｋＷ；高值出現在８月６日，為７６４０．７２ｋＷ。分析數據得出，中溫冷水機組承擔了核心生產(chǎn)區的ＭＡＵ新風(fēng)預冷負荷、生產(chǎn)區降溫干盤(pán)管負荷、純廢水用冷負荷、生產(chǎn)冷卻水用冷負荷等，全年負荷水平較高，且不隨室外空氣參數變化而變化，在后面分析中合理刪減此部分負荷，如圖４所示。

按照此方法，分別統計出２０１６年和２０１７年的逐日平均輸出功率，如圖５～８所示。

3四個(gè)生產(chǎn)半導體的重點(diǎn)城市的氣象數據統計

3.1建廠(chǎng)地點(diǎn)選擇分析

工業(yè)企業(yè)建設地點(diǎn)的選擇和很多因素有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)除考慮社會(huì )、經(jīng)濟、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(mén)４個(gè)生產(chǎn)半導體的重點(diǎn)城市進(jìn)行數據統計分析，使論文更貼合工程實(shí)際應用，發(fā)掘其中規律。為使論文的數據來(lái)源更具，氣象參數引自氣象局公布的“典型氣象（設計典型）年

逐時(shí)參數報表"，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(mén)站臺編號為５９１３４。

工廠(chǎng)運行時(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(jiǎn)單選擇室外干球溫度變化趨勢來(lái)分析，勢必造成數據失真，比如室外中溫高濕情況下冷水機組負荷也大。因此，本文歸類(lèi)統計４個(gè)生產(chǎn)半導體的重點(diǎn)城市的逐日比焓，來(lái)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計（見(jiàn)圖９）

3.3上海典型氣象年逐日比焓統計（見(jiàn)圖10）

3.4成都典型氣象年逐日比焓統計（見(jiàn)圖11）

3.5廈門(mén)典型氣象年逐日比焓統計（見(jiàn)圖12）

4室外空氣參數變化對能耗的影響分析

通過(guò)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(dòng)引起的平均輸出功率增加因數，再反推北京、成

都、廈門(mén)三地的能耗，結果見(jiàn)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建廠(chǎng)為佳，選擇以上海、成都為代表的夏熱冬冷地區次之，而以廈門(mén)為代表的夏熱冬暖地區稍差；能耗偏差在－２５％～３０％之間，約占整廠(chǎng)能耗的２％～３％。

5半導體工廠(chǎng)節能措施分析

根據圖１所示的能源消耗構成，半導體工廠(chǎng)的能源消耗特性是空調設備和生產(chǎn)制造裝置能耗占比大，所以從這兩方面開(kāi)展節能對策研究，具體分析如下。

5.1生產(chǎn)設備節能對策

半導體生產(chǎn)中，應根據各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的不同特點(diǎn)，深入了解設備特性，優(yōu)化生產(chǎn)程序，達到節能目的。例如，擴散爐等設備用電量大，使得潔凈室內冷負荷增大，對應的冷卻水量、排氣量增大：從用電量考慮，考慮生產(chǎn)設備并不是連續運轉生產(chǎn)，需要降低設備待機狀態(tài)時(shí)的用電量；從冷卻水考慮，在設備允許的前提下，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(guò)冷水機組換熱降溫；從排氣量考慮，準確把握裝置的必要排氣量和真空度要求，匹配好設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(shí)，循環(huán)管應盡可能靠近機臺，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)附屬設備節能對策

根據圖２所示生產(chǎn)附屬設備能源消耗構成，冷熱源設備和循環(huán)空調設備是主要耗能設備，提高冷水機組的ＣＯＰ，提高風(fēng)機、水泵的輸送能效比是節能的關(guān)鍵。由于生產(chǎn)的不同時(shí)使用特性，風(fēng)機和水泵大范圍使用變頻器，排氣熱回收和冬季、過(guò)渡季使用免費供冷系統是節能的有效對策，比如富士通的半導體工廠(chǎng)在寒冷地區建廠(chǎng)，冬季使用低溫冷卻水降低冷水回水溫度，從而提高冷水機組ＣＯＰ，甚至縮短冷水機組運行時(shí)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(kāi)放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)提供能源物聯(lián)網(wǎng)數據服務(wù)的平臺。用戶(hù)僅需購買(mǎi)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和電腦得到所需的行業(yè)數據服務(wù)。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預付費管理、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(yǔ)言、多終端數據訪(fǎng)問(wèn)。

（2）應用場(chǎng)所

本平臺適用于公寓出租戶(hù)、連鎖小超市、小型工廠(chǎng)、樓管系統集成商、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）平臺結構

（4）平臺功能

◆電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現對各種監測數據的查詢(xún)、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實(shí)現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進(jìn)行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢(xún)供配電室內各設備運行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數，并根據實(shí)際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢(xún)或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

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)現從能源數據采集、過(guò)程監控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過(guò)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(guò)程有機結合起來(lái)，運用數據處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線(xiàn)生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現全廠(chǎng)能源系統的統一調度，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，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

◆預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶(hù)及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進(jìn)行配置；

3）用戶(hù)管理：對商鋪用戶(hù)執行開(kāi)戶(hù)、銷(xiāo)戶(hù)、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢(xún)等操作；

4）售電管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢(xún)等操作；

5）售水管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售水、退水、記錄查詢(xún)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(xún)，本系統所有的報表及記錄查詢(xún)，都支持excel格式導出。

預付費看板

◆充電樁管理

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監控、運營(yíng)分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

◆智能照明

智能照明通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地數據監測，也可以實(shí)現定時(shí)開(kāi)關(guān)策略配置及后臺遠程管理和移動(dòng)管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁(yè)面

◆安全用電

安全用電采用剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線(xiàn)溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發(fā)現的各種隱患信息及時(shí)推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實(shí)現一時(shí)間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實(shí)現“防患于未然"的目的。

◆智慧消防

通過(guò)云平臺進(jìn)行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現科學(xué)預警火災、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責任監管等目標。原先針對“九小場(chǎng)所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無(wú)法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實(shí)現了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實(shí)際需求。

（5）系統硬件配置

7結論

以史為鑒，半導體產(chǎn)業(yè)是戰略之爭。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)現規模量產(chǎn)，封裝測試技術(shù)達到國際水平，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年戰略計劃《中國制造２０２５》則提出，２０２０年中國芯片自給率要達到４０％，２０２５年要達到７０％。如何推動(dòng)半導體工廠(chǎng)的建廠(chǎng)技術(shù)進(jìn)步，服務(wù)戰略是我們接下來(lái)要持之以恒去做的事情。本文從能耗實(shí)測數據出發(fā)，定性分析了建廠(chǎng)地點(diǎn)對能耗的影響，進(jìn)而提出了一些節能措施。后續工作是收集更多的半導體工廠(chǎng)運行數據，建成數據庫儲備，提升技術(shù)能力。

參考文獻

［1］江詩(shī)兵，袁佳.半導體工廠(chǎng)能耗分析及建造地點(diǎn)對能耗的影響

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

［3］企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.