摘要：對于規(guī)模比較小的生產運作，如何在有限的預算內對現有的空間進行改造升級、達到工藝的要求？在當前的經濟形勢下，隨著各行各業(yè)對納米技術的研究和分析投入明顯增加，針對小規(guī)模潔凈實驗室的需求呈現明顯的增長勢頭。在制造業(yè)、企業(yè)的研發(fā)中心和學術單位的研究機構中，需要大量的這種小規(guī)模潔凈實驗室。不管是供汽車和包裝材料使用的復合材料，在涂料、光學、生物和化學檢測系統中，在抗菌劑中，還是用于癌癥治療、給藥、成像技術、診斷和監(jiān)測等應用上，它們都需要大量的新型潔凈室，這是在過去未曾遇到的。

對于規(guī)模比較小的生產運作，如何在有限的預算內對現有的空間進行改造升級、達到工藝的要求？

在當前的經濟形勢下，隨著各行各業(yè)對納米技術的研究和分析投入明顯增加，針對小規(guī)模潔凈實驗室的需求呈現明顯的增長勢頭。在制造業(yè)、企業(yè)的研發(fā)中心和學術單位的研究機構中，需要大量的這種小規(guī)模潔凈實驗室。不管是供汽車和包裝材料使用的復合材料，在涂料、光學、生物和化學檢測系統中，在抗菌劑中，還是用于癌癥治療、給藥、成像技術、診斷和監(jiān)測等應用上，它們都需要大量的新型潔凈室，這是在過去未曾遇到的。

 

很多時候，這些潔凈實驗室都是在現有空間的基礎上進行改造。最近，我們注意到很多公司和研究機構正在考慮租用工廠作為新型受控實驗室使用。有的公司甚至打算把租來的、原本不是作為實驗室使用的工廠改造成潔凈實驗室，更不用說改成潔凈室了，這使問題變得更復雜。對大部分公司和研究所來講，對現有工廠進行改造和升級或更新租用的工廠，有許多相同的問題，本文將對部分問題展開討論。

 

幾個星期前，有一個客戶到我們公司，提出希望我們能夠針對他的業(yè)務設計一座全新的潔凈實驗室。作為該實驗室的投資者，他表示，“我們物色到一處極佳的建筑，打算把它租下來”。從租賃的角度看，所謂最佳的建筑無非是位置和外觀，但是從必要進行有效的污染控制環(huán)境研究這方面來說，它與完美相差甚遠。在設計潔凈實驗時，所要考慮的關鍵問題遠遠多于創(chuàng)建一個潔凈環(huán)境。

 

人們的思路往往是把潔凈室看成購買一個預先造好的標準化盒子，然后在現有的廠房內把盒子安裝好，再給照明系統和風扇通上電，這個工廠就可以運作了。但是，這些東西只是符合了潔凈室的最低要求，這種觀點對于絕大多數潔凈室工廠來講，都不合適。

 

在評估一個可能成為實驗室的空間時，首先要考慮的是如何才能使現有的建筑按照相應的程序達到預期的功用，使之符合實驗室的要求。簡而言之，首先要明確實驗室所需遵循的程序。然后，對實驗室程序進行分類，可以分為以下五種。每一套程序都有各自需要關注的問題。并不是在設計潔凈室時使用的，而是在評價潔凈實驗室工廠是否合適時所需關注的問題清單：

 

1、工藝設備

• 要求的環(huán)境條件（潔凈度水平、溫度、濕度）；

• 總面積（操作面積加上維護通道）；

• 高度和寬度（入口通道的凈空，以及安裝升降機的凈空）；

• 重量（現有建筑物結構所能承載的負荷）；

2、與工藝相關的外部供應

• 供給建筑物的水質；

• 實驗室廢棄物排放；

• 高純度水（RODI、WFI、蒸餾水）；

• 真空、CDA；

• 氣體和化學物質（危險性和高純度）；

• 工藝廢氣；

• 電源（可用電壓、可靠性和品質）；

3、安保措施

• 危險材料（廢物的傳送、裝卸、儲存、收集/處理）；

• 人流和化學/氣流的分離；

• 現場和建筑物的可達性；

• 各國對危險材料的安全要求或規(guī)定；

4、總的空間要求

• 可以改造的或者租用的空間；

• 實驗室空間；

• 實驗室的后備空間（設備室、化學和氣體儲存室）；

• 潔凈室的后備空間（更衣室、設備室）；

• 潔凈室的機械空間（循環(huán)空氣單元[RAU]、冷凍機、加濕器、供水等用房）；

• 潔凈室的電氣空間（電氣室、服務器機房、IT柜、應急發(fā)電機）；

• 可用的屋頂空間；

5、預算和進度

• 施工準入限制；

• 干預正在進行的活動；

• 施工截止時間的可行性。

設計要求

在展開設計、最好是制定計劃之前，第一步是對現有的設施展開調查，以確定現有圖紙（如果圖紙已準備）是否真實反映了實際的現狀。

 

在建筑物中，現有系統有可能會成為設計的障礙，這種問題往往會出現在HVAC主管道、供水和/或排水管道，或者其他的基礎架構中。

 

現有的屋頂條件應當達到可以放置排氣和機械設備的要求。

 

施工前的準備

在調查現有的條件的同時，還要調查市場條件是否與現有的工廠條件相符，并且掌握現有的條件是否符合工程進度和性能的要求。在選擇材料時，主要考慮的是可用性能否達到進度要求。

 

材料、設備和工人的進出必須在擬定施工前的規(guī)劃時就做好安排，保證供應商的人員能夠及時進入施工區(qū)域，不會在施工現場因準入問題浪費時間。解決準入問題的最理想的辦法很可能是設置一個臨時通道和更衣室。在規(guī)劃過程中，把施工入口分開看似一種奢侈的做法，但此舉在施工過程中所發(fā)揮的作用足以抵消其支出。

 

在裝運和存儲材料及元件時有潔凈與非潔凈之分，因此它必須納入改造計劃和進度的整體規(guī)劃。正確的材料處理措施能夠大幅度降低勞動成本并降低污染。不斷搬動材料和轉移材料，存在著材料受損壞的風險，最終影響改造項目的進度。完善的計劃再加上有效的施工管理可以保證材料準時交付，而且也簡化了安裝過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。

 

因為在整個施工期間始終要保證施工區(qū)域與周圍空間是分隔開的，所以在設計階段就要做好規(guī)劃。需要考慮的問題包括天花板上方空間、管道系統內、靜壓空間、回風夾墻、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。

 

 

建筑結構問題

要在潔凈室中安置所有必要的輔助設備，通常會出現空間不夠的狀況。這迫使設計人員利用外部設備平臺或者在屋頂上安置設備。為保證建筑物結構通過改造后可以承載負荷，這就需要分析建筑物的結構。

 

在潔凈室上方，從屋頂向下懸掛設備也是很常見的。一些建筑的耐用度甚至超過相關設計的要求，足以支撐額外的負荷；但是，其他建筑物，特別是租來的建筑物，往往只是按照居住標準設計的，無法承受額外的重量。如果有這種要求，就需要加固現有建筑物的結構，達到支撐新負載的要求。

 

把對振動敏感的設備安放在振動平臺或者振動桌子上，可能是解決振動問題的最好辦法。更新改造現有建筑物結構體系的成本很高，在建造好的空間內，可以利用振動測試的辦法把一些要求有剛性的區(qū)域找出來。

 

要想把某個空間改造成潔凈實驗室，另一個關注點是從地板到結構頂部的凈空。那些專用來出租出售的建筑物，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，很多寫字樓和投機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構性橫梁的緣故，很難把這類建筑物改造成潔凈實驗室。

 

HEPA過濾器氣流

機械系統設計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扇，以及如何在現有建筑物內部署大量的管道系統。不過，規(guī)模較小的潔凈室工廠可以使用風機驅動的HEPA過濾組件（FFU）作為過濾系統。根據總的原則，過濾器不要超過20個，風機驅動的HEPA模式設計的價格要比更常見的管道供應系統便宜。使用空氣調節(jié)強制通風和風機驅動組件，可以作為標準的空調設備和常規(guī)管道使用，這種管道不需要通過密封處理來滿足增壓的要求，因此制造和安裝成本都比較低。

采用風機驅動的HEPA過濾組件具有下列優(yōu)點：

• 安裝成本比RAU低；

• 安裝速度要比管道空氣系統更快；

• 隨著時間的推移，如果需要改變過濾器位置，使之具有更好的靈活性；

• 停機的可能性要比單一的RAU少。如果一個FFU馬達不工作，氣流將減少5%甚至更少；但如果一個RAU風扇馬達出現故障，氣流減少100%。

當然，風機驅動組件也存在一些缺陷：

• 與RAU系統相比，要做到精確控制溫度和濕度的難度更大；

• 由于使用了多個0.5馬力的馬達，因此耗電量更大；

• 噪聲較大，不過在最近的風扇過濾器產品中，馬達噪聲的問題已經有了很大的改善；

• 維護成本較高，維護時間較長。

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溫度問題

從舒適和工藝要求兩方面考慮，必須有效地控制潔凈室內的溫度。在ISO 7級（10,000級）或ISO 6級（1,000級）實驗室中，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。在要求更加嚴格的潔凈室內的工作人員必須身穿全套的“兔子服”，這時，必須把潔凈室的溫度控制在66°±2°F是最適宜。

 

設計用途不是作為潔凈室使用的建筑物可能無法與周邊環(huán)境完全隔離。這些建筑物大部分都有窗戶，在一天里，總會有熱量通過窗戶傳入或逸出潔凈室，這會對潔凈室里的實驗操作產生不利影響。因此需要注意防止實驗室受到外部熱源溫度變化的影響。

 

濕度

許多關于溫度控制的問題也適用于濕度控制。確定值和誤差都要符合應用的實際需要。如果溫度保持在合適的水平，相對濕度（RH）在30-65%的范圍會讓人感到比較適宜。如要求達到更窄的濕度誤差，一般只是工藝方面的要求。對于現有的建筑物而言，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，如果要求RH的誤差達到±5%，就必須把加濕設備和去濕設備整合到機械系統中。

 

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，如果夾墻或者回風豎井是由現有的建筑物墻壁或者預制板構成，那么它們可能無法承受任何壓力。所有的這類空間都需要充分密封。最常見的情況是，最嚴格潔凈空間的壓力最高，其壓力一般要比周圍潔凈度要求較低的空間高出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。

使用生物隔離防護的潔凈室，室內壓力必須比周圍相鄰空間的要低，同時確保潔凈室空間是密閉的、污染物無法進入?！霸跐崈羰覂仍賹ｉT分割出一個房間”也不失為一種可行的辦法。此外，還可以采用“單通道”的配置。這類房間要盡可能地小，為的是能夠滿足處理的要求。

 

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，同時也是專用的排放系統。在現有的建筑物中，中央管道系統在整合時可能會遇到一些特殊問題。按照常規(guī)，用有效的方式安裝冷卻器和高純度水系統的難度很大。在實驗室級的潔凈室中，任何通過有害氣體的管道都必須緊挨著處理設備，不管是在潔凈室里還是在鄰近的夾墻中。

消防問題

潔凈室的噴水消防系統可以很容易地直接從現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，這導致潔凈室噴水滅火系統的復雜程度更高。鑒于潔凈室使用的處理設備都非常貴，通常的做法是在不使用時，安裝在天花板上的噴水滅火系統要保持干燥。

 

電氣問題

現有的供電系統可能也需要對容量和應急發(fā)電機這兩部分進行改進?，F有的供電系統可能無法為潔凈實驗室設施提供可靠的應急電源，因為這超出了保證生命安全要求的法定應急供電范圍。因此，可能需要安裝不間斷電源來保證關鍵的工藝設備能安全地關機。

 

建筑上的挑戰(zhàn)

對目前建筑物進行初次改造和拆除，必須嚴格按照預定的計劃，把材料從潔凈實驗室改造區(qū)域移出去并且作正確的處理。放慢這項重要工藝的推進速度能夠最大限度地減少污染，預先確定危險材料并且按照規(guī)定移走和處理。

 

每天把會產生微粒的材料從潔凈實驗室的施工現場運走。建立中轉區(qū)域，通過該區(qū)域把材料運進和送出施工現場。工作人員必須佩戴員工牌，表明他的身份是在關鍵環(huán)境中還是在非關鍵環(huán)境中工作的人員。明確在整個施工期必須遵守的而且是可以接受的規(guī)定。

 

被確定為在修復后可以重新安裝或者再次使用的產品，一經確定就要馬上送到中轉區(qū)域進行清洗、包裝和儲存。在重新安裝時，需要把它們的包裝打開，然后根據材料準入協議進行清潔。

 

所有材料都要視為新材料并遵循材料準入規(guī)定。施工必須嚴格遵循潔凈建造協議，而且每天都必須清洗潔凈實驗室施工區(qū)域。最好在把所有臨時施工隔離物移出去之前，進行最后的（全面）清潔。然后，根據材料準入協議，設備通過中轉區(qū)域運送到施工區(qū)域，再根據運作協議條件把設置放在指定位置。

 

利用現有空間建造實驗室級潔凈室竟然要考慮這么多的問題。有人會問，有沒有人能夠提供在租賃的空間中建造潔凈實驗室的方案？在目前的經濟形勢下，這不是個容易回答的問題。但是，現在已經有這類實例。