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6 空气净化

6 空气净化

6.1 一般规定

6.1.1 洁净的生产环境是生产工艺的需要,是确保产品的成品率和产品质量的可靠性、长寿命所必需的。随着我国国民经济的发展,各行各业对生产环境的温度、相对湿度和洁净度的要求也越来越高。例如:大规模和超大规模集成电路的发展很快,在1980年时其集成度只有64kB,而到目前集成度已提高到1GB;64kB集成电路前工序生产所要求生产环境的洁净度等级只有4级和5级,而1GB集成电路前工序生产对生产环境洁净度等级的要求提高到1级和2级(0.1μm)。
    不同的生产工艺、不同的生产工序对生产环境的要求也是不相同的,因此,确定洁净室的空气洁净度等级时应根据不同工艺、不同工序对环境的洁净度要求而定。
    根据不同生产工艺、不同生产工序对环境洁净度的不同要求,该高则高,该低则低,尽量缩小高洁净度等级部分的面积,以局部 高等级净化和全室较低等级净化的洁净室系统代替全室高等级净化的洁净室系统。既能确保不同生产工艺对环境的要求,又能大幅度地降低初投资和运行费用。
    例如:对于生产1GB超大规模集成电路前工序的洁净室来说,在整个生产过程中只有少数工序(制版、光刻等)对环境的洁净度等级要求最高为1级或2级,而其他大部分工序只要求5级、6级,甚至只有7级。不需将全部洁净室都设计为1级或2级。
6.1.4 人是洁净室内主要的发尘源,作业人员进入洁净室必须穿着与洁净室的空气洁净度等级相适应的洁净工作服。由于洁净工作服的透气性较差,为了保证作业人员的工作环境,提高劳动生产率,在洁净室生产工艺对环境的温、湿度没有特殊要求时,洁净室内的温度主要是为了作业人员的舒适。因此,洁净室温度冬季为20℃~22℃,夏季为24℃~26℃,湿度冬季为30%~50%,夏季为50%~70%,比较适宜。由于洁净室(区)的温度、相对湿度首先应按生产工艺要求确定,只有在生产工艺无要求时,才能按本条的规定根据作业人员的舒适度确定,但在本规范实施中因洁净厂房生产的产品多种多样,作业人员多少和工作条件也不相同,所以强制执行有困难,为此本次修订改为推荐性条文。
6.1.5 本条为强制性条文。现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019中对一般工业厂房的新鲜空气量的规定为每人每小时不小于30m3。由于新鲜空气量是确保洁净室(区)作业人员健康的重要条件之一,所以本次修订中对洁净室(区)的新鲜空气量规定为应取补偿室内排风量和保持室内正压值所需新鲜空气量之和,保证供给洁净室(区)内每人每小时的新鲜空气量不小于40m3。两项中的最大值。

6.2 洁净室压差控制

6.2.1 为了保证洁净室在正常工作或空气平衡暂时受到破坏时,气流都能从空气洁净度高的区域流向空气洁净度低的区域,使洁净室的洁净度不会受到污染空气的干扰,所以洁净室必须保持一定的压差。
    在国内外洁净室标准和洁净度等级中,对洁净室内压差值的大小都作了明确规定。
    压差值的大小应选择适当。压差值选择过小,洁净室的压差很容易破坏,洁净室的洁净度就会受到影响。压差值选择过大,就会使净化空调系统的新风量增大,空调负荷增加,同时使中效、高效过滤器使用寿命缩短,故很不经济。另外,当室内压差值高于50Pa时,门的开关就会受到影响。因此,洁净室压差值的大小应根据我国现有洁净室的建设经验,参照国内外有关标准和试验研究的结果合理确定。
    自《洁净厂房设计规范》GBJ 73-84在1985年颁布以来,我国按规范设计、建造了数百万平方米的各种洁净级别的洁净室,并且都经过了数年的运行考验,满足了工艺要求。实践经验证明,《洁净厂房设计规范》GBJ 73-84中有关洁净室内正压值的选择是正确的、可行的。
    已颁布实施的国际标准《洁净室及相关受控环境——第一部分,空气洁净度的分级》IS0 14644-1和日本工业标准《洁净室悬浮粒子检测方法》JIS 9920、俄罗斯国家标准《洁净室及相关受控环境》TOCTP 50766等有关现行的洁净室标准中都明确规定,为了保持洁净室的洁净度等级免受外界的干扰,对于不同等级的洁净室之间、洁净室与相邻的无洁净度级别的房间之间都必须维持一定的压差。虽然各个国家规定的最小压差值不尽相同,但最小压差值都在5Pa以上。
    由于洁净室(区)与周围空间维持一定的压差是实现空气洁净度的基本条件,为此,规定本条为强制性条文。
6.2.2 试验研究的结果表明,洁净室内正压值受室外风速的影响,室内正压值要高于室外风速产生的风压力。当室外风速大于3m/s时,产生的风压力接近5Pa,若洁净室内正压值为5Pa时,室外的污染空气就有可能渗漏到室内。但根据现行国家标准《采暖通风和空气调节设计规范》GB 50019编制组提供的全国气象资料统计,全国203个城市中有74个城市的冬夏平均风速大于3m/s,占总数的36.4%。这样如果洁净室与室外相邻时,其最小的正压值应该大于5Pa。因此,规定洁净室与室外的最小压差为10Pa。由于各行各业的洁净厂房内产品生产工艺不同,各产品生产工序的条件差异,不同等级或洁净室(区)与非洁净室(区)之间的压差取值均有差别,所以本次修订将本条改为推荐性条文。
6.2.3 国内外洁净室压差风量的确定,多数是采用房间换气次数估算的。因为压差风量的大小是与洁净室围护结构的气密性及维持的压差值大小有关,对于相同大小的房间,由于门窗的数量及形式的不同,气密性不同,导致渗漏风量也不同,故维持同样大小的压差值所需压差风量就有所差异。凶此,在选取换气次数时,对于气密性差的房间取上限,气密性较好的房间可取得小一些。
    (1) 采用缝隙法来计算渗漏风量,既考虑了洁净室围护结构的气密性,又考虑了室内维持不同的压差值所需的正压风量。因此,缝隙法比按房间的换气次数估算法较为合理和精确。
    单位长度缝隙渗漏空气量用公式计算是比较困难的,一般是通过不同形式的门、窗进行多次试验的数据统计后得出的。表7是对国内洁净室的20多种常用的门、窗在实验室进行了大量的试验后取得的数据,虽然近年来洁净室门窗的材料和形式有很大的发展,但目前还有部分洁净室仍然采用钢制密封门窗,故表7中的数据仍可供设计时参考。

7 围护结构单位长度缝隙的渗漏风量

门窗形式
漏风量(m3/h·m)
压差(Pa) 

非密
闭门

密闭门

单层固定密闭钢窗

单层
开启式
密闭钢窗

传递窗

壁板

5

17

4

0.7

3.5

2.0

0.3

10

24

6

1.0

4.5

3.0

0.6

15

30

8

1.3

6.0

4.0

0.8

20

36

9

1.5

7.0

5.0

1.0

25

40

10

1.7

8.0

5.5

1.2

30

44

11

1.9

8.5

6.0

1.4

35

48

12

2.1

9.0

7.0

1.5

40

52

13

2.3

10.0

7.5

1.7

45

55

15

2.5

10.5

8.0

1.9

50

60

16

2.6

11.5

9.0

2.0

缝隙法宜按下式计算:

Q=a·∑(q·L)

式中:Q——维持洁净室压差值所需的压差风量(m3/h);
      a——根据围护结构气密性确定的安全系数,可取1.1~1.2;
      q——当洁净室为某一压差值时,其围护结构单位长度缝隙的渗漏风量(m3/h·m);
      L——围护结构的缝隙长度(m)。
    (2) 换气次数法,宜按下列数据选用:
    压差5Pa时,取1次/h~2次/h。
    压差10Pa时,取2次/h~4次/h。
6.2.4 洁净室(区)的正压或负压是以对室内的送风量、回风量和排风量平衡协调实现的,为确保洁净室所需的正压值或负压值,通常还应将送风、回风和排风系统顺序启停,为此作了本条规定。但实践证明,由于各行各业的洁净室(区)的产品生产工艺或使用要求不同,有些洁净室是间断、不连续运行,所以送风、回风和排风系统的启停虽然大多采用联锁控制,而有的也采用手动控制,为此本次修改将本条改为推荐性条文。
6.2.5 根据对国内洁净室的调查表明,有一部分洁净室设置了值班风机,但多数洁净室没有设置值班风机,而是采用上班前提前半小时运行净化空调系统达到洁净室自净的方法。
    非连续性运行的洁净室设置值班送风的问题,应根据生产工艺具体情况而定。如果生产工艺要求严格,在空气净化调节系统停止运行时,会污染室内放置的半成品,又不能采用局部处理时最好设置值班送风,值班送风系统应送出经过净化空调处理的空气,以避免洁净室内产品或设备结露。

6.3 气流流型和送风量

6.3.1 洁净室的气流流型应考虑避免或减少涡流。这样可以减少二次气流,有利于迅速有效地排除粒子。
    对于空气洁净度要求不同的洁净室(区),所采用的气流流型亦应不同。近年在电子工厂洁净厂房或医药工业洁净厂房内,为减少建设工程造价、降低能量消耗,常常采用同时具有单向流和非单向流的混合流洁净室,即使在微电子生产洁净厂房中要求1级~3级的空气洁净度等级的生产环境也采用混合流洁净室,即在洁净厂房的洁净生产区采用5级,仅在局部或微环境内采用1级~3级。根据上述情况,本条进行了新的规定,并修改为推荐性条文。
6.3.2 洁净室(区)的送风量是确保其正常运行的基本条件,本条规定的洁净室(区)送风量应取三项中最大值是多年来国内外的经验总结,如果不是“最大值”,则将使建造后的洁净室达不到所要求的洁净度等级或环境条件达不到要求或作业人员健康得不到保障,为此,本条规定为强制性条文。
6.3.3 洁净室送风量计算所用的数据是参照国际标准《洁净室及相关受控环境——第四部分,设计、施工和启动》ISO 14644-4-2001中表B.2而编制的。其中,换气次数系根据我国实际情况确定的。
    (1) 表6.3.3空气洁净度等级系指静态而言。其编制理由如下:
    1) 工程施工前的空气洁净度测试,一般都是在空态或静态下进行的;
    2) 国内外标准中大多已明确规定按静态进行空气洁净度测试。如果设计时业主提出须按动态进行验收时,则另行处理。
    (2) 参照已经发布的国际标准《洁净室及相关受控环境——第四部分,设计、施工和启动》ISO 14644-4中对微电子洁净室、医药工业洁净室的送风量的规定,以及在本规范修订过程中对国内已投入运行的各类洁净厂房实际运行状况的调查研究,经分析表明,《洁净室及相关受控环境——第四部分,设计、施工和启动》ISO 14644-4-2001中表B.2对不同等级的洁净室送风量、平均风速的相关数据基本合理,编写组结合国内的实际状况作了必要的调整,现将表B.2摘录于表8。

8 微电子洁净室实例

洁净度等级
ISO等级

气流流型

平均风速
(m/s)

单位面积送风量
(m3/m2·h)


应用实例

2

U

0.3~0.5

光刻、半导体加工区

3

U

0.3~0.5

工作区,半导体加工区

4

U

0.3~0.5

工作区,多层掩膜加工、光盘制造、半导体服
务区、动力区

5

U

0.2~0.5

6

N或M

70~160

动力区、多层掩膜加
工、半导体服务区

7

N或M

30~70

服务区、表面处理

8

N或M

10~20

服务区

注:1 制定最佳设计条件之前,首先应明确使用环境的ISO级别有关的占用状态;
2 气流流型符号的意义:U为单向流流型;N为非单向流流型,M为混合流流型(单向流和非单向流的组合流型);
3 平均风速通常适用于单向流流型。单向流平均流速大小与被控制空间的形状和热气流温度有关。单向流流速不是指过滤器面风速;
4 单位面积送风量适用于非单向流流型和混合流流型。单位面积送风量的推荐值适用于层高为3.0m的洁净室;
5 在洁净室设计中须考虑密封措施;
6 对于污染源以及污染区可用隔板或空气幕予以有效分隔。

由于本条规定的洁净送风量主要是依据目前国内外的实际状况的经验总结,各类工业产品的生产工艺的差异和不断进步,使其洁净室的送风量有所差异,所以本次修订将本条改为推荐性条文。

6.4 空气净化处理

6.4.1 近年来,我国各类洁净厂房中所采用的空气过滤器品种、布置和安装方式均发生了较大变化,特别是一些外资、合资企业和空气洁净度等级要求十分严格的洁净厂房变化尤为明显。为了有利于本规范的实施,本次修订将本条第1~4款改为推荐性条文。
6.4.3 在工艺生产过程不产生有害物时,净化空调系统在保证新鲜空气量和保持洁净室压差的条件下,为了节约能源,应尽量利用回风。而单向流洁净室的换气次数大,当机房距单向流洁净室较远时,可以使一部分空气不回机房而直接循环使用。近年来,一些高洁净等级的单向流洁净室采用新风集中处理+FFU净化空调系统,它是由多台风机过滤器单元设备组成实现洁净室回风的直接循环,如图2所示。


2 风机过滤器单元送风方式(FFU)示意图

    当生产工艺过程产生大量有害物质,局部排风又不能满足卫生要求,并对其他工序有影响时,才能采用直流式净化空调系统。因为当车间内的有害物质不能全部排除时,如再使其循环使用,则会造成车间内的有害物浓度越来越大,对人员健康及生产有影响,故应采用直流式净化空调系统。
6.4.4 在净化空调系统中,考虑到系统的阻力变化影响其风量等因素,风机采用变频调速装置作恒定风量或定压控制,通常由高效过滤器的压差变化控制变频装置。一些单位的实践说明.使用后有明显节能效果。
6.4.5 由于原规范本条部分内容与第9.4.3条重复,本次修订中将有关电加热器等内容移至第9.4节。
    本条规定所指的寒冷地区是处于建筑气候区划一级区中I区(1月平均气温小于或等于-10℃)和Ⅱ区(1月平均气温-10℃~0℃)的地区,在此类地区的新风系统采用防冻措施,是为了防止新风机组表冷器冻裂。

6.5 采暖通风、防排烟

6.5.1 对国内现有洁净室的调研看到,为防止散热器引发的污染,除少数改建工程仍采用原有散热器作洁净室采暖外,新建洁净室没有采用散热器采暖的,考虑到技术的发展,本条规定了包括8级和8级以上洁净室不应采用散热器采暖,为此本条作为强制性条文。
6.5.3 对于局部排风系统单独分开设置的规定是为了防止排风系统中的易燃、易爆、有毒、腐蚀性介质的相互渗混、交叉污染,诱发各种安全事故,并参照现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019的规定制定,本条为强制性条文。
6.5.4 国内大部分洁净室的排风装置都设置了防倒灌措施,防止净化空调系统停止运行时,室外空气倒流入洁净室,引起污染或积尘。工程中常采取的防倒灌措施:一是采用中效过滤器,其结构比较简单,维护管理方便;二是采用止回阀,其使用方便,无须经常维修管理,但密封性较差;三是采用密闭阀,其密封性好,但结构复杂,要人工经常操作管理;四是采用自动控制装置。本条涉及洁净厂房内排风系统的安全、稳定运行,所以规定为强制性条文。
6.5.5 厕所、换鞋、存外衣、盥洗和淋浴等辅助房间是产生灰尘、臭气和水蒸气的地方,紧靠洁净区,若处理不当,将会使这些有害物渗入洁净室,污染洁净室。本条是确保洁净室(区)不被这些辅助房间污染的规定,鉴于具体做法也没有量化的静压值规定,本次修改为推荐性条文。通风措施的做法一般宜采用下述方式:
    (1) 送入经过中效过滤器过滤后的洁净空气;
    (2) 送入洁净室多余的回风或正压排风;
    (3) 在厕所或浴室内采用机械排风。
6.5.6 鉴于事故排风是保证生产安全和员工安全的一项必要措施,所以按照现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019的规定应设计事故排风装置。本条是确保洁净厂房安全运行的重要条件之一,所以规定为强制性条文。
6.5.7 从近年来国内建造的洁净厂房的调研资料可以看出,一部分洁净厂房为确保人员疏散的安全性,在疏散走廊设置了机械排烟或加压送风系统,如三星视界有限公司,深圳大学实验楼,赛格日立等。洁净厂房的疏散走廊及其长度,依据具体工程项目的不同位置,差异较大,难于统一。本规范实施以来的洁净厂房设计建造均在疏散走道设置了机械排烟系统,为此,本条第1款规定在疏散走廊应设置机械排烟系统,并作为强制性条款。
    本条第2款规定了各类产品生产用洁净厂房应按现行国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016的有关规定设置排烟设施,这是由于各行业洁净厂房内产品生产工艺、使用要求和布置均不相同,在本规范中很难作出统一的“排烟设施的规定”,所以本款为推荐性条款。

6.6 风管和附件

6.6.1 新风管上的调节阀用于调节新风比;电动密闭阀用于空调机停止运行时关闭新风。回风总管上的调节阀用于调节回风比。送风支管上的调节阀用于调节洁净室的送风量。回风支管上的调节阀用于调节洁净室内的正压值。空调机出风口处的密闭调节阀用于并联空调机停运时的关闭切断,也可用于单台空调机的总送风量调节。排风系统吸风管段上的调节阀用于调节局部排风量,排风管段上的止回阀或电动密闭阀等用于防止室外空气倒灌。
6.6.2 参照现行国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016的有关条文,并结合洁净室情况作出的本条规定。风管穿过变形缝有三种情况:一是变形缝两侧有防火隔墙,二是变形缝一侧有防火隔墙,三是变形缝两侧没有防火隔墙。规范条文是按第一种情况两侧设置防火阀。通风系统的防火阀是在一旦出现火情时,防止火势蔓延的主要手段,为此本条为强制性条文。
6.6.3 从不影响空气净化效果及经济两个方面考虑,净化空调系统风管与附件的制作材料是随着输送空气净化程度的高低而定的。洁净度高的选用不易产尘的材料,洁净度低的选用产尘少的材料。
    排风系统风管与附件的制作材料是随着输送气体的腐蚀性程度的强弱而定。
6.6.4 净化空调系统的送、回风及排风系统消声措施的设置,应根据系统设置的实际情况,经计算是否满足室内外噪声标准,确定消声措施的设置,故本条改为推荐性条文。
6.6.5 在各级空气过滤器的前、后设测压孔或安装压差计,便于运行中随时了解各级空气过滤器的阻力变化情况,以便及时清洗或更换。
6.6.6 风管及附件的不燃材料是指各种金属板材,难燃材料是指氧指数大于或等于32的玻璃钢。风管保温和消声的不燃材料是指岩棉、玻璃棉等,难燃材料是指氧指数大于或等于32的聚氨酯(聚苯乙烯)泡沫塑料、橡塑海绵等。穿越防火墙及变形缝防火隔墙两侧各2000mm范围内的风管和电加热器前、后800mm范围内的风管的保温材料和垫片、粘结剂等,均应采用不燃材料或难燃材料。本条规定了风管及附件、辅助材料的耐火性能,所以规定为强制性条文。