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

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

在當前的經(jīng)濟形勢下，隨著(zhù)各行各業(yè)對納米技術(shù)的研究和分析投入明顯增加，針對小規模潔凈實(shí)驗室的需求呈現明顯的增長(cháng)勢頭。在制造業(yè)、企業(yè)的研發(fā)中心和學(xué)術(shù)單位的研究機構中，需要大量的這種小規模潔凈實(shí)驗室。不管是供汽車(chē)和包裝材料使用的復合材料，在涂料、光學(xué)、生物和化學(xué)檢測系統中，在抗菌劑中，還是用于癌癥治療、給藥、成像技術(shù)、診斷和監測等應用上，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)驗室都是在現有空間的基礎上進(jìn)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(chǎng)作為新型受控實(shí)驗室使用。有的公司甚至打算把租來(lái)的、原本不是作為實(shí)驗室使用的工廠(chǎng)改造成潔凈實(shí)驗室，更不用說(shuō)改成潔凈室了，這使問(wèn)題變得更復雜。對大部分公司和研究所來(lái)講，對現有工廠(chǎng)進(jìn)行改造和升級或更新租用的工廠(chǎng)，有許多相同的問(wèn)題，本文將對部分問(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他的業(yè)務(wù)設計一座全新的潔凈實(shí)驗室。作為該實(shí)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(lái)”。從租賃的角度看，所謂最佳的建筑無(wú)非是位置和外觀(guān)，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。在設計潔凈實(shí)驗時(shí)，所要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題遠遠多于創(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買(mǎi)一個(gè)預先造好的標準化盒子，然后在現有的廠(chǎng)房?jì)劝押凶影惭b好，再給照明系統和風(fēng)扇通上電，這個(gè)工廠(chǎng)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(guān)點(diǎn)對于絕大多數潔凈室工廠(chǎng)來(lái)講，都不合適。

 

在評估一個(gè)可能成為實(shí)驗室的空間時(shí)，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(shí)驗室的要求。簡(jiǎn)而言之，首先要明確實(shí)驗室所需遵循的程序。然后，對實(shí)驗室程序進(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。并不是在設計潔凈室時(shí)使用的，而是在評價(jià)潔凈實(shí)驗室工廠(chǎng)是否合適時(shí)所需關(guān)注的問(wèn)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(guān)的外部供應

• 供給建筑物的水質(zhì)；

• 實(shí)驗室廢棄物排放；

• 高純度水（RODI、WFI、蒸餾水）；

• 真空、CDA；

• 氣體和化學(xué)物質(zhì)（危險性和高純度）；

• 工藝廢氣；

• 電源（可用電壓、可靠性和品質(zhì)）；

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(xué)/氣流的分離；

• 現場(chǎng)和建筑物的可達性；

• 各國對危險材料的安全要求或規定；

4、總的空間要求

• 可以改造的或者租用的空間；

• 實(shí)驗室空間；

• 實(shí)驗室的后備空間（設備室、化學(xué)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(wù)器機房、IT柜、應急發(fā)電機）；

• 可用的屋頂空間；

5、預算和進(jìn)度

• 施工準入限制；

• 干預正在進(jìn)行的活動(dòng)；

• 施工截止時(shí)間的可行性。

設計要求

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

 

在建筑物中，現有系統有可能會(huì )成為設計的障礙，這種問(wèn)題往往會(huì )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(shí)，還要調查市場(chǎng)條件是否與現有的工廠(chǎng)條件相符，并且掌握現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到進(jìn)度要求。

 

材料、設備和工人的進(jìn)出必須在擬定施工前的規劃時(shí)就做好安排，保證供應商的人員能夠及時(shí)進(jìn)入施工區域，不會(huì )在施工現場(chǎng)因準入問(wèn)題浪費時(shí)間。解決準入問(wèn)題的最理想的辦法很可能是設置一個(gè)臨時(shí)通道和更衣室。在規劃過(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。

 

在裝運和存儲材料及元件時(shí)有潔凈與非潔凈之分，因此它必須納入改造計劃和進(jìn)度的整體規劃。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)材料和轉移材料，存在著(zhù)材料受損壞的風(fēng)險，最終影響改造項目的進(jìn)度。完善的計劃再加上有效的施工管理可以保證材料準時(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。

 

因為在整個(gè)施工期間始終要保證施工區域與周?chē)臻g是分隔開(kāi)的，所以在設計階段就要做好規劃。需要考慮的問(wèn)題包括天花板上方空間、管道系統內、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。

 

 

建筑結構問(wèn)題

要在潔凈室中安置所有必要的輔助設備，通常會(huì )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(guò)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(jiàn)的。一些建筑的耐用度甚至超過(guò)相關(guān)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(lái)的建筑物，往往只是按照居住標準設計的，無(wú)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(dòng)敏感的設備安放在振動(dòng)平臺或者振動(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(dòng)測試的辦法把一些要求有剛性的區域找出來(lái)。

 

要想把某個(gè)空間改造成潔凈實(shí)驗室，另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是從地板到結構頂部的凈空。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?？上У氖?，很多寫(xiě)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(lèi)建筑物改造成潔凈實(shí)驗室。

 

HEPA過(guò)濾器氣流

機械系統設計人員即將面臨的挑戰是，如何安裝大型空氣處理器或者風(fēng)扇，以及如何在現有建筑物內部署大量的管道系統。不過(guò)，規模較小的潔凈室工廠(chǎng)可以使用風(fēng)機驅動(dòng)的HEPA過(guò)濾組件（FFU）作為過(guò)濾系統。根據總的原則，過(guò)濾器不要超過(guò)20個(gè)，風(fēng)機驅動(dòng)的HEPA模式設計的價(jià)格要比更常見(jiàn)的管道供應系統便宜。使用空氣調節強制通風(fēng)和風(fēng)機驅動(dòng)組件，可以作為標準的空調設備和常規管道使用，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)機驅動(dòng)的HEPA過(guò)濾組件具有下列優(yōu)點(diǎn)：

• 安裝成本比RAU低；

• 安裝速度要比管道空氣系統更快；

• 隨著(zhù)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；

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

當然，風(fēng)機驅動(dòng)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(gè)0.5馬力的馬達，因此耗電量更大；

• 噪聲較大，不過(guò)在最近的風(fēng)扇過(guò)濾器產(chǎn)品中，馬達噪聲的問(wèn)題已經(jīng)有了很大的改善；

• 維護成本較高，維護時(shí)間較長(cháng)。

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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的溫度。在ISO 7級（10,000級）或ISO 6級（1,000級）實(shí)驗室中，潔凈室的溫度保持在72°±2°F左右，工作人員穿著(zhù)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(shí)，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(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 )對潔凈室里的實(shí)驗操作產(chǎn)生不利影響。因此需要注意防止實(shí)驗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用的實(shí)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(huì )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(zhù)巨大的成本。在干燥區域，加濕的成本很高。而在潮濕區域，需要去濕。在大部分區域內，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(guò)，如果夾墻或者回風(fēng)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(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。

使用生物隔離防護的潔凈室，室內壓力必須比周?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?！霸跐崈羰覂仍賹?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。在現有的建筑物中，中央管道系統在整合時(shí)可能會(huì )遇到一些特殊問(wèn)題。按照常規，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(shí)驗室級的潔凈室中，任何通過(guò)有害氣體的管道都必須緊挨著(zhù)處理設備，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(shí)，安裝在天花板上的噴水滅火系統要保持干燥。

 

電氣問(wèn)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(jìn)行改進(jìn)?，F有的供電系統可能無(wú)法為潔凈實(shí)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(lái)保證關(guān)鍵的工藝設備能安全地關(guān)機。

 

建筑上的挑戰

對目前建筑物進(jìn)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(shí)驗室改造區域移出去并且作正確的處理。放慢這項重要工藝的推進(jìn)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)驗室的施工現場(chǎng)運走。建立中轉區域，通過(guò)該區域把材料運進(jìn)和送出施工現場(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定。

 

被確定為在修復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區域進(jìn)行清洗、包裝和儲存。在重新安裝時(shí)，需要把它們的包裝打開(kāi)，然后根據材料準入協(xié)議進(jìn)行清潔。

 

所有材料都要視為新材料并遵循材料準入規定。施工必須嚴格遵循潔凈建造協(xié)議，而且每天都必須清洗潔凈實(shí)驗室施工區域。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，根據材料準入協(xié)議，設備通過(guò)中轉區域運送到施工區域，再根據運作協(xié)議條件把設置放在指定位置。

 

利用現有空間建造實(shí)驗室級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)驗室的方案？在目前的經(jīng)濟形勢下，這不是個(gè)容易回答的問(wèn)題。但是，現在已經(jīng)有這類(lèi)實(shí)例。