微電子潔凈室設計裝修如何更好煙控
微電子潔凈室設計裝修如何更好煙控
一、微電子潔凈室為何要煙控
微電子潔凈室設計多向高樓層發展，微電子潔凈室裝修高智慧的技術人力及昂貴的設備機臺集中在廠房內，萬一發生火災意外，損失將數十倍于一般工廠。此外，高科技潔凈室廠房內使用許多的易爆性與易燃性氣體，例如 SiH4、H2、PH3等，更增加廠房內的潛在危險，若無適當的對策與措施，因此，為了降低火災發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定執行，而在鄰近的日本、大陸或香港也有類似煙流控制法規，其目的都是在降低火災發生時，高溫煙流對員工性命及設備污染的傷害。
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區（Return Air Plenum，簡稱 RAP，有些廠則稱之為 Sub-FAB）的一般排氣風管（General Exhaust，簡稱 GE），在其上安裝閘門，平時此閘門為關閉狀態，以維持一般排氣的運作，若遇潔凈室或潔凈室下層回風區發生火災時，則打開閘門以進行排煙。此設計必須有兩個假設成立才能發揮其功效，第一個假設為：若火災發生于潔凈室中，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煙塵向上升的速度，才能壓制潔凈室火災產生的煙塵，將其導引向下至下層回風區中，然后經由排氣風管打開的閘門抽走。第二個假設為：若火災發生于下層回風區中，則上升的煙塵會蓄積于下層回風區的上部（高架地板以下），讓煙塵由排氣風管打開的閘門抽走。
然而上述兩種假設在現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，故而第一種假設無法成立。其次為蓄煙的問題，高架地板因為有開洞板的關系，會使得下層回風區火災所產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，故第二種假設亦難成立。一般而言，此類設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體廠在建立時極少會考慮到煙控系統，后來因為需要，只好在一般排氣風管上開洞，在加裝控制閘門后做為排煙之用，如此對原來的設備及廠務系統影響相當少。
利用一般排氣風管做為排煙系統亦有些問題需要考慮，如管路是否耐高溫？排煙量是否足夠？風機是否為排煙風機？（依照 NFPA 130 標準，排煙風機須耐 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？系統如何控制及可靠度問題？（若控制越復雜，系統的可靠度越低）故建議使用專用的排煙系統，可以大幅解決上述的許多問題。圖一 (二) 的煙控設計原理是利用回風豎井（Return Air Shaft）做為排煙管道來進行排煙，排煙風扇位于回風豎井的相當上端，在排煙的同時，利用閘門關閉，切斷回風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揮其功效。此假設為：無論火災發生于潔凈室或下層回風區中，潔凈室上方的 FFU 下吹垂直層流速度必須大過火災煙塵向上升的速度，如此才能壓制潔凈室火災所產生的煙塵向下至下層回風區中，或是讓下層回風區火災的煙塵無法向上至潔凈室中。無論何處發生的火災，最后煙塵的流動方向都是流向回風豎井的入口而去，再經由回風豎井至相當上端的風機排出。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）發生時。也許當初這種模式的設計者認為，在潔凈室中產生大火就無須進行控制，因為潔凈室中的設備及產品對煙粒相當敏感，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大于向下垂直層流速度。
圖一 (三) 為潔凈室中無排煙系統，目前國內某些老舊廠房內仍無排煙系統。
圖一 (四) 的煙控設計原理為在潔凈室上方 FFU 處開洞裝設排煙閘門，再連接排煙管路至排煙風機進行排煙。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 處進行蓄煙，然后利用上方裝設的排煙閘門來排煙。除了適當的排氣系統外，一些相關設備，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期范圍內的煙流，若火災可以實時撲滅的話，就可以完全達到火災煙流控制的目的。依據工研院環安中心工程組數年來對這三種主要煙控模式（無排煙系統除外）所做的分析研究，將其特性與優劣點整理于表一中。
表一 國內現有三種排煙方式之特性與優劣比較表
排煙量 排煙效果 污染范圍 回風用軸
流式風機
整體評估
第一種
RAP 層地板
中
差
大
關
不適用
第二種
回風道頂部
大
極差
極大
開
不可用
第三種 FAB 層天花板
小
好
小
關
可用
目前國內多數潔凈室廠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，期盼能正確與有效地解決潔凈室中煙塵所造成問題，以功能性設計（Performance-Based Design）的觀念來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) 于回風道排煙
C/R
RAP
(三) 無排煙
(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
經由多年研究與實廠經驗，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，如果要考慮防火區劃的問題，可改用防火及防煙風門（Fire and Smoke Damper）。潔凈室必須先進行防煙區劃，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。當某一區劃中發生火災時，關閉該區的空調（即垂直層流），并且打開該區的排煙閘門，啟動排煙風機進行排煙，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因阻力愈來愈大而使效能愈來愈差?；仫L豎井中必須利用防煙風門切斷回風系統，防止被污染的空氣透過回風系統再循環進入其它的區劃中，此時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的區劃能持續送風。排煙閘門的開啟與排煙風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，多于回風道采用軸流式風機，并且搭配 HEPA Filter 或 ULPA Filter 之回風形式，此種方式的廠房較不利于采用防煙區劃來分區關閉回風系統并形成正負壓之防煙模式，亦即當遇到火災時，只有將回風系統之風機完全關閉或繼續開啟之選擇。但在新的潔凈室廠房中，多改用 FFU 回風方式，如此一來，若預先設計好 FFU 電路分區開關，即可有效利用防煙區劃分區關閉FFU，形成所謂的正負壓區劃防煙。
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