光学实验室丨南智先进光电集成技术研究院
发布时间：
2024-07-17 00:00
集萃先进光电材料与器件技术研究所（南京南智先进光电集成技术研究院有限公司），成立于2018年4月，系南京大学与南京市、南京江北新区校地共建重点项目，2021年获批建设江苏省光电技术创新中心，2023年2月成为江苏省产业技术研究院先进光电材料与器件技术研究所。
集萃先进光电所﹙南智光电﹚主要开展光学微纳结构器件制造、异质集成光电芯片、光电子封装测试和光电集成设计等方向的技术研发、产业孵化和赋能投资。
△集萃先进光电材料与器件技术研究所
（南京南智先进光电集成技术研究院）
EPC丨南京拓展科技有限公司
面积 丨3958.3 ㎡
年份 丨 2019年
有别与于一般的民用项目，南智先进光电集成技术研究院项目在工艺性上又有很高的技术要求。
本项目的关键性的技术指标在于实验室内部温度波动度的控制、降噪减震控制、实验室内部的气流组织的控制、实验室内部洁净度的控制、系统节能控制目标的实现。
01
技术考验：实现对温湿度的稳定控制
本项目中实验室内部温度控制值22.0℃，房间温度波动度要求最高的实验室为±0.3℃，相对湿度要求45-55%。为确保实验环境的稳定性，拓展科技郑重承诺，本项目中要求最高的EBL电子束光刻间温度波动实现±0.1℃的指标。
△ 空调系统示意图
在夏季高温高湿的工况下，室外高温高湿的空气通过全新风空调机组进行预处理，处理到温度13℃、湿度95%RH，控制系统根据室内温湿度情况调整电加热，将能满足室内温湿度要求的新风补进房间。在冬季低温低湿的工况下，室外低温低湿的空气通过全新风空调机组进行预处理，处理到温度20℃、湿度9%RH，再进行加湿处理。在过渡季节，室外空气通过全新风空调机组进行预处理，处理到温度20℃、湿度50%RH。经过以上处理，室内空气最后在通过末端二级精密温控单元根据实验室内部实时温度进行精密控温，最终使实验室内部的温湿度数据达到温度波动度22.0℃±0.1℃、相对湿度要求45-55%这个指标。
关于相对湿度的控制，由于相对湿度和温度有一定的关联性。当空气中含湿量固定的情况下，相对湿度随着温度的升高而下降，随着温度的降低而上升，具体情况如下图所示：
为了使相对湿度的控制更为精准，我们采用绝对含湿量的控制理念，确保机组不会因为机组温度的变化造成湿度波动而频繁的除湿加湿，控制更为精准，避免造成能量浪费。
关于如何实现温度湿度的准确控制，我们采用先进的PID的控制方式。我们整个温湿度控制系统中加入PID运算，可以提高温度测量的准确度和调节的质量，PID控制器的比例单元P、积分单元I和微分单元D对应目前误差、过去累计误差及未来误差进行调节，具有控制精度高，运行可靠稳定等特点。
PID是以它的三种纠正算法而命名。受控变数是三种算法（比例、积分、微分）相加后的结果，即为其输出，其输入为误差值（设定值减去测量值后的结果）或是由误差值衍生的信号。
通过PID算法，透过调整控制参数（比例增益、积分增益/时间、微分增益/时间）让系统达到最佳的控制效果，最终实现控制目标。
△项目中采用PID控制后的曲线
此外，技术团队还运用温度控制CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模拟，通过数值求解控制流体流动的微分方程，来模拟流体（包括空气）在特定条件下的温度分布和变化，从而实现对温度控制系统的优化和设计。
02
降噪减震：避免对实验室设备产生影响
通风空调系统中设备较多，振动程度或强或弱，一般带有转动机构的设备都需要进行减振处理。本项目采取的减振措施有以下几种：
1）空调系统设备方案
采用气垫型减振器，减震率达到95%，该种减振器由大直径螺丝固定孔、防护帽、压缩空气仓、充气嘴、防滑胶垫等组成。具有固有频率低、减振效率高、载荷大、稳定性好的特点,尤其是对固体传声的隔离有明显的效果，安装也十分方便。可以在-40～110℃的环境下正常工作。在正常工作范围内固有频率为3～5Hz，阻尼系数0.2。根据机组的重量选用相应型号及数量的减振器均匀布置在机组支架与基础之间，如果机组存在明显的偏重现象，可以根据重量调整减振器的间距与数量，以达到最佳减振效果。
△ 采用该措施后，设备实际运行过程中的减振效果
2）吊装风机减振
用吊式弹簧减震器（减震吊钩），它以金属弹簧为主，组合一定的阻尼材料，一般采用钢弹簧与橡胶串联形式组合隔振降噪元件，具有自振频率低、阻尼大、适用范围广、安装方便、对固态振动传递的隔振降噪效果明显等功能。适用于各类管道及风机盘管、新风机组、变风量空调箱、轴流风机等吊装减振。采用侧向阻尼块，加大垂向阻尼系数，提高纵向及横向钢度，保证了设备的正常安全运转。
△吊式弹簧减震器
3）管道的减振
一般与设备连接的管道有较大的管径和重量时，需在管道与设备的进出口处要设置落地支架。设计中在设备的进出口管道处都有相应的减振接管（最常见的是橡胶软接和波纹管补偿器），但是为提高减振效果，与设备相连管道的支架要采用减振支架。
△ 1管道2 橡胶圈 3弧形钢架托架 4钢架落地支架
4）高空管道吊装式减振
管道在高空中布置也采取了一定的减振措施，直管道较长时，中间考虑加装阻尼吊杆减震器，如图。安装吊架时采用槽钢支架或圆钢穿透楼板或钢架的形式，条件达不到的则采用局部加固的方法。
△ 吊装式管路减震
管道减振可更好地配合设备的减振，以减轻设备运行和流体运动所产生的对基础和支吊架的破坏，从而在防止管道共振的同时也避免了管道支架与地面、构造梁、构造柱间出现裂缝。
5）运动部件软连接减震
△ 运动部件软连接减震
运动部件与其他部件的连接处，我们采用软连接的减震方式，避免运动过程中震动传递到其他区域。
03
气流控制：确保实验室内部安全
1）有机清洗间及无机清洗间采用负压控制系统，确保实验室处于气流流入状态，避免洗消间内部气流外溢。
2）针对气流控制，提前进行CFD模拟。
04
合理组织：保证实验室的洁净度
1）安装高效过滤器
高效过滤器能够去除气体中的微粒，包括尘埃、细菌、病毒等微小颗粒，是保证实验室洁净室洁净度、防止交叉感染和疾病传播、满足实验需求的重要手段。在安装过程中，严格按照FFU及高效过滤器的安装操作要求进行施工。安装前AHU自净至少一天，确保天花龙骨及其他安装面已经调平。施工是佩戴手套，保证箱体四周挡边与过滤器完全叠合。安装时不得碰撞过滤器，防止FFU箱体碰触过滤器滤芯，FFU把手方向同意，不频繁移动FFU或过滤器，防止杂物进入风机内部。目前，拓展科技在多个项目上选用了抗菌防病毒高效过滤器，高效灭活细菌和病毒，有效抑制污染物叠加后的微生物再生。
2）选择低阻力的PTFE滤纸的高效过滤器以及高静压的送风风机
由于本项目是高大空间恒温恒湿洁净系统，所以我们选择低阻力的PTFE滤纸的高效过滤器，PTFE过滤器阻力比传统的玻璃纤维滤纸的过滤器低40%。同时我们选择高静压的送风风机，确保工作面的洁净度能够满足实验的要求。
05
节能控制：打造绿色节能实验室
研发类建筑与商业建筑不同，研发类建筑是全新风系统，所以能耗是普通商业建筑的五倍以上。实验楼总能耗中有70%左右为暖通能耗，而空调能耗的70%以上被排风系统抽走。实验室全新风系统带来的高能耗连发达国家都受不了，特别是有温湿度和洁净度要求的全新风实验环境，能耗更高。所以，实现实验室系统的节能就显得尤为重要。
为了降低能耗，打造低碳节能实验室，洗消间通风系统采用变风量系统。变风量系统主要由空气处理机组、送风系统、末端装置及自控装置等组成。其中，末端装置及自控装置是变风量系统的关键设备，它们可以接受室温调节器的指令，根据室温的高低自动调节送风量，以满足室内负荷的需求。
△ 变风量系统的能耗对比
此外，本项目还采用了精确控制系统、低阻力过滤器、绝对含湿量控制等手段，实现精确控制，有效降低风机能耗。
常规恒温恒湿控制中，在夏季及过渡季节需要除湿的工况，会对新风及回风进行混合，然后对混合后的空气降温至露点进行除湿，接下来再对除湿后的空气使用电加热进行升温，整个过程出现了极大的对冲操作，能耗非常高。随着时代的发展，出现了二次回风的节能设计，固定一次风量和二次风量的大小比，混合后的空气参数与送风点略低，在夏季的时候需要电热负荷，过渡季节需要较多电热负荷。
普通二次回风工况，在除湿工况下节能效果非常明显，比普通一次回风能节能50%以上，但是在过渡季节，经过我们计算，普通二次回风依然存在极大的能源浪费，据此我们在二次回风的基础上对系统进行优化，开发出了自适应型SAPS节能系统。
SAPS自适应节能系统引入了新风预处理及一次、二次回风比例可调节的功能，通过计算室外状态点与室内状态点之间的关系，自动调节室外新风处理、一次、二次回风的比例，这样就能从最大限度的减少能量的对冲消耗，使得除湿消耗的制冷量与实际负荷需要的制冷量处于一个比较接近的值，尽量减少或者不使用电加热，使得最终的送风状态点就是房间实际需要的状态点。
△ 三种处理方式的能耗
由此可见，特别是在高精度或者高洁净度的项目中，在整个系统需要大风量高循环的条件下，SAPS自适应节能系统的能耗非常低。通过上述措施，可有效实现节约50%以上的系统能耗。
06
技术应用：利用BIM进行优化
为了实现对实验室建设的全生命周期管理，本项目应用了BIM技术。各专业模型搭建完成之后，查找出管线所有碰撞点，导出碰撞报告，分析标高层设置，并根据检测结果对管线排布不断进行调整优化，在保证零碰撞的基础上，达到最合理的综合排布效果。
△ 建筑主体
△ 三维模型
项目部针对项目实际情况，以及其他类似项目实施的经验，提出合理的二次深化设计或优化方案。基于BIM模型辅助管线综合排布，减少冲突碰撞，优化管线布局，并出具二维施工指导图纸。
在本项目的实践中，拓展科技充分发挥在暖通自控系统领域的专业优势。在实验环境精密控制这一关键领域，我们深知责任重大，因此不断精进技术，确保实验室的温湿度、洁净度、压差平衡及抗微振等各项关键指标能够精准达成，为科研工作的顺利进行提供坚实保障。
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