谈洁净室技术的成本控制—— 专访中国洁净室研究优秀专家江诗兵

  洁净室是指将一定空间范围内的空气中的有害化学气体、微粒子、细菌等污染物排除,并将室内的湿度、温度、洁净度、压力、气流速度与气流流向、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内,而对其进行特别设计的空间。

  在我国,洁净室技术起步于上世纪60年代。当时,洁净室技术主要是为了迎合军工、精密仪器、航空仪表和电子行业的产品质量需求而诞生的一门新兴技术,主要是满足这一些行业加工和实验研究的微型化、精密化、高质量、高纯度和高可靠性。二十世纪七十年代至八十年代集成电路产业业的大规模发展,九十年代光电行业和生物制药行业的兴起,对洁净室技术水平的要求慢慢的升高,使得洁净室技术水准不断发展和提高,行业应用也慢慢变得广,市场规模不断扩大。

  目前,我国洁净室技术产业链已基本形成,上游包括空气进化设施制造、洁净室所用的各种耗材生产;中游包括与其设计、建造、调试、测试、运行相关的产业;下游包括那些需要应用洁净室的行业。随着下游产业的加快速度进行发展,以及这些产业对生产环境要求的日益严格,洁净室技术的发展长期处在高速之中。

  从市场参与角度来看,半导体及光电设备为代表的电子产业是洁净室工程最主要的下游应用领域,参与企业众多;从下游拓展前景来看,洁净室作为提高生产质量的重要基础设施在电子、医疗医药、餐饮行业皆具备极其重大发展意义。但相比之下,芯片、液晶显示器、LED照明行业等下业,均为国家产业政策支持发展的重点行业,近年来相关产业的发展十分迅速。随着中美贸易在高科技行业的摩擦加剧,半导体本土市场发展需求尤为迫切,其对于洁净室厂房的增量建设需求相对较高。

  到2026年,中国洁净室工程行业新建面积预计为5253.02万平方米,年复合增长率为7.26%。从产业规模上看,预计到2026年中国洁净室工程行业产值规模将达到3160.19亿元,年复合增长率为8.8%。从全球占有率来看,预计到2026年中国洁净室工程规模为456.88亿美元,占比全球34.36%,全球最大的洁净室工程市场地位将进一步稳固。

  虽然洁净室市场发展前途巨大,经济利益可观,但其建造和经营成本也一直不菲,而且一直随着下游高新技术制造商对生产环境要求的日益严苛而水涨船高。洁净厂房空调系统与一般民用建筑的空调系统的不同,它首先对控制区的洁净度有很高要求。导体器件厂房内,在硅衬底上只要落有电路线大小的尘埃,就可能会引起芯片电路短路。洁净厂房空调系统除对洁净度要求比较高外,还对温度、湿度、震惊、噪音等都有不同程度要求,而所有这些要求都与其能耗密切相关。

  洁净室作为耗能大户,其能耗是一般写字楼的10-30倍,我国的8英寸芯片厂洁净室的单位面积能耗比美国同型工厂高15%。洁净室工程下游相关企业逐渐重视洁净室的节能问题,这对洁净室工程行业的设计和实施工程单位提出了更高的要求。从客户的真实需求出发,从设计理念、建造施工、设备配备及运行等各方面做节能设计,通过采用全方位节能技术的洁净室工程企业,才能够突显自身市场竞争力,保障企业持续、良性发展。

  江诗兵先生是中国电子系统工程第四建设有限公司于2014年通过猎头公司引入的中国高端空调及洁净室技术和管理方面的杰出专家。在洁净室及洁净空调领域有了良好的业务口碑和丰富的业务经验。他曾先后任职中国兵器工业第五设计研究院和五洲大气社工程有限公司(中日合资),担任项目经理和华北地区总经理。作为一名资深、优秀的洁净室技术人才,他在高端空调及洁净室技术的节能和控制成本领域做出了自己的突出贡献。

  早在2006年,江诗兵先生就主导了第一三共(北京)制药有限公司“冷却塔自由冷却(即free-cooling)的改造工程,首先他调查了客户冬季冷水的使用需求,对客户现有的屋顶冷却塔冬季制冷能力做核算,提供改造方案,并承诺两年收回投资,改造完成后,经过两年的运行,不仅收回投资并且略有盈余。本项目的成功为其所在公司中标三期工程提供了较大的帮助。

  2009年,江诗兵先生完成了第一三共(北京)工厂扩建工程技术指导工作,该扩建工厂为20000平米注射剂工厂,主要主导了前期设计和后期的开机调试。为避免交叉污染,制药工厂的压差控制很关键,江先生依据厂房的特点,设计了专门的新风处理机,该方案可以在过渡季节的室外空气,降低能源消耗;在配液罐的冷却系统上采用了闭式冷水系统,通过精确控温保证产品的品质。在这一个项目中,江先生作为五洲大气社工程有限公司派出的技术顾问,为项目的顺利投产做出了较大的贡献。

  进入中电四公司后,江诗兵先生在工作实践之余没有停止对洁净室节能减耗的学术研究。国家级期刊《工程建设标准化》于2022年5月曾发表了江诗兵先生的论文《数据中心空调节能设计技术措施研究》,该论文指出:现代物联网、云计算、互联网、大数据中心等现代化信息技术已成为国家经济的重要支柱。信息化的基础是数据中心,可以说没有数据中心就没有信息化的发展。决定数据中心级别的因素很多,比如容错系统、宕机时间、电源系统、区域备份等。但是数据中心的能耗PUE(新政要求小于1.3)指标无疑是需要仔细考虑的主要的因素。而PUE的考虑因数包括:IT设备的能耗,空调的能耗,供电能耗。数据中心核心机柜的散热可达2000w/m2,抵消此散热的能耗中,空调能耗占比80%以上。很显然空调能耗降低,于国于民意义重大;这部分热量主要以显热为主,通过充分的利用自然冷源、提高热交换律,能够大大减少能源消耗,降低PUE值。在数据中心的建设中,地域的选择、自然冷源的利用方式、能量的输送方式、末端盘管的排列方式是降低能耗的重要技术措施,总结各种能耗的降低措施和分析办法能够为数据中心的设计、施工、运维提供强有力的技术保证。

  能耗合理降低对企业来说就从另一方面代表着利润的增长。因此,洁净室下游相关行业企业越发重视洁净室的节能问题,这就要求洁净室设计及施工公司,从客户的真实需求出发,从设计、建造施工、设备配备及运行等每个方面进行节能减耗设计。而降低洁净室的能耗,洁净室的选址、规划、设计都是十分重要的环节。降低洁净室能量消耗的主要途径是根据所生产的产品生产的基本工艺要求,合理确定洁净室的位置、面积和恰当选择洁净度等级;合理选择净化空调系统形式,准确计算冷负荷和配置节能型设备;选用先进的,耗能低的公用动力设备、系统;合理确定洁净室建筑围护结构,选择好能降低冷(热)损失、气密性好的建材和构造等。

  2022年5月,江诗兵在国际国内双行期刊上发表了论文《半导体工厂能耗分析及建造地点对能耗的影响》,他在文中论述道:半导体洁净厂房为维持室内洁净度、温湿度和提供给生产设备的电力、超纯水、特气、化学品、压空、真空、废水废气等需要大量能源,能源主要种类以电和天然气为主。随着半导体制造技术越来越进步,和制造装置及配套设施的大型化趋势,要求的洁净室结构和面积也慢慢变得大。半导体工厂的能源消耗日趋增大,除了庞大的建厂费用,精细分析工厂的能源消耗组成以及分析在不同条件下建厂对运行的成本的节省显得更为重要。通过对上海一半导体厂的能耗分析研究,江诗兵发现生产设备装置所耗能源最大,占比52%,且与设备相关的冷热源设备(占比20%)也是耗能大户。在同样工艺,相同产能前提下,生产设备装置耗能相差甚微。因此,工厂建造地点不同,新风参数变化引起的能耗波动均会对半导体工厂能耗产生影响。

  在文章最后,他指出,半导体产业是国家战略之争,2014年国务院颁布《国家集成电路产业高质量发展推进刚要》明白准确地提出,到2020年,集成电路产业与国际领先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。到2025年,中国芯片自给率要达到70%。作为和半导体工厂节能减耗相关的配套建厂服务,怎样推动技术进步,服务国家战略是我们接下来要持之以恒去做的事情。

  今天的发展的新趋势已经表明,洁净室工程企业的技术和服务能力提升将成为未来市场之间的竞争关注的焦点。只有有着先进技术研发、自主创造新兴事物的能力的企业才能实现用户需求而得到持续发展,才能够设计和建造出既符合技术规定要求,又节能环保的高端洁净室。而能够设计制造高端洁净室的资深工程师也必然成为各国争相争取的人才(作者:李琼)。

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