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潔淨室煙控原理與有效設計方式
発表時間:2006-9-12  訪問:3341  

 

   

一 , 為何要煙控
近幾年來 , 在我國的新竹科學工業園區內陸續發生了多次半導體廠房火災
事故 , 雖然所造成的人員傷亡不大 , 但對於財物的損失卻很可觀 , 其數目動輒以
數十億乃至百億元新臺幣計算 , 對業界所造成的損傷與危害可想而知 . 在事後調
查的結果顯示 , 高溫濃煙才是造成財損的元兇 , 但由於臺灣土地取得不易 , 潔淨
室廠房多向高樓層發展 , 高智慧的技術人力及昂貴的設備機台集中在廠房內 , 萬
一發生火災意外 , 損失將數十倍於一般工廠 .
此外 , 高科技 潔淨室 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 , 則類似華邦 ,
天下電子與聯瑞的廠房火災將不斷有機會再發生 . 因此 , 為了降低火災發生時人
員的傷亡與財物的損失 , 必須對建築物進行煙流控制 , 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 潔淨室 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 潔淨室 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 , 若遇上 潔淨室
潔淨室 下層回風區發生火災時 , 則打開閘門以進行排煙 .
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
潔淨室 中 , 則 潔淨室 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 潔淨室 火災產生的煙塵 , 將其導引向下至
下層回風區中 , 然後經由排氣風管打開的閘門抽走 . 第二個假設為 : 若火災發生
於下層回風區中 , 則上升的煙塵會蓄積於下層回風區的上部 ( 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 潔淨室 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於 3 kW, 煙塵的向
上速度就會大於 0.5 m/s(3 kW 的火算是很小的火 ), 然後煙塵會在上方蓄積形
成蓄煙層 , 此時從 潔淨室 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係 , 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 潔淨室 中而無法在高架地板下蓄積 , 使得排煙點的有效排煙範圍僅
限於排煙閘門周圍附近 , 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 模式常見於老舊廠房的 潔淨室 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 , 後來因為需要 , 只好在一般排氣風管
上開洞 , 在加裝控制閘門後做為排煙之用 , 如此對原來的設備及廠務系統影響最
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 ? 其洩漏量為 UL 555S 的何種等
級 ? 系統如何控制及可靠度問題 ?( 若控制越複雜 , 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 , 排煙風扇位於回風豎井的最上端 , 在排煙的同時 , 利用閘門關閉 ,
切斷回風豎井與 潔淨室 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 : 無論火災發生於 潔淨室 或下層回
風區中 , 潔淨室 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 潔淨室 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 潔淨室 中 . 無論何處發生的火災 , 最後煙塵的流動方向都
是流向回風豎井的入口而去 , 再經由回風豎井至最上端的風機排出 . 由上述分析
可知 , 此種假設只適用於小型火災 ( 熱釋放率小於 3 kW) 發生時 . 也許當初這
種模式的 設計 者認為 , 在 潔淨室 中產生大火就無須進行控制 , 因為 潔淨室 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
上升速度仍會大於向下垂直層流速度 .
圖一 ( 三 ) 為 潔淨室 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 潔淨室 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 , 然後
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
緊急應變程式 , 就可以有效的控制火災成長期範圍內的煙流 , 若火災可以即時撲
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於表一中 .
表一 國內現有三種排煙方式之特性與優劣比較表
種類 排煙位置 排煙量排煙效果污染範圍回風用軸
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 潔淨室 廠房之煙控設備屬圖一 ( 一 ) 與圖一 ( 二 ) 的煙控模
式 , 至於圖一 ( 三 ) 的煙控模式僅占 10%, 且並非完整的 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 潔淨室 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 .
C/R
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 ) 於回風道排煙
C/R
RAP
( 三 ) 無排煙
( 四 ) 於 潔淨室 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 潔淨室 煙控模式如圖二所示 . 主要概
念是在 潔淨室 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). 潔淨室 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 潔淨室 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 ), 並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 潔淨室 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 .
回風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
系統再迴圈進入其他的區劃中 , 此時位於 潔淨室 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 , 偵煙器可用定址的離子式偵煙
器或是及早型偵煙器 VESDA(Very Early Smoke Detector Active).
在舊有的 潔淨室 廠房中 , 多於回風道採用軸流式風機 , 並且搭配 HEPA Filter
或 ULPA Filter 之回風形式 , 此種方式的廠房較不利於採用防煙區劃來分區關閉
回風系統並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 潔淨室 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 .
MA
排煙位置
送風防煙垂壁
VESDA
VESDA
正壓區
防煙風門
負壓區
排煙管路
回風豎井
(shaft)
圖二 潔淨室 理想之煙控模式
 

 




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