微電子潔凈室設計裝修如何更好煙控

二、國內現有防排煙模式分析  
國內目前現有之潔凈室煙控模式共有四種，如圖一所示。其中，圖一 (一) 的煙控設計原理，就是利用在潔凈室下層回風(fēng)區（Return Air Plenum，簡(jiǎn)稱(chēng) RAP，有些廠(chǎng)則稱(chēng)之為 Sub-FAB）的一般排氣風(fēng)管（General Exhaust，簡(jiǎn)稱(chēng) GE），在其上安裝閘門(mén)，平時(shí)此閘門(mén)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)區發(fā)生火災時(shí)，則打開(kāi)閘門(mén)以進(jìn)行排煙。此設計必須有兩個(gè)假設成立才能發(fā)揮其功效，第一個(gè)假設為：若火災發(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(guò)火災煙塵向上升的速度，才能壓制潔凈室火災產(chǎn)生的煙塵，將其導引向下至下層回風(fēng)區中，然后經(jīng)由排氣風(fēng)管打開(kāi)的閘門(mén)抽走。第二個(gè)假設為：若火災發(fā)生于下層回風(fēng)區中，則上升的煙塵會(huì )蓄積于下層回風(fēng)區的上部（高架地板以下），讓煙塵由排氣風(fēng)管打開(kāi)的閘門(mén)抽走。
  

然而上述兩種假設在現實(shí)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，而火災的熱釋放率只要大于 3 kW，煙塵的向上速度就會(huì )大于 0.5 m/s（3 kW 的火算是很小的火），然后煙塵會(huì )在上方蓄積形成蓄煙層，此時(shí)從潔凈室天花板下吹的氣流只會(huì )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(guò)高，則 HEAP 或 ULPA 這類(lèi)濾層有可能被燒穿，使得煙塵危害更形雪上加霜，故而第一種假設無(wú)法成立。其次為蓄煙的問(wèn)題，高架地板因為有開(kāi)洞板的關(guān)系，會(huì )使得下層回風(fēng)區火災所產(chǎn)生的煙塵穿過(guò)開(kāi)洞板，向上進(jìn)入潔凈室中而無(wú)法在高架地板下蓄積，使得排煙點(diǎn)的有效排煙范圍限于于排煙閘門(mén)周?chē)浇?，因此只能抽取到少量的煙塵，故第二種假設亦難成立。一般而言，此類(lèi)設計模式常見(jiàn)于老舊廠(chǎng)房的潔凈室中，主要是因為從前的半導體廠(chǎng)在建立時(shí)極少會(huì )考慮到煙控系統，后來(lái)因為需要，只好在一般排氣風(fēng)管上開(kāi)洞，在加裝控制閘門(mén)后做為排煙之用，如此對原來(lái)的設備及廠(chǎng)務(wù)系統影響相當少。 

利用一般排氣風(fēng)管做為排煙系統亦有些問(wèn)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(shí)）閘門(mén)是否為防煙閘門(mén)？其泄漏量為 UL 555S 的何種等級？系統如何控制及可靠度問(wèn)題？（若控制越復雜，系統的可靠度越低）故建議使用專(zhuān)用的排煙系統，可以大幅解決上述的許多問(wèn)題。圖一 (二) 的煙控設計原理是利用回風(fēng)豎井（Return Air Shaft）做為排煙管道來(lái)進(jìn)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(shí)，利用閘門(mén)關(guān)閉，切斷回風(fēng)豎井與潔凈室上層閣樓（Truss）之間的連接。此設計與圖一 (一)一樣，需要以下假設成立才能發(fā)揮其功效。此假設為：無(wú)論火災發(fā)生于潔凈室或下層回風(fēng)區中，潔凈室上方的 FFU 下吹垂直層流速度必須大過(guò)火災煙塵向上升的速度，如此才能壓制潔凈室火災所產(chǎn)生的煙塵向下至下層回風(fēng)區中，或是讓下層回風(fēng)區火災的煙塵無(wú)法向上至潔凈室中。無(wú)論何處發(fā)生的火災，最后煙塵的流動(dòng)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，此種假設只適用于小型火災（熱釋放率小于 3 kW）發(fā)生時(shí)。也許當初這種模式的設計者認為，在潔凈室中產(chǎn)生大火就無(wú)須進(jìn)行控制，因為潔凈室中的設備及產(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的煙流進(jìn)行控制即可，但他忽略了即使是小型火災，它的熱釋放率所造成的煙塵上升速度仍會(huì )大于向下垂直層流速度。  

圖一 (三) 為潔凈室中無(wú)排煙系統，目前國內某些老舊廠(chǎng)房?jì)热詿o(wú)排煙系統。  

圖一 (四) 的煙控設計原理為在潔凈室上方 FFU 處開(kāi)洞裝設排煙閘門(mén)，再連接排煙管路至排煙風(fēng)機進(jìn)行排煙。此設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象，在 FFU 處進(jìn)行蓄煙，然后利用上方裝設的排煙閘門(mén)來(lái)排煙。除了適當的排氣系統外，一些相關(guān)設備，如偵煙器、空調系統、撒水系統、防煙垂壁或隔間亦要有良好之搭配，再加上整體的緊急應變程序，就可以有效的控制火災成長(cháng)期范圍內的煙流，若火災可以實(shí)時(shí)撲滅的話(huà)，就可以完全達到火災煙流控制的目的。依據工研院環(huán)安中心工程組數年來(lái)對這三種主要煙控模式（無(wú)排煙系統除外）所做的分析研究，將其特性與優(yōu)劣點(diǎn)整理于表一中。  

表一 國內現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(kāi)  
不可用  
第三種 FAB 層天花板  
小  
好  
小  
關(guān)  
可用  
目前國內多數潔凈室廠(chǎng)房之煙控設備屬圖一 (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，配合整體設備的作動(dòng)，期盼能正確與有效地解決潔凈室中煙塵所造成問(wèn)題，以功能性設計（Performance-Based Design）的觀(guān)念來(lái)取代法規條文式的設計。  

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(wú)排煙  
(四) 于潔凈室上方排煙  

圖一 國內現有之煙控模式  
三、有效之煙控模式  
經(jīng)由多年研究與實(shí)廠(chǎng)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(kāi)口排煙，開(kāi)口處使用 UL 555S 認證之防排煙閘門(mén)（Smoke Damper），用以承受排煙時(shí)之高溫煙塵，如果要考慮防火區劃的問(wèn)題，可改用防火及防煙風(fēng)門(mén)（Fire and Smoke Damper）。潔凈室必須先進(jìn)行防煙區劃，利用現有隔間或額外加設防煙垂壁的方式，劃分潔凈室區域。當某一區劃中發(fā)生火災時(shí)，關(guān)閉該區的空調（即垂直層流），并且打開(kāi)該區的排煙閘門(mén)，啟動(dòng)排煙風(fēng)機進(jìn)行排煙，但是非火災區的區劃之空調仍然存在，如此可讓排煙區形成負壓力區，而非火災區形成正壓力區，此正負壓設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，否則排煙系統的排氣力量會(huì )因阻力愈來(lái)愈大而使效能愈來(lái)愈差?；仫L(fēng)豎井中必須利用防煙風(fēng)門(mén)切斷回風(fēng)系統，防止被污染的空氣透過(guò)回風(fēng)系統再循環(huán)進(jìn)入其它的區劃中，此時(shí)位于潔凈室上方的外氣 MA（Make-up Air）補充系統仍提供新鮮空氣，維持空調系統仍打開(kāi)的區劃能持續送風(fēng)。排煙閘門(mén)的開(kāi)啟與排煙風(fēng)機的啟動(dòng)可以手動(dòng)或由偵煙器連動(dòng)，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(chǎng)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(chǎng)房較不利于采用防煙區劃來(lái)分區關(guān)閉回風(fēng)系統并形成正負壓之防煙模式，亦即當遇到火災時(shí)，只有將回風(fēng)系統之風(fēng)機完全關(guān)閉或繼續開(kāi)啟之選擇。但在新的潔凈室廠(chǎng)房中，多改用 FFU 回風(fēng)方式，如此一來(lái)，若預先設計好 FFU 電路分區開(kāi)關(guān)，即可有效利用防煙區劃分區關(guān)閉FFU，形成所謂的正負壓區劃防煙。

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