程星華，李 強

（中國電子工程設(shè)計院，北京 100142）

1 引 言

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，節(jié)能環(huán)保已成為了當(dāng)今時代的發(fā)展趨勢。我國是能源緊缺型的國家，節(jié)能環(huán)保的問題是中國現(xiàn)在以及未來經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重中之重?！豆?jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中提出，到2015年，全國萬元GDP能耗下降到0.869噸標(biāo)準(zhǔn)煤（按2005年價格計算），比2010年的1.034噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降16%（比2005年的1.276噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降32%）?！笆濉逼陂g，實現(xiàn)節(jié)約能源6.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，到2015年，單位工業(yè)增加值（規(guī)模以上）能耗比2010年下降21%左右。

新型平板顯示產(chǎn)業(yè)作為新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的代表，被列為《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中加快培育和發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一。平板顯示產(chǎn)業(yè)是電子信息產(chǎn)業(yè)的支柱，其發(fā)展水平既是一個國家的科技實力的體現(xiàn)，更是一個國家綜合實力的體現(xiàn)。經(jīng)過十多年的跨越式發(fā)展，我國TFT－LCD產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從一個顯示屏完全依賴進口，發(fā)展成為一個擁有十余條生產(chǎn)線和自主知識產(chǎn)權(quán)的國家，TFT－LCD產(chǎn)業(yè)也進入了由傳統(tǒng)非晶硅（α-Si）向氧化物半導(dǎo)體（Oxide）、低溫多晶硅（LTPS）、有機發(fā)光顯示（AMOLED）等新技術(shù)轉(zhuǎn)型升級的快速發(fā)展時期。目前我國已經(jīng)建成投產(chǎn)的面板產(chǎn)線共計15條，其中包括4.5代線4條、5／5.5代線6條、6代線2條以及8.5代線3條，累計投資額達(dá)1821億元，預(yù)計2016年，我國還將建成8條面板生產(chǎn)線，累計投資額將超過3400億元。從產(chǎn)能面積來看，截止2013年底，中國大陸的面板供應(yīng)能力約2200萬平方米，預(yù)計2014年將同比增長20%，到2016年，中國大陸面板的產(chǎn)能將超過中國臺灣地區(qū)成為全球第二［1］。中國大陸平板顯示格局從無到有，從小到大，從弱變強，已經(jīng)形成了環(huán)渤海、長三角、珠三角、中西部四大生產(chǎn)基地。隨著平板顯示產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，建設(shè)低碳、節(jié)能、環(huán)保的綠色工廠成為國內(nèi)外面板廠商追求的目標(biāo)。

2 TFT-LCD工廠能源消耗特點及構(gòu)成

TFT－LCD面板項目屬于資金密集、技術(shù)密集的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，屬于精密電子器件加工制造。生產(chǎn)工序通常包括陣列制程、彩膜制程、成盒制程、模組制程，近年來新建的工廠有些還包括觸摸屏制程、OLED有機蒸鍍制程等。TFT－LCD面板生產(chǎn)過程對環(huán)境的溫濕度控制和凈化要求非常高，對于水、電、氣的消耗量也較大，具有投資規(guī)模大、廠房體量大、工藝流程復(fù)雜、自動化程度高、廠務(wù)系統(tǒng)復(fù)雜、能源及耗能工質(zhì)種類多、污染物種類多、排放量較大等特點。以建設(shè)一條月產(chǎn)能為100kSheet的8.5代TFT－LCD面板生產(chǎn)線為例，投資金額超過250億元，年運行耗電量超過10億度，年耗水量超過800萬噸，年耗天然氣近300萬立方米，年綜合能耗（當(dāng)量值）約為20萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，綜合能耗（等價值）約為40萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。盡管TFT－LCD行業(yè)不像石化、冶金、鋼鐵、水泥等行業(yè)耗能巨大，但在電子行業(yè)屬于耗能大戶，因此分析TFT－LCD項目能源消耗特點、優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)，通過采取先進、合理的節(jié)能措施，達(dá)到節(jié)能降耗、降低運行成本的目的，對于建設(shè)綠色工廠、節(jié)約社會能源資源有著重要意義。

表1 8.5代TFT-LCD工廠主要經(jīng)濟及能耗指標(biāo)Tab.1 Main economic and energy consumption indicators of G 8.5TFT－LCD factory

TFT－LCD項目消耗的外購能源［2］通常包括電力、天然氣、熱力（市政蒸汽或熱水），外購耗能工質(zhì)［2－3］主要包括新鮮水（或市政再生水）、氮氣、氫氣、氧氣、氬氣、氦氣等，企業(yè)自制的耗能工質(zhì)包括純水、壓縮空氣、工藝真空、清掃真空、冷卻循環(huán)水等。其中企業(yè)自制的耗能工質(zhì)按其加工轉(zhuǎn)換所消耗的能源已計入綜合能耗［3］，不再列入耗能工質(zhì)折標(biāo)煤計算。

表2 TFT-LCD工廠消耗的主要能源／耗能工質(zhì)種類及用途Tab.2 Types and purposes of main energy＆energyconsumed medium of TFT－LCD factory

在所有消耗的能源和耗能工質(zhì)中，電力是TFT－LCD項目消耗量最大的能源，一條月產(chǎn)能為100kSheet的8.5代線，年綜合能源消費量年耗電量超過10億度，按電力等價折標(biāo)系數(shù)折算，約占項目綜合能耗的75%以上。電力消耗主要用于工藝設(shè)備、動力設(shè)備、消防設(shè)施、照明、以及損耗等。其次，氮氣是TFT－LCD項目消耗的主要耗能工質(zhì)，折標(biāo)準(zhǔn)煤后，約占綜合能耗比例20%，這主要是生產(chǎn)工藝的加工需求所致，氮氣作為保護氣體、反應(yīng)氣體及載氣，消耗量相對較大，若生產(chǎn)技術(shù)包含有機蒸鍍OLED工序，則氮氣消耗比例將更大。主要能源及耗能工質(zhì)消耗占比見圖1所示。

圖1 TFT－LCD工廠能源及耗能工質(zhì)消耗占比Fig.1 Proportion of energy＆ energy－consumed medium of TFT－LCD factory

3 TFT-LCD工廠能源消耗及平衡分析

TFT－LCD項目生產(chǎn)工藝與半導(dǎo)體IC項目相似，工藝制程精密度高，器件加工線寬通常為3μm；潔凈度等級高，控制粒徑一般為0.3μm（LTPS工藝需達(dá)到0.1μm），主體環(huán)境為3.5級／4.5級，局部區(qū)域達(dá)到2.5級。由于 TFTLCD為玻璃表面加工工藝，隨著產(chǎn)線進入高世代和玻璃基板尺寸的加大，生產(chǎn)廠房體量更大，自動化程度更高，大宗氣體、特氣、化學(xué)品使用量增大，廢水、廢液、廢氣的排放量也大幅度增加。為保障工藝生產(chǎn)正常運行，圍繞生產(chǎn)工藝環(huán)境要求和動力品質(zhì)需求配套的輔助生產(chǎn)設(shè)施系統(tǒng)（廠務(wù)系統(tǒng)）是一個復(fù)雜龐大的系統(tǒng)工程，通常包括一般機電給排水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、生產(chǎn)廢水處理系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、采暖空調(diào)凈化系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、冷熱水供應(yīng)系統(tǒng)、壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)、大宗氣體供應(yīng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、柴油供應(yīng)系統(tǒng)、天然氣供應(yīng)系統(tǒng)、特種氣體供應(yīng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、化學(xué)品存儲與分配系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。

TFT－LCD項目能源需求供應(yīng)關(guān)系以及能量平衡和流向分析是此類項目能源消耗及節(jié)能分析的重點［4］，圖2是此類項目各體系之間的能量平衡關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖，從中可以捋清能源需求的因果關(guān)系，并找到影響用能量的核心和制約因素?？梢钥闯觯に囋O(shè)備的直接動力用量及種類需求（包括污染物排放）以及與生產(chǎn)設(shè)備相關(guān)的參數(shù)（包括需要系數(shù)、負(fù)荷系數(shù)、運行時間等）是各廠務(wù)系統(tǒng)設(shè)計的前提，此外為保障工藝生產(chǎn)環(huán)境，其潔凈室溫濕度及潔凈度要求、設(shè)備散熱等是空調(diào)凈化系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素。在上述工藝條件基礎(chǔ)上，各廠務(wù)系統(tǒng)自身系統(tǒng)選型和配置也成為下游專業(yè)設(shè)計的前提，環(huán)環(huán)相扣、息息相關(guān)，上游專業(yè)的保守用量估算和層層放大都將會影響如動力專業(yè)、電專業(yè)等系統(tǒng)配置的冗余。雖然對工廠正常運行能源消耗量影響不大，但可能產(chǎn)生對項目初始建設(shè)投資的增加。因此科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇_定各體系用量及參數(shù)，合理采取節(jié)能措施，是TFT－LCD項目節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

圖2 TFT－LCD工廠全廠能量平衡關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Energy balance interrelationship of TFT－LCD factory

3.1 電力消耗及平衡分析

電力是TFT－LCD工廠能源消耗大頭，約占全廠綜合能耗的75%以上，企業(yè)年繳電費近10億元。分析電力消耗特點并找出核心耗電工序和耗電設(shè)備，是降低能耗的突破口。按工廠各生產(chǎn)部門的電力消耗分析，工藝生產(chǎn)設(shè)備的電力消耗約占全廠用電的45%～50%，廠務(wù)系統(tǒng)約占總用電的50%～55%，其中動力設(shè)備占約40%，照明及輸變電損耗共計約占全廠用電的1%。如圖3所示。根據(jù)TFT－LCD項目生產(chǎn)特點，工藝生產(chǎn)設(shè)備實行全年365天晝夜連續(xù)生產(chǎn)的工作制度，因此，為其配套的生產(chǎn)環(huán)境、輔助動力設(shè)施也要滿足全年不間斷運行，由于生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度要求較高，大面積的3.5級和4.5級凈化區(qū)域，最高為2.5級凈化，潔凈面積近20萬平方米，其恒溫恒濕的環(huán)境要求及凈化要求，對于冷熱量有較大的需求，此外，大量動力供應(yīng)需求，導(dǎo)致制冷空調(diào)及動力等公用設(shè)施的耗電占比較高。

圖3 TFT－LCD工廠電力消耗分布圖Fig.3 Power consumption distribution of TFTLCD factory

在所有工藝設(shè)備用電中，陣列工序是最主要的工藝耗能工序。TFT－LCD生產(chǎn)線通常是由同類設(shè)備組成的設(shè)備組完成相應(yīng)工序，由于每類設(shè)備數(shù)量配置由單臺設(shè)備加工能力決定，因此各類設(shè)備數(shù)量不盡相同，導(dǎo)致設(shè)備組的耗能情況與單臺設(shè)備能耗情況不完全一致，且設(shè)備組能耗分析對優(yōu)化設(shè)備參數(shù)、降低工序能耗更具實際指導(dǎo)作用。如圖4所示，設(shè)備組中耗電量最高的依次為Dry Etch、PECVD、Photo，這3類設(shè)備占了陣列工序耗電量的50%。若考慮單臺設(shè)備耗電，金屬Sputter耗電量最高。

圖4 陣列工序同類設(shè)備組耗電量分布情況Fig.4 Power consumption by array EQ total of array

由于TFT－LCD產(chǎn)業(yè)涉及半導(dǎo)體、光學(xué)、微電子、化學(xué)材料、精密機械等眾多高科技領(lǐng)域，產(chǎn)品技術(shù)和工藝水平要求較高，面板工藝技術(shù)約60%都固化到設(shè)備中，而目前大型TFT－LCD設(shè)備制造主要由日本、美國、韓國的少數(shù)廠商壟斷。因此，從工藝設(shè)備節(jié)電空間來看，雖然程度有限，但依然可以根據(jù)分析主要耗能設(shè)備，對設(shè)備廠商提出節(jié)能需求，促進技術(shù)革新。此外企業(yè)可以通過縮短工藝節(jié)拍（Tact Time）、提高設(shè)備稼動率來實現(xiàn)產(chǎn)能提高，從而降低單位產(chǎn)品的能耗。

動力設(shè)備中主要耗能設(shè)備包括冷水機組、空壓機組、風(fēng)機、水泵、空調(diào)機組、鍋爐等，設(shè)備選型及配置時需選擇低能耗的設(shè)備。所選設(shè)備能效值應(yīng)滿足國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)能效限定值、能源效率等級、或節(jié)能評價值。此外，工廠設(shè)計所采用的電力變壓器及配電變壓器均須達(dá)到現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的2級及以上能效等級［5］。

圖5 TFT－LCD工廠電力平衡及流向示意圖Fig.5 Power balance and flow chart of TFT－LCD factory

TFT－LCD項目電力平衡及流向分析如圖5所示。

3.2 熱力消耗及平衡分析

由電力消耗特點分析可知，由于潔凈環(huán)境及相關(guān)冷熱量負(fù)荷需求較大，導(dǎo)致TFT－LCD項目動力設(shè)備和暖通空調(diào)設(shè)備耗電量較大。

TFT－LCD項目冷源通常包括低溫冷源和中溫冷源，低溫冷源為7／14℃冷水，由低溫冷凍水系統(tǒng)提供，主要用于新風(fēng)機組二級冷水盤管、一般降溫空調(diào)機組冷盤管；中溫冷源為14／21℃冷水，由中溫冷凍水系統(tǒng)提供，主要用于潔凈區(qū)內(nèi)干式冷盤管（DDC）、新風(fēng)機組一級冷盤管、潔凈室循環(huán)機組的冷盤管，以及配變電間等空調(diào)系統(tǒng)的冷盤管；此外中溫冷源還用于工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、空壓系統(tǒng)的冷卻。

熱源通常包括低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩础５蜏責(zé)嵩礊?6／26℃的熱水，由壓縮空氣機組熱回收、冷水機組熱回收供應(yīng)，或市政熱源（通常作為補充熱源）；主要用于潔凈室新風(fēng)機組加熱段（過渡季、冬季）、非潔凈區(qū)空調(diào)（冬季）加熱、以及純水制備過程中原水加熱。高溫?zé)嵩礊?0／60℃的熱水，由市政熱水（或市政蒸汽換熱）、燃?xì)忮仩t供應(yīng)；主要用于采暖。

TFT－LCD項目熱力平衡及流向分析如圖6所示。

圖6 TFT－LCD工廠熱力平衡及流向示意圖Fig.6 Heat balance and flow chart of TFT－LCD factory

目前，系統(tǒng)設(shè)計時通常采用空壓機組熱回收和冷水機組熱回收等措施實現(xiàn)減少對市政熱力的需求?？諌簷C組負(fù)荷一年四季比較穩(wěn)定［6］，其回收熱量優(yōu)先利用，冷水機組負(fù)荷季節(jié)差異比較大，通常作為壓縮空氣機組壓縮熱回收、純水系統(tǒng)熱回收補充備用。此外，TFT－LCD工廠冷熱源系統(tǒng)設(shè)計中冷凍水供應(yīng)中低溫系統(tǒng)分開設(shè)置、冷凍水及冷卻水采用大溫差、自由冷卻等節(jié)能措施，也實現(xiàn)了較好的節(jié)能效果［7］。

3.3 水量消耗及平衡分析

月產(chǎn)能為100kSheet的8.5代TFT－LCD生產(chǎn)線日用水量近3萬噸／天，雖然新鮮水折標(biāo)準(zhǔn)煤后僅占全廠綜合能耗的0.2%，但在電子行業(yè)中屬于水資源消耗量較大的項目，節(jié)約用水、提高水的重復(fù)利用率，是此類項目節(jié)能關(guān)注的重點。TFT－LCD項目供水系統(tǒng)通常包括主要包括工藝用水、生活用水及輔助系統(tǒng)用水等，水源通常取自市政自來水管網(wǎng)，給水系統(tǒng)通常分為一般機電給水系統(tǒng)，包括加壓生活給水系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)、冷凝水回收系統(tǒng)、動力用冷卻循環(huán)水系統(tǒng)等；純水系統(tǒng)，包括動力設(shè)備用RO水、超純水供給工藝設(shè)備生產(chǎn)及化學(xué)品配置、純水回收及回用系統(tǒng)；工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；以及消防給水系統(tǒng)。圖7示意了一般TFT－LCD項目用水平衡圖。

圖7 TFT－LCD工廠水量平衡及流向示意圖Fig.7 Water balance interrelationship of TFT－LCD factory

3.4 天然氣及氮氣消耗及平衡分析

在TFT－LCD項目綜合能耗中，天然氣折標(biāo)準(zhǔn)煤比例不到1%，主要用于生產(chǎn)廢氣處理系統(tǒng)設(shè)備、燃?xì)忮仩t、以及職工食堂。

氮氣是TFT－LCD項目消耗量最大的耗能工質(zhì)，主要用于生產(chǎn)過程中保護氣體、反應(yīng)氣體、載氣、以及破真空氣體。

天然氣和氮氣的流向分析如圖8所示。

圖8 TFT－LCD工廠天然氣及氮氣平衡及流向示意圖Fig.8 Nature gas and Nitrogen balance and flow chart of TFT－LCD factory

4 TFT-LCD項目先進性評價能耗指標(biāo)

能效水平或能耗指標(biāo)是評價一個企業(yè)、項目或產(chǎn)品是否先進、是否節(jié)能的關(guān)鍵指標(biāo)。與國內(nèi)外同行業(yè)先進企業(yè)進行能效指標(biāo)對標(biāo)分析，是提高企業(yè)能源利用率、降低運行成本、提升經(jīng)濟效益和競爭力的有效手段［8］。

雖然我國TFT－LCD產(chǎn)業(yè)發(fā)展日趨成熟，但企業(yè)運行數(shù)據(jù)和能耗指標(biāo)基本屬于商業(yè)機密，較難獲得也不宜對外公開。目前國家也尚未發(fā)布有關(guān)TFT－LCD行業(yè)能耗限額有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［9］。

隨著我國關(guān)于固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估的開展，目前全國有部分地區(qū)如北京、上海、南京等城市公布了產(chǎn)業(yè)／行業(yè)能效指南［10－12］，對“電子器件制造”行業(yè)提出了參考指標(biāo)，由于TFT－LCD項目的先進性和特殊性，上述指南中指標(biāo)對此類項目基本不能起到較好的對標(biāo)作用。根據(jù)TFTLCD面板項目的生產(chǎn)特點，以及我院在顯示行業(yè)多年的設(shè)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)和產(chǎn)線調(diào)研結(jié)果，總結(jié)確立了評價TFT－LCD項目部分能效指標(biāo)評價體系及先進水平參考值。主要包括單位玻璃基板電耗、單位玻璃基板水耗、單位玻璃基板綜合能耗、單位產(chǎn)值能耗、單位工業(yè)增加值能耗。

通常評價產(chǎn)品能效水平采用單位產(chǎn)品能耗，而TFT－LCD項目是以大片玻璃基板為原材料，根據(jù)產(chǎn)線世代和產(chǎn)品定位切割不同尺寸的顯示產(chǎn)品。即使相同的世代線，技術(shù)路線相同，由于其市場定位和產(chǎn)品方案不同，其最終生產(chǎn)的產(chǎn)品（模組）數(shù)量是不同的。因此為建立可比較的評價體系，TFT－LCD等平板顯示項目分析單位產(chǎn)品綜合能耗時，不以最終的產(chǎn)品數(shù)量為基準(zhǔn)，而以年玻璃基板投入量即玻璃基板面積為基準(zhǔn)，進行對標(biāo)分析。表3總結(jié)出了目前國內(nèi)TFT－LCD項目（α-Si，4次光刻）較為先進的能耗指標(biāo)，可供此類項目節(jié)能評估和企業(yè)對標(biāo)參考。

表3 TFT-LCD工廠主要能耗指標(biāo)Tab.3 Main energy consumption indicators of TFT－LCD factory

由于不同項目技術(shù)路線不同、生產(chǎn)工序不同，其能效水平的對標(biāo)基準(zhǔn)會有所不同，因此用能耗指標(biāo)進行先進性評價時需要綜合考慮差異因素盡量折算成相同基準(zhǔn)進行比較分析。

5 結(jié) 論

TFT－LCD面板項目屬于高耗能產(chǎn)業(yè)，降低項目能源消耗，提高能源利用率對節(jié)約社會資源，降低企業(yè)運營成本有著重要意義。目前國內(nèi)外還鮮有相關(guān)文章分析此類項目能源消耗特點，本文通過總結(jié)分析TFT－LCD項目能源消費結(jié)構(gòu)和用能特點，找出重點耗能環(huán)節(jié)和耗能設(shè)備以及影響能耗的關(guān)鍵因素，提出能耗指標(biāo)國內(nèi)先進水平參考值。分析結(jié)果表明：電力是TFT－LCD項目消耗量最大的能源，約占全廠綜合能耗的75%以上，其中工藝生產(chǎn)設(shè)備電力消耗約占全廠用電的45%～50%，陣列為最主要的工藝耗能工序，廠務(wù)系統(tǒng)中冷水機組等動力設(shè)備是主要耗能設(shè)備；氮氣是消耗量最大的耗能工質(zhì)，約占全廠綜合能耗的20%。項目設(shè)計、建設(shè)及運營過程可以針對主要用能環(huán)節(jié)和設(shè)備有的放矢的采取科學(xué)、合理、可行的節(jié)能措施和節(jié)能工程，或?qū)扔许椖窟M行能源消費結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而降低能耗和運營成本，對節(jié)約社會能源資源，實現(xiàn)地區(qū)節(jié)能目標(biāo)，提升企業(yè)產(chǎn)品競爭力具有積極意義。

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［11］上海市經(jīng)濟和信息化委員會.上海產(chǎn)業(yè)能效指南（2011版）［EN／OL］.2011.http：／／www.sheitc.gov.cn／cynxzn／653848.htm Shanghai Municipal Commission of Economy and Information Technology.Shanghai industrial energy efficiency guidelines（Version 2011）［EN／OL］.2011.http：／／www.sheitc.gov.cn／cynxzn／653848.htm.（in Chinese）

［12］南京市政府辦公廳.關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)市發(fā)改委南京市固定資產(chǎn)節(jié)能評估行業(yè)能效指南的通知［EB／OL］.寧政辦發(fā)〔2013〕19號，2013，http：／／www.nanjing.gov.cn／njgov／xxgk／zfgb＿1／1303／130305／201304／t20130412＿779969.html.Nanjing Municipal Government Office.Announcement about retransmission of the fixed assets energy－saving energy efficiency assessment industry guidelines issued by nanjing municipal commission of development ＆ reform［EB／OL］.［2013］19，2013，http：／／www.nanjing.gov.cn／njgov／xxgk／zfgb＿1／1303／130305／201304／t20130412＿779969.html.（in Chinese）