微电子洁净室设计装修如何更好烟控

二、国内现有防排烟模式分析  
国内目前现有之洁净室烟控模式共有四种，如图一所示。其中，图一 (一) 的烟控设计原理，就是利用在洁净室下层回风区（Return Air Plenum，简称 RAP，有些厂则称之为 Sub-FAB）的一般排气风管（General Exhaust，简称 GE），在其上安装闸门，平时此闸门为关闭状态，以维持一般排气的运作，若遇洁净室或洁净室下层回风区发生火灾时，则打开闸门以进行排烟。此设计必须有两个假设成立才能发挥其功效，第一个假设为：若火灾发生于洁净室中，则洁净室上方的 FFU（或 HEPA、ULPA）下吹垂直层流速度必须大过火灾烟尘向上升的速度，才能压制洁净室火灾产生的烟尘，将其导引向下至下层回风区中，然后经由排气风管打开的闸门抽走。第二个假设为：若火灾发生于下层回风区中，则上升的烟尘会蓄积于下层回风区的上部（高架地板以下），让烟尘由排气风管打开的闸门抽走。
  

然而上述两种假设在现实状况中皆很难成立，因为从洁净室天花板下吹的垂直层流速度在 0.25-0.5 m/s 左右，而火灾的热释放率只要大于 3 kW，烟尘的向上速度就会大于 0.5 m/s（3 kW 的火算是很小的火），然后烟尘会在上方蓄积形成蓄烟层，此时从洁净室天花板下吹的气流只会造成烟尘更迅速的扩散，产生更大的危害。另外，如果烟尘的温度过高，则 HEAP 或 ULPA 这类滤层有可能被烧穿，使得烟尘危害更形雪上加霜，故而第一种假设无法成立。其次为蓄烟的问题，高架地板因为有开洞板的关系，会使得下层回风区火灾所产生的烟尘穿过开洞板，向上进入洁净室中而无法在高架地板下蓄积，使得排烟点的有效排烟范围限于于排烟闸门周围附近，因此只能抽取到少量的烟尘，故第二种假设亦难成立。一般而言，此类设计模式常见于老旧厂房的洁净室中，主要是因为从前的半导体厂在建立时极少会考虑到烟控系统，后来因为需要，只好在一般排气风管上开洞，在加装控制闸门后做为排烟之用，如此对原来的设备及厂务系统影响相当少。 

利用一般排气风管做为排烟系统亦有些问题需要考虑，如管路是否耐高温？排烟量是否足够？风机是否为排烟风机？（依照 NFPA 130 标准，排烟风机须耐 250℃高温达 1 小时）闸门是否为防烟闸门？其泄漏量为 UL 555S 的何种等级？系统如何控制及可靠度问题？（若控制越复杂，系统的可靠度越低）故建议使用专用的排烟系统，可以大幅解决上述的许多问题。图一 (二) 的烟控设计原理是利用回风竖井（Return Air Shaft）做为排烟管道来进行排烟，排烟风扇位于回风竖井的相当上端，在排烟的同时，利用闸门关闭，切断回风竖井与洁净室上层阁楼（Truss）之间的连接。此设计与图一 (一)一样，需要以下假设成立才能发挥其功效。此假设为：无论火灾发生于洁净室或下层回风区中，洁净室上方的 FFU 下吹垂直层流速度必须大过火灾烟尘向上升的速度，如此才能压制洁净室火灾所产生的烟尘向下至下层回风区中，或是让下层回风区火灾的烟尘无法向上至洁净室中。无论何处发生的火灾，最后烟尘的流动方向都是流向回风竖井的入口而去，再经由回风竖井至相当上端的风机排出。由上述分析可知，此种假设只适用于小型火灾（热释放率小于 3 kW）发生时。也许当初这种模式的设计者认为，在洁净室中产生大火就无须进行控制，因为洁净室中的设备及产品对烟粒相当敏感，稍加污染便可使其损坏及报废，所以只需对小型火灾的烟流进行控制即可，但他忽略了即使是小型火灾，它的热释放率所造成的烟尘上升速度仍会大于向下垂直层流速度。  

图一 (三) 为洁净室中无排烟系统，目前国内某些老旧厂房内仍无排烟系统。  

图一 (四) 的烟控设计原理为在洁净室上方 FFU 处开洞装设排烟闸门，再连接排烟管路至排烟风机进行排烟。此设计与本研究室认为的理想烟控模式相当接近，主要是利用烟尘因热浮力而上升的自然现象，在 FFU 处进行蓄烟，然后利用上方装设的排烟闸门来排烟。除了适当的排气系统外，一些相关设备，如侦烟器、空调系统、撒水系统、防烟垂壁或隔间亦要有良好之搭配，再加上整体的紧急应变程序，就可以有效的控制火灾成长期范围内的烟流，若火灾可以实时扑灭的话，就可以完全达到火灾烟流控制的目的。依据工研院环安中心工程组数年来对这三种主要烟控模式（无排烟系统除外）所做的分析研究，将其特性与优劣点整理于表一中。  

表一 国内现有三种排烟方式之特性与优劣比较表  

排烟量 排烟效果 污染范围 回风用轴  
流式风机  
整体评估  
第一种  
RAP 层地板  
中  
差  
大  
关  
不适用  
第二种  
回风道顶部  
大  
极差  
极大  
开  
不可用  
第三种 FAB 层天花板  
小  
好  
小  
关  
可用  
目前国内多数洁净室厂房之烟控设备属图一 (一)与图一 (二)的烟控模式，至于图一 (三)的烟控模式仅占 10%，且并非完整的设计。因此，工研院环安中心工程组提出一理想的烟控模式，配合整体设备的作动，期盼能正确与有效地解决洁净室中烟尘所造成问题，以功能性设计（Performance-Based Design）的观念来取代法规条文式的设计。  

TRUSS  
RAP  
排烟  
排烟  
RAP  
C/R  
排烟  
RAP  
C/R  
TRUSS  
排烟  
排烟  
(一) 利用 G.E.排烟  
(二) 于回风道排烟  
C/R  
RAP  
(三) 无排烟  
(四) 于洁净室上方排烟  

图一 国内现有之烟控模式  
三、有效之烟控模式  
经由多年研究与实厂经验，我们认为理想的洁净室烟控模式如图二所示。主要概念是在洁净室上方开口排烟，开口处使用 UL 555S 认证之防排烟闸门（Smoke Damper），用以承受排烟时之高温烟尘，如果要考虑防火区划的问题，可改用防火及防烟风门（Fire and Smoke Damper）。洁净室必须先进行防烟区划，利用现有隔间或额外加设防烟垂壁的方式，划分洁净室区域。当某一区划中发生火灾时，关闭该区的空调（即垂直层流），并且打开该区的排烟闸门，启动排烟风机进行排烟，但是非火灾区的区划之空调仍然存在，如此可让排烟区形成负压力区，而非火灾区形成正压力区，此正负压设计对阻止大颗粒烟尘的扩散有一定程度的帮助，而且洁净室为一密闭空间，必须维持压力平衡，否则排烟系统的排气力量会因阻力愈来愈大而使效能愈来愈差。回风竖井中必须利用防烟风门切断回风系统，防止被污染的空气透过回风系统再循环进入其它的区划中，此时位于洁净室上方的外气 MA（Make-up Air）补充系统仍提供新鲜空气，维持空调系统仍打开的区划能持续送风。排烟闸门的开启与排烟风机的启动可以手动或由侦烟器连动，侦烟器可用寻址的离子式侦烟 器或是及早型侦烟器 VESDA（Very Early Smoke Detector Active）。在旧有的洁净室厂房中，多于回风道采用轴流式风机，并且搭配 HEPA Filter 或 ULPA Filter 之回风形式，此种方式的厂房较不利于采用防烟区划来分区关闭回风系统并形成正负压之防烟模式，亦即当遇到火灾时，只有将回风系统之风机完全关闭或继续开启之选择。但在新的洁净室厂房中，多改用 FFU 回风方式，如此一来，若预先设计好 FFU 电路分区开关，即可有效利用防烟区划分区关闭FFU，形成所谓的正负压区划防烟。

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