光學(xué)實(shí)驗(yàn)室丨南智先進(jìn)光電集成技術(shù)研究院
發(fā)布時間：
2024-07-17 00:00
集萃先進(jìn)光電材料與器件技術(shù)研究所（南京南智先進(jìn)光電集成技術(shù)研究院有限公司），成立于2018年4月，系南京大學(xué)與南京市、南京江北新區(qū)校地共建重點(diǎn)項目，2021年獲批建設(shè)江蘇省光電技術(shù)創(chuàng)新中心，2023年2月成為江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院先進(jìn)光電材料與器件技術(shù)研究所。
集萃先進(jìn)光電所﹙南智光電﹚主要開展光學(xué)微納結(jié)構(gòu)器件制造、異質(zhì)集成光電芯片、光電子封裝測試和光電集成設(shè)計等方向的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)孵化和賦能投資。
△集萃先進(jìn)光電材料與器件技術(shù)研究所
（南京南智先進(jìn)光電集成技術(shù)研究院）
EPC丨南京拓展科技有限公司
面積 丨3958.3 ㎡
年份 丨 2019年
有別與于一般的民用項目，南智先進(jìn)光電集成技術(shù)研究院項目在工藝性上又有很高的技術(shù)要求。
本項目的關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo)在于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部溫度波動度的控制、降噪減震控制、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的氣流組織的控制、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部潔凈度的控制、系統(tǒng)節(jié)能控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
01
技術(shù)考驗(yàn)：實(shí)現(xiàn)對溫濕度的穩(wěn)定控制
本項目中實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部溫度控制值22.0℃，房間溫度波動度要求最高的實(shí)驗(yàn)室為±0.3℃，相對濕度要求45-55%。為確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性，拓展科技鄭重承諾，本項目中要求最高的EBL電子束光刻間溫度波動實(shí)現(xiàn)±0.1℃的指標(biāo)。
△ 空調(diào)系統(tǒng)示意圖
在夏季高溫高濕的工況下，室外高溫高濕的空氣通過全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行預(yù)處理，處理到溫度13℃、濕度95%RH，控制系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)溫濕度情況調(diào)整電加熱，將能滿足室內(nèi)溫濕度要求的新風(fēng)補(bǔ)進(jìn)房間。在冬季低溫低濕的工況下，室外低溫低濕的空氣通過全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行預(yù)處理，處理到溫度20℃、濕度9%RH，再進(jìn)行加濕處理。在過渡季節(jié)，室外空氣通過全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行預(yù)處理，處理到溫度20℃、濕度50%RH。經(jīng)過以上處理，室內(nèi)空氣最后在通過末端二級精密溫控單元根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部實(shí)時溫度進(jìn)行精密控溫，最終使實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的溫濕度數(shù)據(jù)達(dá)到溫度波動度22.0℃±0.1℃、相對濕度要求45-55%這個指標(biāo)。
關(guān)于相對濕度的控制，由于相對濕度和溫度有一定的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)空氣中含濕量固定的情況下，相對濕度隨著溫度的升高而下降，隨著溫度的降低而上升，具體情況如下圖所示：
為了使相對濕度的控制更為精準(zhǔn)，我們采用絕對含濕量的控制理念，確保機(jī)組不會因?yàn)闄C(jī)組溫度的變化造成濕度波動而頻繁的除濕加濕，控制更為精準(zhǔn)，避免造成能量浪費(fèi)。
關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)溫度濕度的準(zhǔn)確控制，我們采用先進(jìn)的PID的控制方式。我們整個溫濕度控制系統(tǒng)中加入PID運(yùn)算，可以提高溫度測量的準(zhǔn)確度和調(diào)節(jié)的質(zhì)量，PID控制器的比例單元P、積分單元I和微分單元D對應(yīng)目前誤差、過去累計誤差及未來誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有控制精度高，運(yùn)行可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)。
PID是以它的三種糾正算法而命名。受控變數(shù)是三種算法（比例、積分、微分）相加后的結(jié)果，即為其輸出，其輸入為誤差值（設(shè)定值減去測量值后的結(jié)果）或是由誤差值衍生的信號。
通過PID算法，透過調(diào)整控制參數(shù)（比例增益、積分增益/時間、微分增益/時間）讓系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果，最終實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。
△項目中采用PID控制后的曲線
此外，技術(shù)團(tuán)隊還運(yùn)用溫度控制CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學(xué)）模擬，通過數(shù)值求解控制流體流動的微分方程，來模擬流體（包括空氣）在特定條件下的溫度分布和變化，從而實(shí)現(xiàn)對溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化和設(shè)計。
02
降噪減震：避免對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備產(chǎn)生影響
通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)備較多，振動程度或強(qiáng)或弱，一般帶有轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)備都需要進(jìn)行減振處理。本項目采取的減振措施有以下幾種：
1）空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備方案
采用氣墊型減振器，減震率達(dá)到95%，該種減振器由大直徑螺絲固定孔、防護(hù)帽、壓縮空氣倉、充氣嘴、防滑膠墊等組成。具有固有頻率低、減振效率高、載荷大、穩(wěn)定性好的特點(diǎn),尤其是對固體傳聲的隔離有明顯的效果，安裝也十分方便。可以在-40～110℃的環(huán)境下正常工作。在正常工作范圍內(nèi)固有頻率為3～5Hz，阻尼系數(shù)0.2。根據(jù)機(jī)組的重量選用相應(yīng)型號及數(shù)量的減振器均勻布置在機(jī)組支架與基礎(chǔ)之間，如果機(jī)組存在明顯的偏重現(xiàn)象，可以根據(jù)重量調(diào)整減振器的間距與數(shù)量，以達(dá)到最佳減振效果。
△ 采用該措施后，設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中的減振效果
2）吊裝風(fēng)機(jī)減振
用吊式彈簧減震器（減震吊鉤），它以金屬彈簧為主，組合一定的阻尼材料，一般采用鋼彈簧與橡膠串聯(lián)形式組合隔振降噪元件，具有自振頻率低、阻尼大、適用范圍廣、安裝方便、對固態(tài)振動傳遞的隔振降噪效果明顯等功能。適用于各類管道及風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組、變風(fēng)量空調(diào)箱、軸流風(fēng)機(jī)等吊裝減振。采用側(cè)向阻尼塊，加大垂向阻尼系數(shù)，提高縱向及橫向鋼度，保證了設(shè)備的正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)。
△吊式彈簧減震器
3）管道的減振
一般與設(shè)備連接的管道有較大的管徑和重量時，需在管道與設(shè)備的進(jìn)出口處要設(shè)置落地支架。設(shè)計中在設(shè)備的進(jìn)出口管道處都有相應(yīng)的減振接管（最常見的是橡膠軟接和波紋管補(bǔ)償器），但是為提高減振效果，與設(shè)備相連管道的支架要采用減振支架。
△ 1管道2 橡膠圈 3弧形鋼架托架 4鋼架落地支架
4）高空管道吊裝式減振
管道在高空中布置也采取了一定的減振措施，直管道較長時，中間考慮加裝阻尼吊桿減震器，如圖。安裝吊架時采用槽鋼支架或圓鋼穿透樓板或鋼架的形式，條件達(dá)不到的則采用局部加固的方法。
△ 吊裝式管路減震
管道減振可更好地配合設(shè)備的減振，以減輕設(shè)備運(yùn)行和流體運(yùn)動所產(chǎn)生的對基礎(chǔ)和支吊架的破壞，從而在防止管道共振的同時也避免了管道支架與地面、構(gòu)造梁、構(gòu)造柱間出現(xiàn)裂縫。
5）運(yùn)動部件軟連接減震
△ 運(yùn)動部件軟連接減震
運(yùn)動部件與其他部件的連接處，我們采用軟連接的減震方式，避免運(yùn)動過程中震動傳遞到其他區(qū)域。
03
氣流控制：確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部安全
1）有機(jī)清洗間及無機(jī)清洗間采用負(fù)壓控制系統(tǒng)，確保實(shí)驗(yàn)室處于氣流流入狀態(tài)，避免洗消間內(nèi)部氣流外溢。
2）針對氣流控制，提前進(jìn)行CFD模擬。
04
合理組織：保證實(shí)驗(yàn)室的潔凈度
1）安裝高效過濾器
高效過濾器能夠去除氣體中的微粒，包括塵埃、細(xì)菌、病毒等微小顆粒，是保證實(shí)驗(yàn)室潔凈室潔凈度、防止交叉感染和疾病傳播、滿足實(shí)驗(yàn)需求的重要手段。在安裝過程中，嚴(yán)格按照FFU及高效過濾器的安裝操作要求進(jìn)行施工。安裝前AHU自凈至少一天，確保天花龍骨及其他安裝面已經(jīng)調(diào)平。施工是佩戴手套，保證箱體四周擋邊與過濾器完全疊合。安裝時不得碰撞過濾器，防止FFU箱體碰觸過濾器濾芯，F(xiàn)FU把手方向同意，不頻繁移動FFU或過濾器，防止雜物進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部。目前，拓展科技在多個項目上選用了抗菌防病毒高效過濾器，高效滅活細(xì)菌和病毒，有效抑制污染物疊加后的微生物再生。
2）選擇低阻力的PTFE濾紙的高效過濾器以及高靜壓的送風(fēng)風(fēng)機(jī)
由于本項目是高大空間恒溫恒濕潔凈系統(tǒng)，所以我們選擇低阻力的PTFE濾紙的高效過濾器，PTFE過濾器阻力比傳統(tǒng)的玻璃纖維濾紙的過濾器低40%。同時我們選擇高靜壓的送風(fēng)風(fēng)機(jī)，確保工作面的潔凈度能夠滿足實(shí)驗(yàn)的要求。
05
節(jié)能控制：打造綠色節(jié)能實(shí)驗(yàn)室
研發(fā)類建筑與商業(yè)建筑不同，研發(fā)類建筑是全新風(fēng)系統(tǒng)，所以能耗是普通商業(yè)建筑的五倍以上。實(shí)驗(yàn)樓總能耗中有70%左右為暖通能耗，而空調(diào)能耗的70%以上被排風(fēng)系統(tǒng)抽走。實(shí)驗(yàn)室全新風(fēng)系統(tǒng)帶來的高能耗連發(fā)達(dá)國家都受不了，特別是有溫濕度和潔凈度要求的全新風(fēng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能耗更高。所以，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的節(jié)能就顯得尤為重要。
為了降低能耗，打造低碳節(jié)能實(shí)驗(yàn)室，洗消間通風(fēng)系統(tǒng)采用變風(fēng)量系統(tǒng)。變風(fēng)量系統(tǒng)主要由空氣處理機(jī)組、送風(fēng)系統(tǒng)、末端裝置及自控裝置等組成。其中，末端裝置及自控裝置是變風(fēng)量系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它們可以接受室溫調(diào)節(jié)器的指令，根據(jù)室溫的高低自動調(diào)節(jié)送風(fēng)量，以滿足室內(nèi)負(fù)荷的需求。
△ 變風(fēng)量系統(tǒng)的能耗對比
此外，本項目還采用了精確控制系統(tǒng)、低阻力過濾器、絕對含濕量控制等手段，實(shí)現(xiàn)精確控制，有效降低風(fēng)機(jī)能耗。
常規(guī)恒溫恒濕控制中，在夏季及過渡季節(jié)需要除濕的工況，會對新風(fēng)及回風(fēng)進(jìn)行混合，然后對混合后的空氣降溫至露點(diǎn)進(jìn)行除濕，接下來再對除濕后的空氣使用電加熱進(jìn)行升溫，整個過程出現(xiàn)了極大的對沖操作，能耗非常高。隨著時代的發(fā)展，出現(xiàn)了二次回風(fēng)的節(jié)能設(shè)計，固定一次風(fēng)量和二次風(fēng)量的大小比，混合后的空氣參數(shù)與送風(fēng)點(diǎn)略低，在夏季的時候需要電熱負(fù)荷，過渡季節(jié)需要較多電熱負(fù)荷。
普通二次回風(fēng)工況，在除濕工況下節(jié)能效果非常明顯，比普通一次回風(fēng)能節(jié)能50%以上，但是在過渡季節(jié)，經(jīng)過我們計算，普通二次回風(fēng)依然存在極大的能源浪費(fèi)，據(jù)此我們在二次回風(fēng)的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)出了自適應(yīng)型SAPS節(jié)能系統(tǒng)。
SAPS自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)引入了新風(fēng)預(yù)處理及一次、二次回風(fēng)比例可調(diào)節(jié)的功能，通過計算室外狀態(tài)點(diǎn)與室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)之間的關(guān)系，自動調(diào)節(jié)室外新風(fēng)處理、一次、二次回風(fēng)的比例，這樣就能從最大限度的減少能量的對沖消耗，使得除濕消耗的制冷量與實(shí)際負(fù)荷需要的制冷量處于一個比較接近的值，盡量減少或者不使用電加熱，使得最終的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)就是房間實(shí)際需要的狀態(tài)點(diǎn)。
△ 三種處理方式的能耗
由此可見，特別是在高精度或者高潔凈度的項目中，在整個系統(tǒng)需要大風(fēng)量高循環(huán)的條件下，SAPS自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)的能耗非常低。通過上述措施，可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)約50%以上的系統(tǒng)能耗。
06
技術(shù)應(yīng)用：利用BIM進(jìn)行優(yōu)化
為了實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的全生命周期管理，本項目應(yīng)用了BIM技術(shù)。各專業(yè)模型搭建完成之后，查找出管線所有碰撞點(diǎn)，導(dǎo)出碰撞報告，分析標(biāo)高層設(shè)置，并根據(jù)檢測結(jié)果對管線排布不斷進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，在保證零碰撞的基礎(chǔ)上，達(dá)到最合理的綜合排布效果。
△ 建筑主體
△ 三維模型
項目部針對項目實(shí)際情況，以及其他類似項目實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，提出合理的二次深化設(shè)計或優(yōu)化方案。基于BIM模型輔助管線綜合排布，減少沖突碰撞，優(yōu)化管線布局，并出具二維施工指導(dǎo)圖紙。
在本項目的實(shí)踐中，拓展科技充分發(fā)揮在暖通自控系統(tǒng)領(lǐng)域的專業(yè)優(yōu)勢。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境精密控制這一關(guān)鍵領(lǐng)域，我們深知責(zé)任重大，因此不斷精進(jìn)技術(shù)，確保實(shí)驗(yàn)室的溫濕度、潔凈度、壓差平衡及抗微振等各項關(guān)鍵指標(biāo)能夠精準(zhǔn)達(dá)成，為科研工作的順利進(jìn)行提供堅實(shí)保障。
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致力于成為中國實(shí)驗(yàn)室建設(shè)領(lǐng)域的引領(lǐng)者
