有關《按粒子濃度劃分的空氣潔凈度等級》國際新標準的一些問題

天津仁愛學院 涂 有

天津大學 涂光備

凈微(蘇州)有限公司 王炎財 周薛峰

0 引言

ISO 14644-1:2015《按粒子濃度劃分的空氣潔凈度等級》[1]頒布至今已5年多，它是ISO 14644《潔凈室及相關受控環境》系列標準的源頭，截至目前該系列標準己陸續增添到十幾個之多。該項標準(ISO 14644-1)自1999年5月頒布以來，得到國際科技界廣泛認同與采納，成為該領域最重要、最基礎的標準。ISO 14644-1:2015是該項標準自發布以來的第一次修訂，其波及和影響范圍之深度與廣度可以想見。

目前國內通行的潔凈室及相關受控環境的各項國家或行業標準，無一不是直接或間接根據ISO 14644-1:1999[2](以下簡稱舊版本)所規定的基本原則來制定的。顯然，當下也要隨ISO 14644-1:2015(以下簡稱新版本)予以調整。己有相關機構正著手或準備進行此項工作。本文談談筆者對新版本標準的某些看法，供國內參照該項標準修訂相關標準時參考。

新版本在其引言中特別指出：“本版最顯著的變化是對采樣位置的選擇和數量以及對采集數據的評估，采取了更加一致的統計方法”，強調了新版本對潔凈環境的空氣潔凈度等級驗證檢測工作的關注。筆者在《ISO 14644-1:2015標準簡介及對某些問題的質疑》[3]一文中，對新版本有關采樣點數的確定方法提出了質疑并有所論述。

實際上，新版本中關于收窄高潔凈度級別所適用的關注粒徑范圍的規定，是另一項與空氣潔凈度等級及其驗證檢測工作關系密切，而且影響很大的變更。但在其引言內并未予以強調。本文就潔凈度等級驗證檢測時，可選的關注粒徑與采樣點數對檢測工效的影響予以討論，并對個別曲解新版本原意的相關論述提出質疑。

1 新、舊版本關于各潔凈度級別關注粒徑的不同規定

新版本給出了如表1所示的“按粒子濃度劃分的空氣潔凈度ISO等級”[1]，舊版本給出了如表2所示的“潔凈室及潔凈區空氣潔凈度整數等級”[2]。

比較表1和表2可以看到：

1) 新版本(表1)規定，確定ISO 1級時，≥0.2 μm及以上的粒子濃度己不適用；確定ISO 2級時，≥0.5 μm及以上的粒子濃度己不適用；確定ISO 3級時，≥1 μm及以上的粒子濃度己不適用。也就是說，新版本從檢測工作實際出發，刪改了舊版本中不宜作為某些級別的關注粒徑尺寸。新版本所采取的變更關注粒徑尺寸的舉措，對保證檢測質量、縮短檢測耗時、提高驗收工效是十分重要的。

2) 在舊版本(表2)中有某些空白處。而在新版本中，對舊版本“未置可否”的空格，以注釋的形式都給予了明確的規定。例如，新版本考慮到采樣系統可能存在大顆粒損失，以及其粒子濃度低，因此規定≥5 μm的粒子濃度不適合作為ISO 1級至ISO 5級的等級限值。即這些潔凈等級不能采用≥5 μm作為關注粒徑，如表1中注釋④所示。又如，ISO 7級至ISO 9級，因其<0.5 μm粒徑的粒子濃度太高，所以新版本規定，0.1、0.2、0.3 μm不適合作為以上級別的關注粒徑，如表1中注釋⑥所示。

3) 考慮到ISO 1級至ISO 4級中，某些可關注粒徑的等級限值濃度很低，需要采集大量的空氣樣本，方能滿足從統計學角度所要求的采樣粒子數。所以新版本明確規定，在此情況下，宜采用序貫采樣程序，如表1中注釋②所示。

2 關注粒徑范圍的變更對檢測工作的影響

新版本收窄了一些高級別適用的關注粒徑范圍，筆者認為正是根據十多年實踐的經驗，從實際工作需要出發，所采取的確保潔凈度認證質量和節省高潔凈級別認證時間、提高檢測工效的措施。

新版本與舊版本在單次采樣空氣量及各點的最短采樣時間上的規定基本一致。根據統計學的要求，所選最大關注粒徑的粒子濃度恰為所認證ISO級別規定的濃度限值時，在采樣點的單次采樣空氣量應足以檢測到至少20個粒子。因此單次最少采樣空氣量按下式確定：

(1)

式中Vs為每個采樣點單次最少采樣量，L；Cn,m為相應等級最大關注粒徑的濃度限值，個/m3。

同時還規定每個采樣點的單次采樣空氣量至少為2 L，每個測點單次采樣時間不短于1 min。新版本還增添了每個采樣點每次采樣量應相同的規定，目的都是保障采樣質量。

依照上述要求，按舊版本規定，ISO 1級可選取0.2 μm作為關注粒徑，此時單次最小采樣空氣量Vs=20個÷2個/m3×1 000 L/m3=10 000 L。

若使用俗稱為大流量，即每分鐘采氣量為28.3 L(1 ft3)的塵粒計數器，則每個測點的單次采樣時間T=10 000 L÷28.3 L/min=353 min。

而按新版本規定，對于ISO 1級只能采用0.1 μm作為關注粒徑，此時單次最小采樣空氣量Vs=20個÷10個/m3×1 000 L/m3=2 000 L，每個測點的單次采樣時間T=2 000 L÷28.3 L/min=71 min。

按新、舊版本對關注粒徑的不同限定，檢測ISO 1級潔凈室時，各測點單次最少采樣空氣量，按舊版本執行可能達到新版本的5倍之多；采用相同容量的塵粒計數器時，各測點單次采樣所需時間，按舊版本操作是新版本的5倍。

根據新版本與舊版本對關注粒徑范圍的不同限定，比較各ISO級別潔凈室，按標準允許采用的最大關注粒徑，其相應的單次最小采樣量及采樣時間如表3所示。

表3 相同ISO級別潔凈室新、舊版本可選最大粒徑的最小單次采樣量及時間的比較

從表3可以看到，新、舊版本因為關注粒徑的限定范圍不同，測點的單次最小采樣量及采樣時間可能出現很大的差別。按新版本的規定，ISO 3級允許采用的，即可選用的關注粒徑最大為0.5 μm，相應滿足單點采樣所需空氣量為571 L，使用采樣流量為28.3 L/min的塵粒計數器時，采樣時間僅為21 min。而舊版本可選用的最大關注粒徑為1 μm，所需單次最小采樣空氣量達2 500 L，每個測點每次采樣需耗時88 min。也就是說，檢測ISO 3級潔凈室時，若以舊版本標準所列最大允許關注粒徑為依據，則單點采樣每次所耗時間為新版本標準的4.2倍。

由此可見，新版本收窄某些高潔凈等級適用的關注粒徑范圍的舉措，對于高級別潔凈室，特別是近年出現的一些大型電子廠房的檢測意義重大，有助于這類潔凈環境驗證檢測節省時間，提高檢測工效。

值得注意的是，工藝需求是決定潔凈環境的潔凈等級和關注粒徑的最根本因素。同種工藝及產品所需要的潔凈等級和關注粒徑應是一致的，并不因為新、舊版本對某些潔凈等級的關注粒徑范圍的規定有所差異而不同。也就是說，依據式(1)確定單次最少采樣空氣量時，用于計算的相應等級最大關注粒徑及濃度限值決定于工藝需求。新版本及舊版本標準都不排斥潔凈室工藝需要時可選用2個或更多的關注粒徑，只要符合新、舊版本標準一致規定的、兩相鄰粒徑(較大粒徑D2與較小粒徑D1)之比不小于1.5，即D2≥1.5D1即可。例如，ISO 4級潔凈室如需要，可認定0.2、0.3、0.5 μm為所關注粒徑。此時式(1)中的最大關注粒徑的濃度限值，即對應于ISO 4級及≥0.5 μm的濃度限值352個/m3(見表1及表2)，而并非舊版本ISO 4級所允許的最大關注粒徑1 μm所對應的濃度限值83個/m3。

此外，除工藝有特殊要求并明確規定所需關注粒徑的尺寸外，一般按潔凈行業常規，ISO 1級及ISO 2級通常采用0.1 μm作為關注粒徑，ISO 3級及ISO 4級采用0.1 μm及0.3 μm作為關注粒徑，ISO 5級及以上級別一般將0.5 μm及5 μm列為關注粒徑。采用多于2個關注粒徑的情況并不多見。

3 影響潔凈室潔凈度驗證檢測空氣采樣工效的主要因素

潔凈環境是多種技術綜合所成，而潔凈度無疑是其最重要的標志。在建成或改造之后必然需要依據建設標準進行驗證檢測。此外，持續正常運行的潔凈室除日常監測潔凈度外，還需要定期進行監測(參見標準)。在空調凈化通風系統調試完成，送排風量、風速、溫度、濕度等各項指標達標后，潔凈室高效過濾器送風口要逐一檢漏，更換存在瑕疵的高效過濾器或采取周邊密封措施。這是最費時費事，但至關重要的一步。在完成上述所有工作并徹底清潔后，才具備房間潔凈度檢測的條件。如空調凈化通風系統設計正確，并達到合理的運行參數，全部高效過濾器出風口經檢漏達標，一般情況下即可滿足新版本標準所需的潔凈度級別驗證檢測條件。

在此前提下，依據新版本標準，按待測潔凈室或潔凈區的面積確定采樣點數，并相應將被測潔凈面積劃分成大小相近的網格，采樣點一般設在網格中央或具有代表性的位置。考慮到工藝設備布局等因素，必要時還可以在最小采樣點數之外增設附加的采樣點。顯然，采樣點數越多驗證檢測耗時越長。

另一影響檢測工效的重要因素是各采樣點的最少單次采樣空氣量。如前所述，同一潔凈級別如果選取不同的關注粒徑，所需最少單次采樣空氣量相差很大。例如，ISO 5級按常規以0.5 μm為關注粒徑時，最少單次采樣空氣量為571 L，使用采樣流量為28.3 L/min的塵粒計數器需要采樣21 min。如果選用1 μm為關注粒徑，則最少單次采樣空氣量達2 500 L，采樣需時88 min。二者耗時之比達4倍之多(參見表3)。

但對于大面積的潔凈廠房，因新、舊版本關于最少采樣點數的規定相差很大，所需檢測時間就有很大差別。例如，面積為5 500 m2的ISO 3級電子廠房，按新版本的規定最少采樣點數為NL=27A/1 000，即超過1 000 m2的潔凈廠房，無論面積大小，均按每37 m2面積取1個測點確定最少檢測點數。按新版本的規定，5 500 m2的潔凈室最少采樣點數為149個，而按舊版本的規定，最少采樣點數約為74個。如果工藝要求關注粒徑為0.3 μm，無論依據新版本或舊版本的規定，單點最少采樣量均為196 L。采用28.3 L/min的大流量塵粒計數器，每個測點一次采樣按10 min計，則按新版本的規定采樣累計時間就長達149×10 min=1 490 min≈24.8 h，而按舊版本的規定僅需74×10 min=740 min≈12.3 h，二者相差1倍多。

4 正確看待新版本標準有關檢測的一些問題

依據新版本編制的行業標準《按粒子濃度劃分潔凈度等級》的報批稿是筆者所知國內最早成文上報的、與新版本相統一的標準。這也表明組織該項標準編制的部門，一向都是國內“潔凈室及相關受控環境”領域的重要機構和率先者。

該行業標準報批稿的正文與新版本標準一致，即所謂等同采用。但對該行業標準所特別增添的附錄“待測最少采樣點數NL應用說明”，筆者持懷疑觀點。該附錄的目的看來是要論證“雖然新版本較舊版本大幅增加了1 000 m2以上的大面積潔凈室的采樣點數，但并不見得增加了檢測時間，因此認可新版本確定采樣點數的方法”。

對于新版本有關采樣點數的確定方法合理與否，筆者認為需要認真審視。與國際標準接軌的方向是毋庸置疑的。但并非國內頒發的標準應完全追隨國際標準，一些國家根據國情作出必要調整也是常態[4]。國內專家及筆者近期發表的一些相關文章中都提出了同樣的觀點[5-8]。

筆者認為，該附錄對于新、舊版本所需檢測時間的比較方法可能不當，因此所得結論欠妥。討論如下：

該行業標準報批稿的附錄中，依據新版本標準收窄了某些高級別潔凈等級的關注粒徑的適用范圍，由此得出“盡管對大面積潔凈室規定的采樣點數較舊版本驟增，但綜合起來檢測時間反而縮短”的結論，并給出了如表4及表5所列的計算實例以證明其結論。

表5 5 500 m2潔凈區2個版本不同等級潔凈度下總檢測時間比對[4]

比較表4和表3可以看出，二者所列內容一致，但標題不同。表3的標題為“相同ISO級別潔凈室新、舊版本可選最大關注粒徑的最小單次采樣量及時間的比較”，而表4標題為“2個版本不同等級潔凈度下，采樣點每點采樣時間比對”，也就是說表4認為，同一潔凈度級別，新、舊版本的采樣點每點采樣時間都存在表中所列的比例關系，這個說法顯然不當。

該附錄依據表4中新、舊版本所規定的、各潔凈級別最大可選關注粒徑相應的單點采樣時間，代入到某個5 500 m2潔凈廠房的潔凈度驗證檢測中，得出了表5所列的數據，以此證明大面積潔凈室若按新版本執行，雖然采樣點數增多，但因單點采樣時間縮短，綜合起來總采樣時間與舊版本相比反而要短。

筆者認為表5所列的比對結果欠妥，其理由如下：

1) 如前所述，對于同類工藝、同種產品的潔凈環境，其關注粒徑應是一致的。進行新、舊版本標準的比較，所采用的比對潔凈室應是同一個，否則無意義。而依據表4所列的ISO 1級至ISO 5級潔凈室新、舊版本不同的最大允許關注粒徑相對應的單點采樣時間代入得到表5，所得比對結果沒有實際應用價值。

例如在表5中，對于ISO 1級，新版本采用關注粒徑為0.1 μm計算最小單次采樣量，而舊版本按照關注粒徑為0.2 μm計算最小單次采樣量；對于ISO 2級，新版本采用關注粒徑為0.3 μm計算最小單次采樣量，舊版本按照關注粒徑為0.5 μm計算最小單次采樣量。采取這樣的方法進行比對是不合理的。

2) 筆者分析表5失誤的原因，可能是對ISO 14644-1標準原文中個別措詞的理解偏差所致。本文式(1)中的Cn,m值，指的是當選用2個或更多關注粒徑時，以“所選”的最大關注粒徑對應的最大濃度限值為準(新版本與舊版本原文對式(1)的Cn,m值的表敘完全一致：Cn,mis the class limit (number of particles per cubic metre) for the largest considered particle size specified for the relevant class。此外，還可參看新版本4.4節Designation或舊版本3.3節Designation中有關商定進行測量時所選粒徑的解說)，并非是表4列出的新、舊版本標準對各潔凈等級所規定的“可選”或“允許”的最大粒徑及相應的濃度限值。

例如，進行某個ISO 3級潔凈室的檢測，業主根據工藝需求，規定要以0.1、0.3、0.5 μm等3個粒徑尺寸為關注粒徑尺寸。那么無論按照新版本或舊版本執行，單次最小采樣量都應以所選最大關注粒徑0.5 μm為準進行計算，因此按式(1)代入所得結果都是571 L。不能因為舊版本規定ISO 3級的最大允許關注粒徑為1.0 μm而將單次最小采樣量定為2 500 L(參見表3)。

該附錄將表1、表2所列各潔凈級別檢測所允許采用的最大粒徑，理解為式(1)所表述的、依據業主和檢測方根據工藝要求所選定的、用以鑒定潔凈室性能的多個關注粒徑中最大的關注粒徑。將這2個不同含義的最大關注粒徑混為一談，導致表5所列的計算結果和結論失實。

如前所述，新版本為更有效、更可靠地通過測試以檢驗潔凈環境的潔凈度，收窄了關注粒徑的適用范圍。例如，ISO 1級舊版本認同0.2 μm可作為關注粒徑，按統計學要求每個測點最少單次采樣空氣量高達10 000 L。新版本認為不妥而舍棄了此擋，僅允許以0.1 μm作為驗證潔凈級別ISO 1級的關注粒徑，單次采樣空氣量降低至2 000 L。使用相同采樣流量的塵粒計數器檢測，所需采樣時間相差達5倍之多。這正是新版本依據舊版本多年實踐反饋信息所做出的合理修改。

3) 該行業標準報批稿中，特別增列了“待測最少采樣點數NL應用說明”的附錄。該附錄除提供了表4、表5等計算結果外，還給出了“新版本最少采樣點數NL的計算方法在實踐中可行”的結論，具體如下：盡管NL數值新版本比舊版本有所增大，特別是待測潔凈室或潔凈區面積大于1 375 m2后甚至成倍增加(見表4)。但是由于新版本對低濃度的粒子不再受控(采樣與統計方法的制約)，潔凈度為ISO 1級、2級、3級、5級的潔凈區，每個采樣點的最小單次采樣量Vs降低更多，因此檢測時間新版本反而比舊版本要短；ISO 4級、ISO 6級新版本比舊版本檢測時間要長，但其數值不大(見表4)。

如前所述，該附錄所提供的表4、表5等計算結果存在瑕疵，所以上述結論并不成立。

5 結論

1) 潔凈環境的潔凈度級別驗證檢測是保障依據工藝需要所創建潔凈環境符合要求的重要環節。特別是高級別、大型潔凈廠房，此項任務繁重且耗時頗長。如何在保證檢測質量的同時提高檢測工效是值得關注的問題，需要業內總結經驗。

2) 以新版本和舊版本不同的關注粒徑所規定的最少單次采樣空氣量，和按新版本及舊版本不同方法確定的采樣點數，以不恰當的方式組合所得結果，得出“在高級別潔凈室的檢測采樣的匯總時間上，新版本較舊版本要短”的論證，并以此作為接納新版本對大面積潔凈室采樣點數較舊版本驟增的依據，由此肯定新版本“最小采樣點數NL計算方法在實踐中可行”。筆者認為此論述有瑕疵，不能成立。