学术研究丨在高科技产业中整合冷冻水和供应空气的分配以实现节能型洁净室：一种需求响应方法

论文解读

洁净室对于能源密集型的半导体产业至关重要，其中精密的空调系统虽必不可少，却消耗大量能源。一个关键的低效问题源于冷冻水与送风系统独立运行，各自存在冗余，可通过协调来减少。本研究提出并量化了采用需求响应方法整合这些系统的节能潜力。提出了四种方案，即单泵定流量（SC）、单泵变流量（SV）、两级直供泵（TD）和两级换热（TH），并利用基于 Modelica 的仿真进行了验证。基于中国合肥的先进配置和气候条件，分析了它们的能源性能。开发了一种新颖的协调变频控制方法，用于在变负荷下整合冷冻水与送风系统，增强了需求响应能力。结果显示，SV 和 TD 方案使空调系统总能耗分别降低了 11.5% 和 0.8，对于一个 5000 平方米的洁净室，每季节分别节省 775,000 kWh 和 55,000 kWh 的电能。此外，通过优化风机与水泵的功率比，协调的风机-水泵控制在部分负荷下实现了循环系统高达 73.6% 的节能。这些发现强调了集成控制策略在优化洁净室运行能效方面的至关重要性。该成果发表在中科院一区期刊《Energy》，影响因子为9.4，论文第一作者为课题组在读博士生郭炜辰，指导老师为叶蔚副教授。

研究背景

随着人工智能和电子设备（如计算机、智能手机、电视）需求的增长，半导体等高科技产业迅速发展。与传统产业不同，高科技产业的生产过程需要严格的环境控制，包括稳定的室内温湿度和严格的洁净度标准，因此洁净室被广泛应用。然而，洁净室是高度能源密集型的，据估计，2021年全球洁净室总能耗接近1000亿千瓦时，且呈持续上升趋势。空调系统是维持洁净室环境条件的关键，其能耗占比高达30%至75%。

现有研究表明，组合式新风机组（MAU）、风机过滤单元（FFU）和干式冷却盘管（DCC）是半导体洁净室最常用的配置，且该系统展现出优越的节能性能。作为洁净室空调系统的重要能耗组成部分，冷站受到了研究者的广泛关注。研究主要集中在解决冷热抵消问题和提高冷水机组效率两方面。然而，针对冷冻水和送风分配系统的节能研究仍然不足，限制了洁净室空调系统效率的进一步提升。经验研究表明，送风分配系统（风机）能耗占空调系统总能耗的25.3%至46.6%，冷冻水分配系统（水泵）占10%至28%。这表明分配系统能耗在半导体制造设施的HVAC系统中占据突出地位，是其区别于其他应用场景HVAC系统的最显著特征之一，具有巨大的节能潜力。

当前，洁净室风机能耗占比远高于典型商业和公共建筑，原因在于高换气次数（ACH）和多级过滤造成的巨大气流阻力。部分研究尝试通过优化气流路径或降低换气次数来节能。同时，大型空调系统中的冷冻水泵仍广泛依赖单速启停控制，无法适应负荷变化，导致旁通流和阀门节流造成显著能源浪费。变频泵技术可有效提升部分负荷下的需求响应能力，但当前研究多仅关注泵系统本身，忽略了其对末端换热器和冷水机组效率的影响。此外，从整体角度出发，将冷冻水系统与送风分配系统进行集成协调控制的研究尚属罕见。因此，对半导体设施的空气和水分配系统进行全面运行能耗分析，并建立需求响应控制框架以提升系统整体节能效果，显得尤为迫切。

研究结果

总而言之，本研究通过整合冷冻水与送风分配系统，开发了一种基于需求响应的高效空调分配系统。比较了四种水泵方案的能耗和运行性能，并探讨了协调风机-水泵变频控制的温度控制能力和节能潜力。本研究的主要发现如下：

(1) 所建立的考虑了各种系统组件和动态参数的 Modelica 仿真模型，已被证明在热交换、能耗和天气条件方面具有较高的仿真精度。

(2) 在四种典型的冷冻水分配方案中，在动态需求响应条件下，与传统系统相比，SV 方案和 TD 方案分别实现了整个分配系统 11.5% 和 0.8% 的节能。同时，TH 方案消耗了更多能量。这表明增加变频驱动的使用以及减少无效流量和阻力可以带来更好的节能效果。

(3) 风机-水泵协调变频控制已被证明能够在部分负荷条件下实现需求响应控制。该方法通过适当的频率组合确保了恒定的送风温度。在部分负荷条件下，通过优化的频率组合，分配系统可实现高达 73.6% 的节能。

局限性与未来研究方向

本研究聚焦于半导体工业空调系统，通过能耗评估和协调变频方法对分配系统进行需求响应分析。然而，本研究仍存在以下局限性，值得相关领域研究者进一步探讨：

(1) 本研究仅关注夏季运行工况，未考察冬季工况下的加热和加湿需求。分配系统在冬季运行中同样面临需求响应挑战，值得进一步研究。

(2) 变初级流量系统已被证明可实现显著节能，但其应用受限于有限的输送距离。近年来，替代控制阀的末端泵系统日益普及。然而，本研究缺乏对此类技术的能耗分析，特别是考虑到协调风机-水泵变频运行在这些系统中可能展现出更显著的节能效果。

(3) 本研究主要考虑了温度控制要求，这对半导体制造确实至关重要。然而，在考察更广泛的洁净室应用时，运行需求可能更加多样化，包括正压维持、颗粒物洁净度、生物 containment 等参数。所提出的需求响应控制框架在满足这些额外要求方面的可扩展性值得进一步研究。

(4) 所提出的协调风机-水泵变频运行的需求响应控制框架仍需在实际空调系统中进行测试，以验证其在复杂环境中的运行能力。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.138770

相关图表

图10 不同温湿度独立控制空调系统下系统能耗组成

图11 不同温湿度独立控制空调系统下水泵能耗来源: (a) SC scheme, (b) SV scheme, (c) TD scheme, and (d) TH scheme