影响洁净室设计、建造成本的十五个因素
在洁净室内建造十分完善的系统，可以充分保证生产加工过程中的洁净度。任何设计标准的变化，必将对洁净室的质量产生特殊效果。以下这十五个因素将决定一个洁净室在施工方面的费用。这项花费可能在每平方英尺1 80美元到2.800美元之间（要看是不是包括工具以及装配和工艺设备的费用）。
洁净室的设计和施工通常是在非常紧张的时间限定下完成的，可供选择、改变、和其他可行性改进的机会很少。因此，鼓励使用“标准件复制”( cookie-cutter repeats)来避免新设计方法中的潜在风险。这些标准的洁净室设计方案可能会减轻设计者的任务，但不会改进项目的经济性或者降低施工成本。因为每个洁净室所要求的条件在一些细微的方面都是不同的，若不是所进行的设计／施工模型完全相同，那么采用标准的洁净室设计方案是无效的。除非业主对于一个特殊的设计模型十分有信心，通常工程师都被要求设计一个比客户预期更加严格的洁净室，这样即使在某些方面出了差错，他们至少仍能够达到预期目的。过多的设计预算可能会浪费金钱，但是当实际需求的预算还没有评估出来之前，这样做是必须的。洁净室花费的增加与设计和施工专家、洁净室开发者和业主三者之间的相互信任成反比。
一．项目介绍
工具动力供应与生产设备的有效连接；维修区域、管槽、走廊、暖通、动力专业设备间和动力站的位置等问题的合理安排，这些是洁净室设计经济性的主要方面。在项目刚刚开始时就应该考虑到这些因素，并通过由建筑师、工程师、承包商和业主组成的进行评估。这样才能确保所有参与者十分了解用户的生产目标和要求，这点是一个设计施工项目在经济性方面取得成功的关键。
简单的说，业主对于所需洁净室的类型特征进行恰当的 选择，会对最终的花费产生至关重要的影响。这没有“数字 猜谜游戏”式的解决方案。业主、工程师、建筑师、承包商 都必须了解规范或ISO标准中那些不必要的变量／因素对于花费的影响，因此需要评估每一个生产细节和生产要求。在开始任何的设计之前，这个团队必须要一起工作以确定目标、需求和期望。
二、个案研究
为分析洁净室施工花费与十五个关键设计因素的关系，我们：将美国二十个洁净室设施的数据编辑如下：
在1983年至2003年间，建立的十个微电子生产工厂，洁净室的洁净度等级是IS05级和IS0 6级。
在1983年至1996年间，建立的四个制药和生物制药工厂，洁净室的洁净度等级是IS0 5级和IS0 7级。
在1994年至2003年间，建立数十个微电子生产工厂，洁净室的洁净度等级分别是IS03级、IS0 5级、IS07级和IS0 8级。
在1994至2004年前，建立的八个生物制药工厂，洁净室的洁净度等级分别是IS04级、IS05级、IS07级和IS08级。
通过对暖通、动力专业(HVAC，工艺管道)工程费用数据的推断，综合考虑地点、劳务费用和通货膨胀等因素，进行调整，从而得到一个统一的关于洁净室暖通、动力专业工程费用分类的简单描述，该分类包括IS03级、IS05级、IS07级和IS08级每一类的洁净室。
本次分析所选择的洁净室，设施面积相差不多，都在40，000到60，000平方英尺之间，并且都有30%到40%的生产空间被不同等级的洁净室、洁净室走廊和气闸占用。使用相同的方法计算暖通、动力专业设备的生产费用，从而得到花费的详细统计如表2所示。这种方法统一了暖通、动力专业工程费用，而没有区分微电子洁净室、制药和生物制药洁净室。
这些经验变量可以用百分数的形式乘以每平方英尺的工程费用来计算不同类型洁净室的花费，也能在项目初期帮助进行工程费用评估。
三、 成功的十五个方法
利用以下十五个成本因素变量，提供可供选择的设计方案动态数据库，对基本的洁净室设计和标准进行改进，尽量满足工厂的需求，通过这些方法我们应该能够减少项目的工程费用。ATI的建筑师和工程师应用这些方法成功地为生物制药学、微电子学和食品加工行业的洁净室设计，并实施了施工工程。
1．换气次数。花费因素变量：一0.08至0.19
洁净室内的空气分配设备（通常是吊顶过滤器）被设计成“喷淋式”，用来提供统一的、洁净的已过滤的空气。向房间补给的空气量，让人想起与普通的浴喷头相反的消防龙头。美国联邦标准209E、日本标准JIS B9920和ISO标准14644-1的标题是：洁净室外和相关控制环境——第一部分：清洁空气的分级。这些标准提供了洁净室参数、分级和检测方法的指导方针，但并未说明如何经济有效地达到要求。这是因为每种生产过程和洁净室外的要求是不同的，因此，可以采用不同的再循环空气量，达到预期的环境要求。
至少有五种不同的“可能”设计能够达到预期的结果，然而只有一种设计是最佳方案。为项目寻找最佳和最经济的解决方案，是洁净室外换气项目的最基本的曰标理念。
房间内污染物的比率和实际微粒产生情况，是影响洁净室空气换气次数的主要因素。在生产过程中，不对其他因素产生任何影响的情况下，清除微粒的速度是非常重要的。其他可能影响再循环空气数量的因素是：房间的结构、设备的位置、设备表面温度、空气对流、气流类型（单向通过敏感区或者通过全空间）、操作空间和规章、使用的材料和化学药品等。
洁净室可能需要在静态下进行鉴定，在工况下进行鉴定，对生产过程进行确认或者cGMP认证。由综合服务管理部制定的联邦标准209(e)，建议100或90fpm。然而有可能建立一个空气流动速度较低，但比100级洁净度更高的洁净室。实际上，已经有洁净室的空气流动速度是45cfm/平方英尺。
2．单向的、紊流的、垂直或水平气流。花费因素变量：-0.073至0.18。
在许多案例中，单向气流只在小空间和洁净室的敏感区域内使用，并且使用微环境。污染物的源头可能存在于手套箱、过滤模块等地方。多数设计为整体单向气流洁净室外的方案，只有在这些区域中没有作业者、生产设备和排风装置时才能实现单向气流。垂直或水平气流的选择，取决于房间的结构和设备的安放位置，紊流就可以将污染物带走。
洁净室内的架空地板是用来掩盖工具、设备与动力设备之间的电线、通讯电缆、水电、管道的连接的。后来，为了节约成本，在“bay-and-chase”式的洁净室结构中，这些架空地板被当作从港湾到夹层的回内通道。在完全单向气流的洁净室内，人们希望微粒从工作区域流到带小孔的地板下。我们已经成功的建立了10级和100级的洁净室，在这些洁净室内没有架空地板，采用墙下部回风系统，而且洁净室的气流被设计成紊流。
另一种办法是用薄的空气喷射装置隔离超清洁区域，这种空气喷射的速度是每分钟500到800英尺。它的功能类似于塑料门帘。
3．空气过滤。花费因素变量：-0.032至0.10
采用未端HEPA过滤器对空气进行过滤，0.3到0.5微米的去除效率为9g.gg%,0.12微米的去除效率为99.999%；若使用ULPA过滤器，0.12微米的去除效率为99.99995%。根据洁净室外的用途，也可以选择其他的设备，例如，在循环风加新风处理系统巾，使用HEPA过滤器用碳吸附或相似功能的合成过滤器处理voc，静电过滤箱，等等。
在洁净室市场上，风机过滤不再是新产品，正确地应用它可以为许多高水平的洁净室提供卓越的、经济的解决方案，尤其是在吊顶高度有限的建筑内。已证明降低成本和减少过滤器的压降（在洁净室的寿命期内，使用低等级过滤器，长时间采取高压降方式运转，所带来的效益并不十分明显）。
4．空气处理器。花费因素变量:-0.07-0.15
新风处理空调箱[Make-up AHUs]。典型的新风处理空调箱（初级AHUs）为循环风空调箱（二级AHUs）提供必需的新风。新风由离心排风机、轴流或plug风机加上过滤器、预热和再热用热水盘管、冷却和除湿使用的冷冻水盘管、蒸汽和绝热加湿器等组成。附件和差异包括静电空气混合器、蒸汽预热盘管、超声波加湿器、盐水、除湿用的直接交换[Dx]或乙二醇低温冷冻盘管、VOC吸附过滤器、噪声衰减器，VFP(变频)驱动等。
最近12年．M&I传热产品公司成功地研制和生产了非常经济、可靠的风机系统。这些系统工作起来非常安静，并且消耗的能源很低，通常比离心式或plug风机系统能耗少20%。新风处理空调箱通道是将空气注入集管，再通过支管系统给循环风空调箱提供新风。在初级和二级风管上进行空气测量，并调节送风机、VFD或进口风阀以便恒定风量。Magnahelic讲量器临测安装在各个空调箱内HEPA过滤器布袋过滤器和预过滤器的荷载。有吊顶风机过滤器的情况下，新风处理空调箱出来的空气进入循环风空调箱再送出。
循环风空调箱( Recirculation AHU s)。典型的循环风空调箱由高效离心式风机、过滤器和湿热（干）冷盘管组成。附加和差异包括用于局部温度控制的再热盘管、用于局部湿度控制的蒸汽或超声波加湿器、风量恒定控制箱。这种采用Whisper-Air and Compac Space风机系统的方式提供了一种节约成本和充分使用能源的选择。
多重循环风空调箱通过送风管，再经过ULPA过滤器或HEPA过滤器，将空气送入洁净室，在洁净度等级为10级和1级的洁净间的吊顶上，这些过滤器通常是100%覆盖。垂直单向气流向下通过洁净间，穿过带孔的架空地板砖进入地板下面的回风空间，再通过垂直回风夹道向上进入吊顶回风静压箱。然后，空气再次进入循环风空调箱，以上的空气循环再次重复。如果是使用吊顶风机过滤器，在风机过滤器上面的吊顶空间时，可以安装水或直接交换冷却[DX-cooled]风机盘管实现表面冷却。
5.空气压差。花费因素变量：-0.041-0.08。
洁净窒增压是必须的，它的作用是确保洁净室远离其临近区域的污染，控制有害污染物的流向，防止不同区域间的交叉污染，并帮助保持所要求的温度和湿度水平。
洁净室与相关走廊、设施内的其他区域的压差应维持在0.25到o．005英寸水柱(in.w.g.)之间。一般制药企业所要求的压差值比这更高，在不同区域之间采用层叠压差来避免交叉污染。在不同的区域间安装一系列的层叠式气闸和允许空气快速扩散的正压门，从而产生压差。好的微电子洁净室设计中，通常在洁净室的入口安装一个半密封的气闸来使压差保持在0.02到0.005in.w.g之间。更衣间和穿衣间用气闸分离 入口的机械风淋相对于它的必要性而言，更是设工文化和洁净室的原则问题。
许多微电子和光刻洁净室成功地采用被动气压控制，只有在大门全部打开的情况下，入口处的风量维持在每分钟50到100英尺。一些生物制药企业要求主动压差控制，采用补充新风的方式，自动补足通过门泄漏的空气（当门打开时）。 压差临测器用来完成这个任务，例如Henry G.Dietz公司的产品。监视器可能被安装在洁净室外面，而在洁净室内有一个LED的显示器，该显示器带有一个声音报警装置和两个指示器，可以表示气压的正常与否。这种设备在生物制药洁净室中有生物限制要求的区域内通常用来测负压值，而在电子类洁净室内，通常用来检测负压值，而在电子类洁净室内，通常用来检测正压值。它带有数字压差显示器，显示的精确度是0.001m.w．c．，测量压力值或真空度的范围是0.5 in.w.c。压差通过闪亮LED和自动报警装置来表示。当打开大门时，设备内部有一个可调整的延迟报警时间，用来避免启动声音报警装置。
6．温度控制。花费因素变量：-0.0321至0.15
温度和湿度的变化能够引起生产设备的误差，从而影响生产过程的可重复性，最终导致产品合格率降低、增加浪费。因此，洁净室对温度严格控制要求是显而易见的，这项花费是必须的。 通常情况下，要求工程师在设计时降低施工费用，同时要求在很大区域内对温度进行精确的控制，允许的温度变化范围在±4到6华氏度之间（例如使用卷帘门的仓库）。在没有硬墙和气闸装置时，这将是十分苛刻的要求，并且实际上无法控制湿度的变化。人们通常认为洁净室外的洁净度、温度、湿度和气压等项目的层叠性是非常容易达到的，并且很容易维持，但需要仔细的评估这些项目的误差范围。
如果对洁净室内的暖通、动力专业装置和控制系统有严格要求，例如洁净室的的温度控制要求为正负0.1华氏度所用花费，可能比基准点为70华氏度，±2.0度（即标准要求68到72华氏度）的高处20%到50%。在每个洁净室区域内，有局部自动调温器来控制设计温度。它能驱动安装在风管上的局部，再热或再冷盘管工作，来满足房间内的湿热的要求。如果使用风机盘管装置，局部自动调温器控制本区域内盘管出口空气的温度。
7．温度控制。花费因素变量：-0.034至0.19。
每个洁净室内的相对湿度，通过局部湿度调节器来进行控制。如果窨内的相对湿度较高，恒湿器通过降低冷冻盘管流出空气的温度来加强除湿。同时，再热盘管提供热量来保持窨的温度。任何一个洁净间的相对湿度超出了设计范围，局部恒湿器将启动安装在风管上的局部湿度调节器。当必须满足精确的湿度控制时，通常利用空调箱中的新风的绝热增湿效果来实现，并通过洁净室的结露点来维持。湿度水平的局部变动可以通过超声波湿度调节器进行控制，该调节器位于最终过滤前的风管静压箱内。用水水质为RO/DI，水电阴率在3到5玎，gm之间。如果相对湿度低于设计范围，恒湿器将启动湿度调节器来增加新风的水分量。如果想对湿度较高，恒湿器将降低新风控制冷冻盘管流出空气的露点温度，从而达到除湿的效果。
8．排风系统。花费因素变量：-0.031至0.16。
典型的工艺排风系统包括：酸、溶剂和l voc、毒性物质、热和一般的房问排。如果废气中有氨气出现，一厂家会选择使用分开的风管系统和处理系统。使川最多、最普遍的酸消除方法，是水平或垂直气体洗涤塔。溶剂和voc的去除通常运用就地或当场高温破坏的方法。需要认真选择支队的方式及必须支队的废气流量。
优质的空气处理设备能够将废气降至最低，因此，在实施过程中可降低工程费用和能源浪费。保持排风量增加的潜在需求、扩人生产和安装这些备用品所需的经济价值之间的平衡是十分重要的。通常情况下，考虑到沽净室将来的扩展，当其它动力设备和暖通、动力专业系统（例如新风和冷却）不能满足这种扩充的需求时，超大的昂贵的、不锈钢衬里的或FRP排风系统就已经建立了。没有考虑将来的需求而建立的酸排队系统也是十分普遍的。增加风量和新的风管支管，就会使风管系统中的风速超过每分钟4000英尺。这样的系统保持平衡是十分困难的或不可能的，并且运行的费用昂贵。
9．振动和噪声控制。花费因素变量：-0.027至0.10。
设备的大小和重量影响震动的传播及控制。洁净室地板下面的“华夫（waffle）”混凝士板层，能够很好地避免将设备的振动传送到其他牛产区域或度量衡工具上。即使为了安装管道而在洁净室的地而上钻洞，Waffle混凝土板层仍能保持其风性。因为地板的强度在于它的栅格系统，并可进行重新整理。因此可在地板上冲压额外的孔洞，而不会对振动因素有任何副作用。
所有的暖通、动力专业设备应使用弹簧、软件接和隔离安装等隔绝振动的方式，将振动效应降到最低。低噪音的节能风机和马达，可以用来维持洁净室NC水平。振动和噪声方面的专家应是评估小组的成员，他们来领袖用于振动和噪声方面的专家应是评估小组的成员，他们来核实用于振动和噪声控制中的机械和建筑学原理。完工后的再处理可能是十分昂贵的。如果建筑师、暖通、动力专业工程师、业主和顾问从设计的开始就考虑这些因素，可以免去许多潜在的昂贵的检测，或用更经济的办法取代。
10.磁通量和电磁通量。花费因素变量：0.037至0.15。
磁通量被认为是银河系中海洋微粒背景的流量。银河系的放置也被认为是自然界的电磁循环。“通量”这个词代表流量，我们可以认为磁力线就象某种液体流动的路线那样穿过一个假想的表面。磁场的大小代表流动的速度，它的方向就是流动的方向。磁通量就是流过这个表面的所有的容量。为了更好地理解，我们可以认为磁通量就是穿过这个表面的磁力线的数量。
对于给定的速度，当微粒移动的方向垂直于磁场方向时，磁力是最大的，当与磁场方向平等运动时，磁场力为零。在大多数基本水平，移动电荷之间的相互作用产生磁力，就象静电产生于导电电荷与其他导电电荷（不论他们是否运动）之间的相互作用。迎过对行星的拍照研究表明，由于地球的放置和它熔化的金属内核使得它有一个强人的磁场。磁通量的的密度（替代“牛顿的每安培米”）有它自己的单位——特斯拉。地球表面的磁场近似代表值足二分之一高斯’人约是200,000特斯拉。在对公众开放的区域内，职业安全和健康要求磁场强度不能大于二5个高斯。
洁净室的磁场防护是十分昂贵的。M15'洁净室使用4到5毫米厚的磁性（铁——硅）钢板（M15型）作为屏蔽材料仍不能满足要求。当前的半导体、度量衡和通讯实验室区域内要求磁通量的强度限制在o．05高斯或更低。曾经有一个非常昂贵的洁净室在建成后不久就关闭了，因为它所在的位置有很高的磁通量。另一个洁净室失败因为安的生产地板F面埋了几英尺的一条高容量的高压电缆。再一次强调，如果在项目的开始对这些因素进行评估，可能会找到解决措施并节约时间和成本。事实上，磁场屏蔽的成本也是应该考虑的。
11．空气和物体表面的静电荷。花费因素变量0.0327至0.1。
“静电”是由于两个独立的表面相互接触而产生的。不同表面产生的电荷，如果不能以足够快的速度传导到地面，那么它们会聚集并散布在材料的表面一一一一这就是“静电”工业范围很多区域内残余的静电荷，会造成危险并引发问题。它能引起易燃气体的燃烧和人体触电。它能使薄的薄膜和轻纤维粘连、吸附空气中的尘埃和碎片、损害半导体设备和干扰微电子设备的运行。
关于易燃气体、水蒸汽和粉尘的危险与两方面的因素有关，其一是与电容储存能量相关，涉及到最小起爆能；另一方面是与最小间距的破坏电压相关，这可以引发着火。典型的，一般碳氢化合物气体或空气混合物的最小起爆能是0.2毫焦耳，并产生至少几千伏的击穿电压。对于粉尘，最小起爆能是几毫焦耳。静电荷放电引起的震动大约在1毫焦耳时是可以辨别的，当震动在10到100毫焦耳范围内时很可能使人感觉不舒服。1焦耳以上的能量将引起人体主要肌肉的收缩。当静电作用力与重力或其他约束力相当时，将产生机械操作难题。这与局部电场的引力有关，因此，绝缘体与表面电荷密度有关。
一般情况下，静电作用力是微弱的，但是当电荷密度小于几毫焦耳10-7/a时，灰尘就将被吸附在它的表面。人们进行正常的活动时会产生静电，例如在地毯上行走、从椅子上站起、磨擦衣服的表面等。在湿度较低的环境和广泛使用人造纤维的环境’产生静电荷更高。身体电压可高达到15千伏。
通过带电织物、带电体、手持金属物体等可进行静电放电。这些静电放电可能产生CMos)能够越过设备外包装内的几毫米空隙直接进入内部电路。放电可产生几安培的电流，使 频率上升到几百兆赫——特别是金属导体充当放电源时。静电对于半导体设备的危害取决于设备的类型和设计方案。互补金属氧化物半导体(cMos)设备和精细几何结构特别容易受影响。尽管损害很可能与放电量和电压有关，但是风险的表示方式与“人体模型”放电电压有关。经验表明大约50伏特时候，损害的灵敏度降低。微电子系统混乱所产生的问题。也被标示与人体模型放覅安有关。系统必须 能经受几千伏特的电压，因为在正常工作环境中，人们在地板上走动等活动很容易轻易地产生高压。避免因静电放电对微电子系统产生影响的最基本的方法是．将设备安放在良好的静电和磁场屏蔽场所内，恰当减少昕有的输入和输出连接。
12．能源和生产费用。花费因素变量：-0.017至0.15。
再循环AHU风机和冷却空气的DX装置产生的成本是引入关注的，大约是全部HVAC生产成本35%。使用最新设计的装置能够节约生产成本，例如风机过滤VFD驱动、高效率马达、带有冷却塔的冷却系统、局部热水再热循环、绝热加湿。洁净室的严格清洁要求与它固有的高生产成本相关。然而，如果事先计划好，可以大大降低成本：
1．精确定义洁净室级别，满足工艺要求。
2．精确定义洁净室空气温度和湿度，满足工艺要求。
3．洁净室外的排风量应满足工艺的最低要求，一开始就进行排风管理程序。在设计开始，就在所有的排气支管和工艺设备上提供气流和压差的批示仪器。
4．通过确定设备风速的最大值和最小值，来降低风管釉管道的压降，在施工整个过程中贯彻这些捐导方针.
5．使用微环境、手套箱、真空室和模块式围挡；减少大窨的需求，从而降低生产成本。
6.使用带VFD（变频）驱动的高效率马达。
7.使用补充循环和排风系统来减少压降并节约空间。
13.形式和功能。花费因素变量：-0.0388至0.16。
一般而言，20.000到30，000平方英尺的洁净室面积需要60,000到90，000平方英尺的建筑面积。为了在高度方面有大约100英尺的间隙空间，建筑高度必须要在大约21到26英尺。另外应在洁净室外层上面或1F面另有12到16英尺的窨间用于安装暖通、动力专业设备。为了有最大限度的灵活性，洁净室内部不应有任何的柱子。屋顶结构应有最小深度，并且能够随每平方英尺100至200磅的负荷，以便安装那些悬挂在上部结构的水管、风管和空气处理装置。
通常情况下，间隙空间被用来作为回风静压箱。因此，这些个空间和建筑物应用阴燃材料建造。间隙空间，也就是吊顶下面的空间，应该有喷淋装置。应严格执行现行的国家防火协会( NFPA)法规，连同当地安全法规一起执行。获得施工许可证（生产许可证）可能是长期的、昂贵的，如果不执行全部建筑和防火安全法规将无效。
14 微粒。花费因素变量：-0.040至0.15。
15.工艺管道系统。花费因素变量：-0.021至0.20。
不应取消这些因素（14和15）对于成本影响的讨论。同时，因为这些变量对于每个工厂都是独特的，最好不要对它进行综合评论。不过，它们会在内部表格内提及。洁净室设施的设计过程是动态的，并具有创造性的。洁净室可能发展我们今天所了解的完全不同的洁净室。微环境、屏蔽技术、手套箱和自动控制已经改变了洁净室的外观和运行。但是，与今天的洁净室在几十年前还是闻所未闻一样，明天生产圣杯的技术将毋庸置疑地向我们鼹现出非凡的惊喜，并向我们今天的所有发出挑战。
