潔凈室改造要點(diǎn)
對(duì)于規(guī)模比較小的生產(chǎn)運(yùn)作，如何在有限的預(yù)算內(nèi)對(duì)現(xiàn)有的空間進(jìn)行改造升級(jí)、達(dá)到工藝的要求？
在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，隨著各行各業(yè)對(duì)納米技術(shù)的研究和分析投入明顯增加，針對(duì)小規(guī)模潔凈實(shí)驗(yàn)室的需求呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)勢(shì)頭。在制造業(yè)、企業(yè)的研發(fā)中心和學(xué)術(shù)單位的研究機(jī)構(gòu)中，需要大量的這種小規(guī)模潔凈實(shí)驗(yàn)室。不管是供汽車(chē)和包裝材料使用的復(fù)合材料，在涂料、光學(xué)、生物和化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中，在抗菌劑中，還是用于癌癥治療、給藥、成像技術(shù)、診斷和監(jiān)測(cè)等應(yīng)用上，它們都需要大量的新型潔凈室，這是在過(guò)去未曾遇到的。
很多時(shí)候，這些潔凈實(shí)驗(yàn)室都是在現(xiàn)有空間的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。最近，我們注意到很多公司和研究機(jī)構(gòu)正在考慮租用工廠作為新型受控實(shí)驗(yàn)室使用。有的公司甚至打算把租來(lái)的、原本不是作為實(shí)驗(yàn)室使用的工廠改造成潔凈實(shí)驗(yàn)室，更不用說(shuō)改成潔凈室了，這使問(wèn)題變得更復(fù)雜。對(duì)大部分公司和研究所來(lái)講，對(duì)現(xiàn)有工廠進(jìn)行改造和升級(jí)或更新租用的工廠，有許多相同的問(wèn)題，本文將對(duì)部分問(wèn)題展開(kāi)討論。
幾個(gè)星期前，有一個(gè)客戶(hù)到我們公司，提出希望我們能夠針對(duì)他的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)一座全新的潔凈實(shí)驗(yàn)室。作為該實(shí)驗(yàn)室的投資者，他表示，“我們物色到一處極佳的建筑，打算把它租下來(lái)”。從租賃的角度看，所謂最佳的建筑無(wú)非是位置和外觀，但是從必要進(jìn)行有效的污染控制環(huán)境研究這方面來(lái)說(shuō)，它與完美相差甚遠(yuǎn)。在設(shè)計(jì)潔凈實(shí)驗(yàn)時(shí)，所要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于創(chuàng)建一個(gè)潔凈環(huán)境。
人們的思路往往是把潔凈室看成購(gòu)買(mǎi)一個(gè)預(yù)先造好的標(biāo)準(zhǔn)化盒子，然后在現(xiàn)有的廠房?jī)?nèi)把盒子安裝好，再給照明系統(tǒng)和風(fēng)扇通上電，這個(gè)工廠就可以運(yùn)作了。但是，這些東西只是符合了潔凈室的最低要求，這種觀點(diǎn)對(duì)于絕大多數(shù)潔凈室工廠來(lái)講，都不合適。
在評(píng)估一個(gè)可能成為實(shí)驗(yàn)室的空間時(shí)，首先要考慮的是如何才能使現(xiàn)有的建筑按照相應(yīng)的程序達(dá)到預(yù)期的功用，使之符合實(shí)驗(yàn)室的要求。簡(jiǎn)而言之，首先要明確實(shí)驗(yàn)室所需遵循的程序。然后，對(duì)實(shí)驗(yàn)室程序進(jìn)行分類(lèi)，可以分為以下五種。每一套程序都有各自需要關(guān)注的問(wèn)題。并不是在設(shè)計(jì)潔凈室時(shí)使用的，而是在評(píng)價(jià)潔凈實(shí)驗(yàn)室工廠是否合適時(shí)所需關(guān)注的問(wèn)題清單：
1、工藝設(shè)備
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要求的環(huán)境條件（潔凈度水平、溫度、濕度）；
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總面積（操作面積加上維護(hù)通道）；
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高度和寬度（入口通道的凈空，以及安裝升降機(jī)的凈空）；
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重量（現(xiàn)有建筑物結(jié)構(gòu)所能承載的負(fù)荷）；
2、與工藝相關(guān)的外部供應(yīng)
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供給建筑物的水質(zhì)；
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實(shí)驗(yàn)室廢棄物排放；
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高純度水（RODI、WFI、蒸餾水）；
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真空、CDA；
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氣體和化學(xué)物質(zhì)（危險(xiǎn)性和高純度）；
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工藝廢氣；
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電源（可用電壓、可靠性和品質(zhì)）；
3、安保措施
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危險(xiǎn)材料（廢物的傳送、裝卸、儲(chǔ)存、收集/處理）；
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人流和化學(xué)/氣流的分離；
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現(xiàn)場(chǎng)和建筑物的可達(dá)性；
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各國(guó)對(duì)危險(xiǎn)材料的安全要求或規(guī)定；
4、總的空間要求
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可以改造的或者租用的空間；
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實(shí)驗(yàn)室空間；
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實(shí)驗(yàn)室的后備空間（設(shè)備室、化學(xué)和氣體儲(chǔ)存室）；
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潔凈室的后備空間（更衣室、設(shè)備室）；
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潔凈室的機(jī)械空間（循環(huán)空氣單元[RAU]、冷凍機(jī)、加濕器、供水等用房）；
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潔凈室的電氣空間（電氣室、服務(wù)器機(jī)房、IT柜、應(yīng)急發(fā)電機(jī)）；
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可用的屋頂空間；
5、預(yù)算和進(jìn)度
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施工準(zhǔn)入限制；
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干預(yù)正在進(jìn)行的活動(dòng)；
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施工截止時(shí)間的可行性。
設(shè)計(jì)要求
在展開(kāi)設(shè)計(jì)、最好是制定計(jì)劃之前，第一步是對(duì)現(xiàn)有的設(shè)施展開(kāi)調(diào)查，以確定現(xiàn)有圖紙（如果圖紙已準(zhǔn)備）是否真實(shí)反映了實(shí)際的現(xiàn)狀。
在建筑物中，現(xiàn)有系統(tǒng)有可能會(huì)成為設(shè)計(jì)的障礙，這種問(wèn)題往往會(huì)出現(xiàn)在HVAC主管道、供水和/或排水管道，或者其他的基礎(chǔ)架構(gòu)中。
現(xiàn)有的屋頂條件應(yīng)當(dāng)達(dá)到可以放置排氣和機(jī)械設(shè)備的要求。
施工前的準(zhǔn)備
在調(diào)查現(xiàn)有的條件的同時(shí)，還要調(diào)查市場(chǎng)條件是否與現(xiàn)有的工廠條件相符，并且掌握現(xiàn)有的條件是否符合工程進(jìn)度和性能的要求。在選擇材料時(shí)，主要考慮的是可用性能否達(dá)到進(jìn)度要求。
材料、設(shè)備和工人的進(jìn)出必須在擬定施工前的規(guī)劃時(shí)就做好安排，保證供應(yīng)商的人員能夠及時(shí)進(jìn)入施工區(qū)域，不會(huì)在施工現(xiàn)場(chǎng)因準(zhǔn)入問(wèn)題浪費(fèi)時(shí)間。解決準(zhǔn)入問(wèn)題的最理想的辦法很可能是設(shè)置一個(gè)臨時(shí)通道和更衣室。在規(guī)劃過(guò)程中，把施工入口分開(kāi)看似一種奢侈的做法，但此舉在施工過(guò)程中所發(fā)揮的作用足以抵消其支出。
在裝運(yùn)和存儲(chǔ)材料及元件時(shí)有潔凈與非潔凈之分，因此它必須納入改造計(jì)劃和進(jìn)度的整體規(guī)劃。正確的材料處理措施能夠大幅度降低勞動(dòng)成本并降低污染。不斷搬動(dòng)材料和轉(zhuǎn)移材料，存在著材料受損壞的風(fēng)險(xiǎn)，最終影響改造項(xiàng)目的進(jìn)度。完善的計(jì)劃再加上有效的施工管理可以保證材料準(zhǔn)時(shí)交付，而且也簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程中材料的分段輸送。要做到這些，需要縮小材料輸送所需空間，并提高它的靈活性。
因?yàn)樵谡麄€(gè)施工期間始終要保證施工區(qū)域與周?chē)臻g是分隔開(kāi)的，所以在設(shè)計(jì)階段就要做好規(guī)劃。需要考慮的問(wèn)題包括天花板上方空間、管道系統(tǒng)內(nèi)、靜壓空間、回風(fēng)夾墻、液體輸送管道和地板下方空間，最大限度地減小拆除和/或者改造施工造成的污染，并遏制污染。
建筑結(jié)構(gòu)問(wèn)題
要在潔凈室中安置所有必要的輔助設(shè)備，通常會(huì)出現(xiàn)空間不夠的狀況。這迫使設(shè)計(jì)人員利用外部設(shè)備平臺(tái)或者在屋頂上安置設(shè)備。為保證建筑物結(jié)構(gòu)通過(guò)改造后可以承載負(fù)荷，這就需要分析建筑物的結(jié)構(gòu)。
在潔凈室上方，從屋頂向下懸掛設(shè)備也是很常見(jiàn)的。一些建筑的耐用度甚至超過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)的要求，足以支撐額外的負(fù)荷；但是，其他建筑物，特別是租來(lái)的建筑物，往往只是按照居住標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，無(wú)法承受額外的重量。如果有這種要求，就需要加固現(xiàn)有建筑物的結(jié)構(gòu)，達(dá)到支撐新負(fù)載的要求。
把對(duì)振動(dòng)敏感的設(shè)備安放在振動(dòng)平臺(tái)或者振動(dòng)桌子上，可能是解決振動(dòng)問(wèn)題的最好辦法。更新改造現(xiàn)有建筑物結(jié)構(gòu)體系的成本很高，在建造好的空間內(nèi)，可以利用振動(dòng)測(cè)試的辦法把一些要求有剛性的區(qū)域找出來(lái)。
要想把某個(gè)空間改造成潔凈實(shí)驗(yàn)室，另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是從地板到結(jié)構(gòu)頂部的凈空。那些專(zhuān)用來(lái)出租出售的建筑物，其高度可能低于潔凈室的最低要求，不能為潔凈室天花板上方留出一定的空間。十二英尺是改造成潔凈室所要求的最低高度。可惜的是，很多寫(xiě)字樓和投機(jī)性建筑物樓層之間的距離只有十二英尺高，但是從房頂上向下凸出的結(jié)構(gòu)性橫梁的緣故，很難把這類(lèi)建筑物改造成潔凈實(shí)驗(yàn)室。
HEPA過(guò)濾器氣流
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員即將面臨的挑戰(zhàn)是，如何安裝大型空氣處理器或者風(fēng)扇，以及如何在現(xiàn)有建筑物內(nèi)部署大量的管道系統(tǒng)。不過(guò)，規(guī)模較小的潔凈室工廠可以使用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的HEPA過(guò)濾組件（FFU）作為過(guò)濾系統(tǒng)。根據(jù)總的原則，過(guò)濾器不要超過(guò)20個(gè)，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的HEPA模式設(shè)計(jì)的價(jià)格要比更常見(jiàn)的管道供應(yīng)系統(tǒng)便宜。使用空氣調(diào)節(jié)強(qiáng)制通風(fēng)和風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)組件，可以作為標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)設(shè)備和常規(guī)管道使用，這種管道不需要通過(guò)密封處理來(lái)滿(mǎn)足增壓的要求，因此制造和安裝成本都比較低。
采用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的HEPA過(guò)濾組件具有下列優(yōu)點(diǎn)：
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安裝成本比RAU低；
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安裝速度要比管道空氣系統(tǒng)更快；
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隨著時(shí)間的推移，如果需要改變過(guò)濾器位置，使之具有更好的靈活性；
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停機(jī)的可能性要比單一的RAU少。如果一個(gè)FFU馬達(dá)不工作，氣流將減少5%甚至更少；但如果一個(gè)RAU風(fēng)扇馬達(dá)出現(xiàn)故障，氣流減少100%。
當(dāng)然，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)組件也存在一些缺陷：
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與RAU系統(tǒng)相比，要做到精確控制溫度和濕度的難度更大；
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由于使用了多個(gè)0.5馬力的馬達(dá)，因此耗電量更大；
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噪聲較大，不過(guò)在最近的風(fēng)扇過(guò)濾器產(chǎn)品中，馬達(dá)噪聲的問(wèn)題已經(jīng)有了很大的改善；
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維護(hù)成本較高，維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)。
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溫度問(wèn)題
從舒適和工藝要求兩方面考慮，必須有效地控制潔凈室內(nèi)的溫度。在ISO 7級(jí)（10,000級(jí)）或ISO 6級(jí)（1,000級(jí)）實(shí)驗(yàn)室中，潔凈室的溫度保持在72°±2°F左右，工作人員穿著工作服的舒適度最好。在要求更加嚴(yán)格的潔凈室內(nèi)的工作人員必須身穿全套的“兔子服”，這時(shí)，必須把潔凈室的溫度控制在66°±2°F是最適宜。
設(shè)計(jì)用途不是作為潔凈室使用的建筑物可能無(wú)法與周邊環(huán)境完全隔離。這些建筑物大部分都有窗戶(hù)，在一天里，總會(huì)有熱量通過(guò)窗戶(hù)傳入或逸出潔凈室，這會(huì)對(duì)潔凈室里的實(shí)驗(yàn)操作產(chǎn)生不利影響。因此需要注意防止實(shí)驗(yàn)室受到外部熱源溫度變化的影響。
濕度
許多關(guān)于溫度控制的問(wèn)題也適用于濕度控制。確定值和誤差都要符合應(yīng)用的實(shí)際需要。如果溫度保持在合適的水平，相對(duì)濕度（RH）在30-65%的范圍會(huì)讓人感到比較適宜。如要求達(dá)到更窄的濕度誤差，一般只是工藝方面的要求。對(duì)于現(xiàn)有的建筑物而言，提高濕度控制意味著巨大的成本。在干燥區(qū)域，加濕的成本很高。而在潮濕區(qū)域，需要去濕。在大部分區(qū)域內(nèi)，如果要求RH的誤差達(dá)到±5%，就必須把加濕設(shè)備和去濕設(shè)備整合到機(jī)械系統(tǒng)中。
壓力
控制潔凈空間和非潔凈空間之間的壓力差并不是件難事。不過(guò)，如果夾墻或者回風(fēng)豎井是由現(xiàn)有的建筑物墻壁或者預(yù)制板構(gòu)成，那么它們可能無(wú)法承受任何壓力。所有的這類(lèi)空間都需要充分密封。最常見(jiàn)的情況是，最嚴(yán)格潔凈空間的壓力最高，其壓力一般要比周?chē)鷿崈舳纫筝^低的空間高出0.02英寸水柱（in. w.c.），比相鄰的非潔凈空間高出0.05英寸水柱。
使用生物隔離防護(hù)的潔凈室，室內(nèi)壓力必須比周?chē)噜徔臻g的要低，同時(shí)確保潔凈室空間是密閉的、污染物無(wú)法進(jìn)入。“在潔凈室內(nèi)再專(zhuān)門(mén)分割出一個(gè)房間”也不失為一種可行的辦法。此外，還可以采用“單通道”的配置。這類(lèi)房間要盡可能地小，為的是能夠滿(mǎn)足處理的要求。
工藝管道
工藝管道的作用是輸送冷卻水、去離子水、大宗氣體，同時(shí)也是專(zhuān)用的排放系統(tǒng)。在現(xiàn)有的建筑物中，中央管道系統(tǒng)在整合時(shí)可能會(huì)遇到一些特殊問(wèn)題。按照常規(guī)，用有效的方式安裝冷卻器和高純度水系統(tǒng)的難度很大。在實(shí)驗(yàn)室級(jí)的潔凈室中，任何通過(guò)有害氣體的管道都必須緊挨著處理設(shè)備，不管是在潔凈室里還是在鄰近的夾墻中。
消防問(wèn)題
潔凈室的噴水消防系統(tǒng)可以很容易地直接從現(xiàn)有的供水管道向下延伸到潔凈室的天花板。由于潔凈室中可能使用了易燃劑，這導(dǎo)致潔凈室噴水滅火系統(tǒng)的復(fù)雜程度更高。鑒于潔凈室使用的處理設(shè)備都非常貴，通常的做法是在不使用時(shí)，安裝在天花板上的噴水滅火系統(tǒng)要保持干燥。
電氣問(wèn)題
現(xiàn)有的供電系統(tǒng)可能也需要對(duì)容量和應(yīng)急發(fā)電機(jī)這兩部分進(jìn)行改進(jìn)。現(xiàn)有的供電系統(tǒng)可能無(wú)法為潔凈實(shí)驗(yàn)室設(shè)施提供可靠的應(yīng)急電源，因?yàn)檫@超出了保證生命安全要求的法定應(yīng)急供電范圍。因此，可能需要安裝不間斷電源來(lái)保證關(guān)鍵的工藝設(shè)備能安全地關(guān)機(jī)。
建筑上的挑戰(zhàn)
對(duì)目前建筑物進(jìn)行初次改造和拆除，必須嚴(yán)格按照預(yù)定的計(jì)劃，把材料從潔凈實(shí)驗(yàn)室改造區(qū)域移出去并且作正確的處理。放慢這項(xiàng)重要工藝的推進(jìn)速度能夠最大限度地減少污染，預(yù)先確定危險(xiǎn)材料并且按照規(guī)定移走和處理。
每天把會(huì)產(chǎn)生微粒的材料從潔凈實(shí)驗(yàn)室的施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)走。建立中轉(zhuǎn)區(qū)域，通過(guò)該區(qū)域把材料運(yùn)進(jìn)和送出施工現(xiàn)場(chǎng)。工作人員必須佩戴員工牌，表明他的身份是在關(guān)鍵環(huán)境中還是在非關(guān)鍵環(huán)境中工作的人員。明確在整個(gè)施工期必須遵守的而且是可以接受的規(guī)定。
被確定為在修復(fù)后可以重新安裝或者再次使用的產(chǎn)品，一經(jīng)確定就要馬上送到中轉(zhuǎn)區(qū)域進(jìn)行清洗、包裝和儲(chǔ)存。在重新安裝時(shí)，需要把它們的包裝打開(kāi)，然后根據(jù)材料準(zhǔn)入?yún)f(xié)議進(jìn)行清潔。
所有材料都要視為新材料并遵循材料準(zhǔn)入規(guī)定。施工必須嚴(yán)格遵循潔凈建造協(xié)議，而且每天都必須清洗潔凈實(shí)驗(yàn)室施工區(qū)域。最好在把所有臨時(shí)施工隔離物移出去之前，進(jìn)行最后的（全面）清潔。然后，根據(jù)材料準(zhǔn)入?yún)f(xié)議，設(shè)備通過(guò)中轉(zhuǎn)區(qū)域運(yùn)送到施工區(qū)域，再根據(jù)運(yùn)作協(xié)議條件把設(shè)置放在指定位置。
利用現(xiàn)有空間建造實(shí)驗(yàn)室級(jí)潔凈室竟然要考慮這么多的問(wèn)題。有人會(huì)問(wèn)，有沒(méi)有人能夠提供在租賃的空間中建造潔凈實(shí)驗(yàn)室的方案？在目前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，這不是個(gè)容易回答的問(wèn)題。但是，現(xiàn)在已經(jīng)有這類(lèi)實(shí)例。