微電子潔凈室設(shè)計裝修如何更好煙控
微電子潔凈室設(shè)計裝修如何更好煙控
一、微電子潔凈室為何要煙控
微電子潔凈室設(shè)計多向高樓層發(fā)展，微電子潔凈室裝修高智慧的技術(shù)人力及昂貴的設(shè)備機臺集中在廠房內(nèi)，萬一發(fā)生火災(zāi)意外，損失將數(shù)十倍于一般工廠。此外，高科技潔凈室廠房內(nèi)使用許多的易爆性與易燃性氣體，例如 SiH4、H2、PH3等，更增加廠房內(nèi)的潛在危險，若無適當?shù)膶Σ吲c措施，因此，為了降低火災(zāi)發(fā)生時人員的傷亡與財物的損失，必須對建筑物進行煙流控制，這一點新加坡已強制規(guī)定執(zhí)行，而在鄰近的日本、大陸或香港也有類似煙流控制法規(guī)，其目的都是在降低火災(zāi)發(fā)生時，高溫煙流對員工性命及設(shè)備污染的傷害。
二、國內(nèi)現(xiàn)有防排煙模式分析
國內(nèi)目前現(xiàn)有之潔凈室煙控模式共有四種，如圖一所示。其中，圖一 (一) 的煙控設(shè)計原理，就是利用在潔凈室下層回風(fēng)區(qū)（Return Air Plenum，簡稱 RAP，有些廠則稱之為 Sub-FAB）的一般排氣風(fēng)管（General Exhaust，簡稱 GE），在其上安裝閘門，平時此閘門為關(guān)閉狀態(tài)，以維持一般排氣的運作，若遇潔凈室或潔凈室下層回風(fēng)區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，則打開閘門以進行排煙。此設(shè)計必須有兩個假設(shè)成立才能發(fā)揮其功效，第一個假設(shè)為：若火災(zāi)發(fā)生于潔凈室中，則潔凈室上方的 FFU（或 HEPA、ULPA）下吹垂直層流速度必須大過火災(zāi)煙塵向上升的速度，才能壓制潔凈室火災(zāi)產(chǎn)生的煙塵，將其導(dǎo)引向下至下層回風(fēng)區(qū)中，然后經(jīng)由排氣風(fēng)管打開的閘門抽走。第二個假設(shè)為：若火災(zāi)發(fā)生于下層回風(fēng)區(qū)中，則上升的煙塵會蓄積于下層回風(fēng)區(qū)的上部（高架地板以下），讓煙塵由排氣風(fēng)管打開的閘門抽走。
然而上述兩種假設(shè)在現(xiàn)實狀況中皆很難成立，因為從潔凈室天花板下吹的垂直層流速度在 0.25-0.5 m/s 左右，而火災(zāi)的熱釋放率只要大于 3 kW，煙塵的向上速度就會大于 0.5 m/s（3 kW 的火算是很小的火），然后煙塵會在上方蓄積形成蓄煙層，此時從潔凈室天花板下吹的氣流只會造成煙塵更迅速的擴散，產(chǎn)生更大的危害。另外，如果煙塵的溫度過高，則 HEAP 或 ULPA 這類濾層有可能被燒穿，使得煙塵危害更形雪上加霜，故而第一種假設(shè)無法成立。其次為蓄煙的問題，高架地板因為有開洞板的關(guān)系，會使得下層回風(fēng)區(qū)火災(zāi)所產(chǎn)生的煙塵穿過開洞板，向上進入潔凈室中而無法在高架地板下蓄積，使得排煙點的有效排煙范圍限于于排煙閘門周圍附近，因此只能抽取到少量的煙塵，故第二種假設(shè)亦難成立。一般而言，此類設(shè)計模式常見于老舊廠房的潔凈室中，主要是因為從前的半導(dǎo)體廠在建立時極少會考慮到煙控系統(tǒng)，后來因為需要，只好在一般排氣風(fēng)管上開洞，在加裝控制閘門后做為排煙之用，如此對原來的設(shè)備及廠務(wù)系統(tǒng)影響相當少。
利用一般排氣風(fēng)管做為排煙系統(tǒng)亦有些問題需要考慮，如管路是否耐高溫？排煙量是否足夠？風(fēng)機是否為排煙風(fēng)機？（依照 NFPA 130 標準，排煙風(fēng)機須耐 250℃高溫達 1 小時）閘門是否為防煙閘門？其泄漏量為 UL 555S 的何種等級？系統(tǒng)如何控制及可靠度問題？（若控制越復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠度越低）故建議使用專用的排煙系統(tǒng)，可以大幅解決上述的許多問題。圖一 (二) 的煙控設(shè)計原理是利用回風(fēng)豎井（Return Air Shaft）做為排煙管道來進行排煙，排煙風(fēng)扇位于回風(fēng)豎井的相當上端，在排煙的同時，利用閘門關(guān)閉，切斷回風(fēng)豎井與潔凈室上層閣樓（Truss）之間的連接。此設(shè)計與圖一 (一)一樣，需要以下假設(shè)成立才能發(fā)揮其功效。此假設(shè)為：無論火災(zāi)發(fā)生于潔凈室或下層回風(fēng)區(qū)中，潔凈室上方的 FFU 下吹垂直層流速度必須大過火災(zāi)煙塵向上升的速度，如此才能壓制潔凈室火災(zāi)所產(chǎn)生的煙塵向下至下層回風(fēng)區(qū)中，或是讓下層回風(fēng)區(qū)火災(zāi)的煙塵無法向上至潔凈室中。無論何處發(fā)生的火災(zāi)，最后煙塵的流動方向都是流向回風(fēng)豎井的入口而去，再經(jīng)由回風(fēng)豎井至相當上端的風(fēng)機排出。由上述分析可知，此種假設(shè)只適用于小型火災(zāi)（熱釋放率小于 3 kW）發(fā)生時。也許當初這種模式的設(shè)計者認為，在潔凈室中產(chǎn)生大火就無須進行控制，因為潔凈室中的設(shè)備及產(chǎn)品對煙粒相當敏感，稍加污染便可使其損壞及報廢，所以只需對小型火災(zāi)的煙流進行控制即可，但他忽略了即使是小型火災(zāi)，它的熱釋放率所造成的煙塵上升速度仍會大于向下垂直層流速度。
圖一 (三) 為潔凈室中無排煙系統(tǒng)，目前國內(nèi)某些老舊廠房內(nèi)仍無排煙系統(tǒng)。
圖一 (四) 的煙控設(shè)計原理為在潔凈室上方 FFU 處開洞裝設(shè)排煙閘門，再連接排煙管路至排煙風(fēng)機進行排煙。此設(shè)計與本研究室認為的理想煙控模式相當接近，主要是利用煙塵因熱浮力而上升的自然現(xiàn)象，在 FFU 處進行蓄煙，然后利用上方裝設(shè)的排煙閘門來排煙。除了適當?shù)呐艢庀到y(tǒng)外，一些相關(guān)設(shè)備，如偵煙器、空調(diào)系統(tǒng)、撒水系統(tǒng)、防煙垂壁或隔間亦要有良好之搭配，再加上整體的緊急應(yīng)變程序，就可以有效的控制火災(zāi)成長期范圍內(nèi)的煙流，若火災(zāi)可以實時撲滅的話，就可以完全達到火災(zāi)煙流控制的目的。依據(jù)工研院環(huán)安中心工程組數(shù)年來對這三種主要煙控模式（無排煙系統(tǒng)除外）所做的分析研究，將其特性與優(yōu)劣點整理于表一中。
表一 國內(nèi)現(xiàn)有三種排煙方式之特性與優(yōu)劣比較表
排煙量 排煙效果 污染范圍 回風(fēng)用軸
流式風(fēng)機
整體評估
第一種
RAP 層地板
中
差
大
關(guān)
不適用
第二種
回風(fēng)道頂部
大
極差
極大
開
不可用
第三種 FAB 層天花板
小
好
小
關(guān)
可用
目前國內(nèi)多數(shù)潔凈室廠房之煙控設(shè)備屬圖一 (一)與圖一 (二)的煙控模式，至于圖一 (三)的煙控模式僅占 10%，且并非完整的設(shè)計。因此，工研院環(huán)安中心工程組提出一理想的煙控模式，配合整體設(shè)備的作動，期盼能正確與有效地解決潔凈室中煙塵所造成問題，以功能性設(shè)計（Performance-Based Design）的觀念來取代法規(guī)條文式的設(shè)計。
TRUSS
RAP
排煙
排煙
RAP
C/R
排煙
RAP
C/R
TRUSS
排煙
排煙
(一) 利用 G.E.排煙
(二) 于回風(fēng)道排煙
C/R
RAP
(三) 無排煙
(四) 于潔凈室上方排煙
圖一 國內(nèi)現(xiàn)有之煙控模式
三、有效之煙控模式
經(jīng)由多年研究與實廠經(jīng)驗，我們認為理想的潔凈室煙控模式如圖二所示。主要概念是在潔凈室上方開口排煙，開口處使用 UL 555S 認證之防排煙閘門（Smoke Damper），用以承受排煙時之高溫煙塵，如果要考慮防火區(qū)劃的問題，可改用防火及防煙風(fēng)門（Fire and Smoke Damper）。潔凈室必須先進行防煙區(qū)劃，利用現(xiàn)有隔間或額外加設(shè)防煙垂壁的方式，劃分潔凈室區(qū)域。當某一區(qū)劃中發(fā)生火災(zāi)時，關(guān)閉該區(qū)的空調(diào)（即垂直層流），并且打開該區(qū)的排煙閘門，啟動排煙風(fēng)機進行排煙，但是非火災(zāi)區(qū)的區(qū)劃之空調(diào)仍然存在，如此可讓排煙區(qū)形成負壓力區(qū)，而非火災(zāi)區(qū)形成正壓力區(qū)，此正負壓設(shè)計對阻止大顆粒煙塵的擴散有一定程度的幫助，而且潔凈室為一密閉空間，必須維持壓力平衡，否則排煙系統(tǒng)的排氣力量會因阻力愈來愈大而使效能愈來愈差。回風(fēng)豎井中必須利用防煙風(fēng)門切斷回風(fēng)系統(tǒng)，防止被污染的空氣透過回風(fēng)系統(tǒng)再循環(huán)進入其它的區(qū)劃中，此時位于潔凈室上方的外氣 MA（Make-up Air）補充系統(tǒng)仍提供新鮮空氣，維持空調(diào)系統(tǒng)仍打開的區(qū)劃能持續(xù)送風(fēng)。排煙閘門的開啟與排煙風(fēng)機的啟動可以手動或由偵煙器連動，偵煙器可用尋址的離子式偵煙 器或是及早型偵煙器 VESDA（Very Early Smoke Detector Active）。在舊有的潔凈室廠房中，多于回風(fēng)道采用軸流式風(fēng)機，并且搭配 HEPA Filter 或 ULPA Filter 之回風(fēng)形式，此種方式的廠房較不利于采用防煙區(qū)劃來分區(qū)關(guān)閉回風(fēng)系統(tǒng)并形成正負壓之防煙模式，亦即當遇到火災(zāi)時，只有將回風(fēng)系統(tǒng)之風(fēng)機完全關(guān)閉或繼續(xù)開啟之選擇。但在新的潔凈室廠房中，多改用 FFU 回風(fēng)方式，如此一來，若預(yù)先設(shè)計好 FFU 電路分區(qū)開關(guān)，即可有效利用防煙區(qū)劃分區(qū)關(guān)閉FFU，形成所謂的正負壓區(qū)劃防煙。
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