對(duì)電子潔凈廠房中早期煙霧探測(cè)設(shè)置要求的探討
——GB50472-2008《電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》的深入解讀

■ 史浩　美施威爾（上海）有限公司

GB50472-2008《電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）是由住建部發(fā)布用于指導(dǎo)電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)的主要規(guī)范，發(fā)布實(shí)施至今已將近十年。《規(guī)范》對(duì)早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)提出了比較具體的要求?！兑?guī)范》6．2．7和12．3．4第2項(xiàng)都規(guī)定了：“回風(fēng)氣流中設(shè)有靈敏度嚴(yán)于0．01%obs/m的高靈敏度早期火災(zāi)報(bào)警探測(cè)系統(tǒng)?！惫P者根據(jù)在大型電子廠房項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，以本文總結(jié)電子潔凈廠房設(shè)置早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)的必要性，并解析其靈敏度的合理設(shè)置。

一、電子潔凈廠房設(shè)置早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)的必要性

電子工業(yè)廠房潔凈室火災(zāi)與一般建筑物的火災(zāi)特性顯著不同，主要有兩大特點(diǎn)：火災(zāi)隱患多、潔凈空調(diào)系統(tǒng)特殊。

1．火災(zāi)隱患多

易燃性液體災(zāi)害是潔凈室火災(zāi)最大隱患，起火點(diǎn)主要是濕式清洗臺(tái)經(jīng)常使用丙酮、異丙醇、過氧化氫等易燃性液體來清洗制程中殘留的化學(xué)物質(zhì)，再加上制程中經(jīng)常需要加熱或高溫，都可能造成低燃點(diǎn)的可燃性液體點(diǎn)燃。另外，可燃性液體導(dǎo)電性較差，易蓄積靜電而與高分子塑料容器間產(chǎn)生靜電火花，增加潛在火災(zāi)危險(xiǎn)的可能性。制程中還使用到多種可燃性氣體，其中有些在常溫常壓下會(huì)自燃，例如硅甲烷SiH4，只要一泄漏就會(huì)與空氣中的氧氣起劇烈反應(yīng)，引起燃燒。電子潔凈廠房可燃性物質(zhì)多，廢氣及廢液排放管、濕式蝕刻臺(tái)、濕式清洗臺(tái)、載具、墻、地板等皆為可燃性物質(zhì)，造成火載量增加。另外，濕式清洗臺(tái)、廢氣排放管等通常是由高分子材料制成，燃燒具有冒發(fā)濃煙或熾烈火焰的特征，在極短時(shí)間內(nèi)會(huì)蔓延成一場(chǎng)大火。除此以外，制程中的加溫及監(jiān)控裝置故障、電器短路、靜電、電力不足及異常斷電時(shí)用以輔助電力的發(fā)電機(jī)過熱等，都可能造成易燃性液體或氣體發(fā)火燃燒，或是機(jī)器設(shè)備及高分子塑材的延燒，使電子廠房潔凈室充滿危機(jī)。

2．潔凈空調(diào)系統(tǒng)特殊

潔凈室以每立方米空氣中的最大允許粒子數(shù)來確定其空氣潔凈度等級(jí)。數(shù)字越小，潔凈度等級(jí)越高。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14644-1劃分了空氣潔凈度等級(jí)（見表1），規(guī)定了特定空氣潔凈度等級(jí)下，每立方米空氣中，大于某一尺寸的散射體的最大允許數(shù)量。（項(xiàng)目實(shí)施中仍習(xí)慣采用老標(biāo)準(zhǔn)命名，老標(biāo)準(zhǔn)的“百級(jí)”～“百萬級(jí)”對(duì)應(yīng)ISO標(biāo)準(zhǔn)的5～9級(jí)。）

表1　潔凈室（區(qū)）空氣潔凈級(jí)別表

為實(shí)現(xiàn)潔凈度管控目標(biāo)，電子廠房?jī)?nèi)潔凈等級(jí)較高的潔凈室（區(qū)）的氣流比較常用的是采用上送風(fēng)、下回風(fēng)或側(cè)回風(fēng)方式，由潔凈室上方的FFU（FilterFanUnit風(fēng)機(jī)過濾機(jī)組）送風(fēng)，氣流通過潔凈室再通過下技術(shù)夾層后進(jìn)入回風(fēng)道，或者通過潔凈室干盤管直接進(jìn)入回風(fēng)道（見圖1）。

圖1　潔凈室空調(diào)系統(tǒng)

潔凈等級(jí)高的潔凈室（區(qū)）的上方滿布或密布FFU，向下的垂直氣流使煙氣無法按普通室內(nèi)場(chǎng)所那樣在頂棚上聚集。潔凈室的樓板，即下技術(shù)夾層的頂棚通常會(huì)采用開孔華夫板，華夫板下同樣也無法產(chǎn)生匯聚煙霧的效果。以上兩種情況，如果安裝吸頂式點(diǎn)型探測(cè)器無法滿足規(guī)范規(guī)定的“至空調(diào)送風(fēng)口邊的水平距離不應(yīng)小于1．5m”的要求，也無法滿足感煙火災(zāi)探測(cè)器在格柵吊頂場(chǎng)所的設(shè)置對(duì)鏤空面積與總面積的比例的要求，另外，潔凈室（區(qū)）具有換氣率大的特點(diǎn)，換進(jìn)去的空氣需要經(jīng)過凈化室凈化，再送到潔凈室。高速流動(dòng)的氣流也導(dǎo)致了煙霧無法聚集。綜上所述，吸氣采樣式早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)也是目前電子廠房潔凈室唯一有效的火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)措施。

3．必要性小結(jié)

歸納電子潔凈廠房的以上特點(diǎn)：由于在制程中要使用到極高毒性、腐蝕性及易燃性氣體、液體和大量可燃性塑材，再加上潔凈室特有的密閉作業(yè)環(huán)境及回風(fēng)系統(tǒng)，所有這些因素都大大增加了電子廠房的風(fēng)險(xiǎn)。因此，早期火災(zāi)煙霧監(jiān)測(cè)對(duì)電子廠房潔凈室在火災(zāi)中保持完好無損是至關(guān)重要的。只有在煙霧濃度極低時(shí)做到迅速探測(cè)、準(zhǔn)確報(bào)警才能及時(shí)排除隱患，最大限度地減少火災(zāi)的發(fā)生。所以，引言中所列的《規(guī)范》條款應(yīng)理解為必要條件，而不是為放寬《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》所規(guī)定的安全疏散距離和防火分區(qū)的要求而采取的選擇性加強(qiáng)安全措施。

二、早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度

設(shè)置早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)的主要目的，就是利用該系統(tǒng)能探測(cè)到不可見粒子所造成的遮光率的微小變化，來檢測(cè)火災(zāi)早期階段形成的不可見煙霧。

如何設(shè)置適當(dāng)?shù)撵`敏度來極早探測(cè)電子廠房潔凈室（區(qū)）中處于陰燃階段的火災(zāi)是至關(guān)重要的。靈敏度的設(shè)定應(yīng)該遵循兩個(gè)原則：“有效”加“可靠”。既能實(shí)現(xiàn)有效早期報(bào)警，又必須可靠消除誤報(bào)警帶來的不良影響或損失。

1．遮光率和靈敏度的概念

早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度是指可監(jiān)測(cè)到的遮光率變化的能力，用遮光率表示。遮光率又稱光學(xué)濃度，是指在單位距離被顆粒散射和吸收掉的光占光總量的百分比，即遮光率=（Io-Ii）/Io×100%/m。（Io：原始光強(qiáng)，Ii：被顆粒散射和吸收后的光強(qiáng)），用%obs/m表示（“obs”是“obscuration“遮擋”的縮寫）。遮光率與懸浮粒子大小有關(guān)：同等數(shù)量的粒子，粒子越大，遮光率越大；粒子越小，遮光率越小。由于在潔凈室中，大氣中的較大顆粒已經(jīng)被層層過濾（見圖2），該環(huán)境下的背景遮光率是極低的?？諝鉂崈舳仍礁?，背景遮光率越小。在項(xiàng)目實(shí)施中，消防驗(yàn)收部門均要求將《規(guī)范》中的0．01%obs/m遮光率作為早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警閾值，因此《規(guī)范》中的靈敏度可理解為所設(shè)定的遮光率閾值，警示煙霧濃度達(dá)到了某個(gè)程度。

圖2　大氣中的微粒及過濾

2．背景遮光率案例分析

為確定最有效可靠的靈敏度，第一步就是需要了解在正常環(huán)境下的潔凈室的背景遮光率水平。筆者收集了多個(gè)電子和非電子廠房潔凈室（區(qū)）樣本進(jìn)行集中觀察分析。為使案例分析具有可比性，樣本采用Xtralis品牌同一型號(hào)的早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采自相應(yīng)潔凈室（區(qū)）的下部技術(shù)夾層和附近回風(fēng)口部位，所取的數(shù)值雖不完全代表潔凈區(qū)域內(nèi)部，但基本可以反映該等級(jí)潔凈室內(nèi)部正常運(yùn)行環(huán)境下的背景遮光率水平。（見表2與圖3）

表2　潔凈室案例樣本數(shù)據(jù)

圖3　潔凈室案例樣本背景遮光率

根據(jù)潔凈廠房樣本觀察：百級(jí)至萬級(jí)電子潔凈廠房在0．001%obs/m～0．01%obs/m范圍（由于0．001%obs/m已經(jīng)是最高遮光率精度，因此十級(jí)及以上潔凈區(qū)背景遮光率可以默認(rèn)為0．001%obs/m）。背景遮光率數(shù)值受到潔凈度影響明顯，數(shù)值隨粒子濃度變化而逐級(jí)上升，以至于可以通過數(shù)值比較清晰識(shí)別潔凈度等級(jí)?？紤]到粒子越小遮光率越小的關(guān)系，在潔凈等級(jí)所限制的粒子數(shù)量范圍內(nèi)，早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)仍然可以靈敏地探測(cè)到5μm以下懸浮顆粒所造成的遮光率變化，說明早期煙霧探測(cè)器確實(shí)能夠有效探測(cè)早期不可見煙霧。

由于潔凈室內(nèi)可燃物極其多樣，且燃燒本身也是個(gè)極其復(fù)雜了過程，我們無法明確定義早期燃燒所產(chǎn)生的物質(zhì)及其顆粒尺寸。但我們可以把火災(zāi)初期的某段時(shí)間內(nèi)被煙霧破壞的局部潔凈環(huán)境設(shè)想為相當(dāng)于普通工業(yè)廠房室內(nèi)大氣環(huán)境，因此可以對(duì)照一下樣本“k”的背景遮光率：0．03%obs/m和0．05%obs/m（見圖4）。

圖4　背景遮光率樣本”k”

對(duì)比可見，普通工業(yè)廠房室內(nèi)大氣環(huán)境下的遮光率上升非常明顯，也就是說由5μm以上的顆粒所造成的遮光效果更加明顯。由此可以推測(cè)：隨著火災(zāi)發(fā)展，所造成的懸浮顆粒直徑和數(shù)量會(huì)逐步攀升，較大較多的顆粒會(huì)導(dǎo)致遮光率陡然上升。

以樣本”f”潔凈廠房在模擬煙霧測(cè)試狀態(tài)時(shí)的遮光率數(shù)值變化曲線為例（見圖5）。

圖5　樣本”f”遮光率變化曲線

該樣本的背景遮光率0．008%（總體0．006%），“警告”煙霧閾值設(shè)定為0．01%。可以看到在模擬煙霧下的遮光率數(shù)值呈現(xiàn)脈沖式的上升，即在極短的幾秒鐘時(shí)間內(nèi)以幾十上百倍地飚升，輕易觸及報(bào)警閾值。

3．靈敏度設(shè)置

根據(jù)案例樣本觀察發(fā)現(xiàn)，《規(guī)范》所規(guī)定的0．01%obs/m靈敏度與我們所采集潔凈室樣本（千級(jí)）在正常環(huán)境下的遮光率0．005%～0．008%obs/m僅一步之遙。由于電子潔凈室采用的是動(dòng)態(tài)氣流，氣流的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生遮光率數(shù)值的變化。另外，隨著探測(cè)器的長(zhǎng)時(shí)間使用，其靈敏度也會(huì)產(chǎn)生漂移，極有可能超過0．01%obs/m，從而引起誤報(bào)警。

0．01%obs/m的靈敏度規(guī)定還有一個(gè)可操作性不強(qiáng)的問題。所有品牌的早期煙霧探測(cè)器靈敏度均可設(shè)定為若干個(gè)煙霧閾值，分別用于“警告”、“行動(dòng)”、“預(yù)報(bào)警”、“報(bào)警”等不同等級(jí)的報(bào)警。《規(guī)范》要求既沒有明確0．01%obs/m是哪一個(gè)等級(jí)的靈敏度，也沒有明確早期煙霧探測(cè)器報(bào)警是否需要參與消防設(shè)備聯(lián)動(dòng)、如何參與。

仍以Xtralis產(chǎn)品為例來考察在“靈敏度嚴(yán)于0．01%obs/m”范圍內(nèi)劃分四個(gè)報(bào)警閾值分級(jí)的可行性。（Xtralis產(chǎn)品的最高靈敏度精度為0．001%，可設(shè)定的最低報(bào)警閾值為0．005%）。以千級(jí)電子潔凈室樣本的背景遮光率中間值0．007%為例，在0．007%到0．01%之間，以0．001%的極限靈敏度精度是無法劃分出四個(gè)等級(jí)報(bào)警閾值的。只有在最低的0．005%最低報(bào)警閾值基礎(chǔ)上，以0．001%最高精度作為分級(jí)級(jí)差，才能剛好滿足分級(jí)要求，這顯然是極其不合理的。

參考Xtralis廠家針對(duì)潔凈室推薦的煙霧靈敏度設(shè)定閾值如下：

（1）將“警告”報(bào)警閾值設(shè)定為遮光率背景值加0．015%obs/m;

（2）將“行動(dòng)”報(bào)警閾值設(shè)定為遮光率背景值加0．03%obs/m;

（3）將“火警1”報(bào)警閾值設(shè)定為遮光率背景值加0．05%obs/m;

（4）將“火警2”報(bào)警閾值設(shè)定為遮光率背景值加0．25%obs/m。

結(jié)合潔凈室樣本”e”的背景遮光率0．005%obs/m與廠家推薦的煙霧靈敏度設(shè)定值計(jì)算（見表3），我們發(fā)現(xiàn)，早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)廠家在經(jīng)過數(shù)十年的工程案例積累和總結(jié)后，得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)竟然和《規(guī)范》定義的靈敏度相差甚遠(yuǎn)。

表3　煙霧靈敏度設(shè)定值計(jì)算

4．規(guī)定合理靈敏度的意義

在設(shè)計(jì)和實(shí)際使用中，由于《規(guī)范》規(guī)定了0．01%obs/m的靈敏度，導(dǎo)致出現(xiàn)了以下問題：一方面，電子廠房早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明時(shí)必須要符合《規(guī)范》規(guī)定的過高的靈敏度要求，另一方面，在系統(tǒng)使用中，由于擔(dān)心早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)警而聯(lián)動(dòng)消防設(shè)備，如防排煙系統(tǒng)動(dòng)作會(huì)破壞潔凈環(huán)境，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此目前的實(shí)際使用案例中存在兩種情況：

（1）早期煙霧探測(cè)完全不參與火警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，僅單純地作為早期報(bào)警輔助系統(tǒng)，出現(xiàn)狀況是完全依靠人為確認(rèn)、干預(yù)、排除。但根據(jù)電子潔凈廠房的氣流特點(diǎn)，我們已知早期煙霧探測(cè)是目前唯一有效的火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，這種不參與火警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)做法其實(shí)是使火警系統(tǒng)喪失了自動(dòng)聯(lián)動(dòng)功能，并且也不能滿足GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

（2）早期煙霧探測(cè)參與火警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，但只是把《規(guī)范》要求的0．01%obs/m作為報(bào)警閾值來聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)早期煙霧探測(cè)器旁的本地聲光報(bào)警器，而參與聯(lián)動(dòng)其它消防系統(tǒng)的報(bào)警閾值設(shè)定隨意性很大。由于《規(guī)范》對(duì)靈敏度的定義既不夠明確又不盡合理，使得《規(guī)范》對(duì)靈敏度的要求形同虛設(shè)。由此可見，重新規(guī)定合理的靈敏度就顯得尤為重要。

根據(jù)《規(guī)范》條文說明：0．01%obs/m的靈敏度是借鑒了美國《潔凈室消防標(biāo)準(zhǔn)》NFPA318。（援引美國NFPA318）《規(guī)范》所描述的文字內(nèi)容與美國標(biāo)準(zhǔn)基本一致，但NFPA318標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靈敏度是0．03%obs/foot，單位轉(zhuǎn)換后正確的靈敏度是應(yīng)該是0．1%obs/m！該數(shù)值與案例分析數(shù)據(jù)及廠家推薦設(shè)定值非常吻合。在此數(shù)值之下，早期煙霧探測(cè)靈敏度可以做到有效合理地分級(jí)，既可有預(yù)警提示功能，又能夠可靠參與火警系統(tǒng)的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)。建議《規(guī)范》按此數(shù)值進(jìn)行修正。

三、結(jié)語

當(dāng)前，隨著國家對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)，近幾年會(huì)有越來越多的電子工業(yè)廠房建設(shè)開工。在這樣的大背景下，我們的規(guī)范編制單位應(yīng)該以更加務(wù)實(shí)的精神，仔細(xì)審視規(guī)范的可行性，尤其是對(duì)類似引文中所列的強(qiáng)制性條文，應(yīng)本著科學(xué)的態(tài)度作出規(guī)定，才能落實(shí)到實(shí)際應(yīng)用，才能使早期煙霧探測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮其真正的作用。