PDF - Becker Reinraumtechnik GmbH

R E I N R AU M M A N AG E M E N T
Unterhält man sich mit Betreibern
von Reinräumen, so hört man immer
wieder die Klage: „Unser Reinraum
Zonenregelungen
passen sich den
Arbeits- und Absenkzeiten individuell an
verursacht Betriebskosten in einem
für uns nicht vorhersehbaren Ausmaß; können Sie uns da helfen?“
Innovativ und zukunftsweisend
Die Planung raumlufttechnischer Anlagen in der Reinraumtechnik
Schaut man sich die Reinräume dann näher an,
so stellt man fest, dass der gesamte Reinraum,
trotz unterschiedlicher Nutzungseinheiten/ -zeiten, rund um die Uhr und nahezu 365 Tage im
Jahr ohne Absenkung betrieben wird.
Wenn es darum geht, welcher Anbieter den
Zuschlag für den Auftrag bekommt, stehen bei
der Entscheidungsfindung immer noch die Investitionskosten im Vordergrund. Die Betriebskosten werden dabei nur selten oder erst im
laufenden Betrieb kritisch hinterfragt. Von dem
Ausstoß an Treibhausgasen und anderen Luftschadstoffen ganz zu schweigen.
Ist der Reinraum dann erst einmal gebaut, lassen sich Planungsfehler nur noch mit einem unverhältnismäßig hohen zeitlichen und finanziellen
Aufwand korrigieren, so dass man i.d.R. dann nur
noch von Schadensbegrenzung sprechen kann.
Aus diesem Grunde wollen wir mit unserer
langjährigen Erfahrung im Projektengineering
und dem Bau schlüsselfertiger Reinräume einen
Beitrag für die nachhaltige Planung energieeffizienter Reinräume leisten, ohne dabei die Investitionskosten aus den Augen zu verlieren.
Überblick
Die Betriebskosten für die Klimatisierung des
Reinraumes werden im Wesentlichen unmittelbar von den elektrischen Verbrauchern für die
Luftkühlung/ -umwälzung bestimmt, die wiederum mittelbar von der Regelung beeinflusst werden. Bei der Anlagenkonzeption sollte man daher
neben der Betriebssicherheit, größtes Augenmerk auf diese beiden Einflussfaktoren legen.
Betrachten wir zunächst einmal die technischen Möglichkeiten um die Antriebsenergie der
Ventilatoren zu minimieren.
EC-Motoren oder Ventilatoren mit FU-Antrieb
gehören mittlerweile zum „Stand der Technik“. In
der Praxis werden jedoch oftmals den drehzahlgeregelten Ventilatoren Konstant-Volumenstromregler nachgeschaltet die das Regelverhalten
der Ventilatoren negativ beeinflussen und somit
Energie vernichten (zwei Volumenstromregelungen in Reihe). Darüber hinaus lässt sich bei dieser
Anlagenkonzeption weder ein kontrollierter Absenkbetrieb, noch eine bedarfsgerechte Regelung
unterschiedlicher Nutzungszonen realisieren.
Genau hier setzt das zukunftsweisende Konzept „Clean&Green“ von Becker Reinraumtechnik an, das mehrere Innovationen vereint.
Volumenstromregler alle Betriebsparameter
permanent an die frei programmierbare Regelung (DDC) übermittelt. Hier werden die einzelnen Klappenstellungen mit dem eingegebenen
Sollwert verglichen, woraus dann wiederum ein
Steuersignal für den Ventilator generiert wird.
Wurde am Bedienterminal für die Ansteuerung des Ventilators beispielsweise ein Sollwert
von 90 % eingegeben, so muss vom Ventilator
sowohl im Normal- als auch im Absenkbetrieb,
lediglich die Förderleistung aufgebracht werden,
die erforderlich ist, um den Volumenstromregler
in der ungünstigsten Teilstrecke mit einem Öffnungsgrad von 90 % im Regelbereich zu halten
(Schlechtwertregelung).
Zonenregelung mit dynamischem
Luftmengenmanagement
Die Zuluftvolumenströme der einzelnen Nutzungszonen werden über busfähige elektronische Volumenstromregler geregelt und kontrolliert. Über den Datenbus werden von jedem
Abb. 1: Komfortable Anlagensteuerung über
Touchpanel, Tablet oder Smartphone
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In der Regelung ist hierfür ein veränderbares
Zeitschaltprogramm hinterlegt, wodurch die unterschiedlichen Nutzungszonen automatisch vom
Normal- in den Absenkbetrieb umgeschaltet werden. Darüber hinaus hat der Nutzer die Möglichkeit, das jeweilige Szenarium bedarfsgerecht am
Display der Regelung zu aktivieren. Dieser Bedienkomfort hat sich in der Praxis insbesonders bei
schwer planbaren Nutzungszeiten/-zonen bewährt.
Systemvorteile:
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Bedarfsgerechte Ansteuerung des Ventilators, so dass nach dem Prinzip – „so wenig
Energie wie möglich und so viel Energie wie
nötig“ – immer nur die tatsächlich benötigte
Antriebsenergie vom Ventilator aufgebracht
werden muss.
Individueller Absenkbetrieb der unterschiedlichen Nutzungszonen mit einem zentralen
RLT-Gerät.
Dynamische Regelung der Volumenströme
auch bei variabler Anlagenkennlinie, beispielsweise resultierend aus Luftmengenreduktion im Absenkbetrieb oder zunehmender Filterverschmutzung.
Anzeige der tatsächlichen Volumenströme
am Display der Regelung in m3/h.
Warnung und/oder Alarmierung bei Grenzwertverletzung.
RLT-System regelt sich automatisch auf den
energetisch optimalen Betriebspunkt ein, so
dass sich der Inbetriebnahmeaufwand deutlich reduziert.
Geringere Betriebsgeräusche im – und längere Filterstandzeiten durch Absenkbetrieb
Mit einem geringen regelungstechnischen
Mehraufwand lassen sich je nach Nutzungsverhalten/-disziplin, die Betriebskosten für
Ventilatoren entscheidend minimieren, so
dass sich diese überaus sinnvolleInvestition
innerhalb kürzester Zeit amortisiert.
Physikalisch lässt sich die Einsparung dadurch
erklären, dass sich nach dem zweiten Ähnlichkeitsgesetz (Formel 1), der Systemwiderstand
quadratisch undhergeleitet
aus dem zweiten
(Formel 2),der LeisProportionalitätsgesetz
Potenz
tungsbedarf für den Ventilator in dritter
mit dem Volumenstrom reduziert (Formel 3).
Formel 1:
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Formel 2:
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Formel 3:
Abb. 2: Beim Einsatz der RLT-Anlagen sollte auf sog. „Life-Cycle Cost“ Betrachtung wert gelegt werden
Demnach hat der Ventilator beispielsweise
durch eine Halbierung der Luftmenge im Absenkbetrieb nur noch einen Leistungsbedarf von
ca. 12 %.
Ein großes Einsparpotential ergibt sich darüber hinaus in der thermodynamischen Luftbehandlung für die Raumklimatisierung.
energetischen Gründen, anstelle des gesamten
Zuluftvolumenstroms, auch nur diesen Mindestaußenluftanteil für die Entfeuchtung, unter
den Taupunkt abzukühlen.
Systemvorteile:
◾
Entfeuchtungskonzept
Luft muss üblicherweise mit einem Kälteträger (Wasser oder Kältemittel) unterhalb des
für den Entfeuchtungsprozess relevanten Taupunkt abgekühlt werden damit Feuchtigkeit
aus dem Luftvolumenstrom kondensiert („Colaflascheneffekt“). Die Entfeuchtung durch sog.
Adsorptionstrockner mit einem hydrophilen
(wasserspeichernden) Medium hat sich nur bei
Anforderungen unterhalb von 40 % r. F. bewährt,
so dass wir an dieser Stelle nicht näher auf diese
energieintensive Technik eingehen.
Da i. d. R. der personenbezogene (ca. 50
m3/h), oder der in Reinräumen für die Druckhaltung erforderliche Außenluftbedarf (ca. 3-faches
Raumvolumen), den einzig relevanten Einfluss
auf die Raumfeuchtigkeit hat, empfehlen wir aus
◾
Geht man beispielsweise von einem
mischluftbetriebenen Reinraum ohne Prozessfortluft mit Raumkonditionen von 21 °C
und 50 % r.F. aus, so lassen sich durch die
gezielte Entfeuchtung der Außenluft, bei einer Kühleraustrittstemperatur von ca. 10 °C,
bis zu 40 % Kälteleistung gegenüber einer
Entfeuchtung des gesamten Zuluftvolumenstromes einsparen.
Keine Energievernichtung durch Nacherwärmung um die entfeuchtete Zuluft in den
feucht-warmen Sommermonaten von ca.
10 °C auf min. 16 °C (Zuluftminimalbegrenzung) zu erwärmen.
Zonenregelung mit variablen
Raumkonditionen
Bei Anlagen mit mehreren verschiedenen Nutzungszonen empfehlen wir die Kühl- und Heizregister nicht zentral im RLT-Gerät, sondern
dezentral im Zuluftsystem dem jeweiligen Versorgungsbereich zuzuordnen.
In diesem Fall sind separate Temperatur- und/
oder Feuchtefühler vorzusehen, wodurch die Regelventile der jeweiligen Kühl-/Heizregister bedarfsgerecht angesteuert werden, so dass jede
Zone nutzungsorientiert im Normal- /Absenkbetrieb klimatisiert wird.
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In der Regelung ist hierfür ein veränderbares
Zeitschaltprogramm hinterlegt, wodurch die
unterschiedlichen Nutzungszonen automatisch
vom Normal- in den Absenkbetrieb umgeschaltet werden können. Darüber hinaus hat der
Nutzer die Möglichkeit, das jeweilige Szenarium bedarfsgerecht am Display der Regelung
zu aktivieren. Dieser Bedienkomfort hat sich in
der Praxis insbesonders bei schwer planbaren
Nutzungszeiten/-zonen bewährt.
den ohne dabei den Personenschutz außeracht zu lassen
Bei einer energieeffizienten Anlagenkonzeption
sollten auch die zur Verfügung stehenden Ressourcen, wie Außen- und ggf. Fortluftvolumenströme, für die Raumklimatisierung genutzt werden.
Hierfür hat sich in der Praxis ein unkonventionell aufgebautes RLT-Gerät, mit einer Kombination aus zentraler Zuluft-, Abluft-, Außenluft- und Fortluftsektion sowie rekuperativer
Wärmerückgewinnung, bewährt.
◾
Wird von der Außenluft mehr nutzbare Energie „angeboten“, als die Zuluft „nachfragt“,
stellt die Regelung über die stetige Ansteuerung der Jalousieklappen sicher, dass durch
eine bedarfsgerechte Mischung der Außen-/
Abluftvolumenströme, nur die für die Klimatisierung der Räume erforderliche Energie
ins Zuluftsystem eingebracht wird.
Zuluftenthalpie = Außenenthalpie + Abluftenthalpie
Wärmerückgewinnungs-/
Enthalpiekonzept
Systemvorteil:
Individueller Absenkbetrieb unterschiedlicher Nutzungszonen durch geänderte
Regelhysteresen/-totzeiten (beispielsweise
21 °C und 50 % r. F. im Normalbetrieb bzw.
16 –26 °C und 40 – 60 % r. F. im Absenkbetrieb) mit nur einem zentralen RLT-Gerät.
Um die Risiken einer Partikelverschleppung
(Kreuzkontamination) vom unreineren Schleusen- in den reineren Produktionsbereich zu
minimieren, werden in der Reinraumtechnik
üblicherweise die Türen über eine sog. Zutrittskontrolle gegeneinander verriegelt, so dass immer nur eine Tür geöffnet werden kann.
◾
Verriegelungskonzept
Das „Clean&Green“ Konzept macht sich diese
Funktion zunutze indem beim Absenkbetrieb,
durch die Kommunikation zwischen MSR-Technik und Schleusensteuerung, der Zugang in die
jeweilige Zone automatisch verriegelt und ein
mögliches Kontaminationsrisiko durch Personen
während dieser Zeit verhindert wird. Nach Reaktivierung des Normalbetriebes wird die Tür zu dem
entsprechenden Nutzungsbereich, je nach Erholzeit der Räume und Umschaltverhalten der RLTAnlage, zeitverzögert über die Schleusensteuerung wieder frei gegeben. Bei Gefahr für Leib und
Leben kann die Zugangssperre über einen in der
Türzarge integrierten „Not-Auf“ übergeordnet
wieder deaktiviert werden. Diese nutzungsabhängige Verriegelungsfunktion lässt sich passwortgeschützt jeder Zeit wieder aufheben. Insbesondere bei Kontrollinstanzen von pharmazeutischen
Reinräumen findet dieser aktive Beitrag zur Risikoprävention immer wieder großen Anklang.
Über einen Kreuzstromplattenwärmetauscher
werden bei ungünstigen klimatischen Bedingungen mit dem Fortluftvolumenstrom der für
Personen oder Raumdrücke erforderliche Mindestaußenluftbedarf vorkonditioniert, so dass
die Außenluft im Winter weniger erwärmt und
im Sommer weniger gekühlt werden muss.
Für die Entfeuchtung der Außenluft ist aus
besagtem Grund, der Wärmerückgewinnung ein
Kühlregister nachgeschaltet (vgl. Entfeuchtungskonzept). Um bei günstigen klimatischen Bedingungen die Außenluft teilweise, bzw. im Idealfall
(Außenluft- gleich Zuluftkondition), vollständig für
die Raumklimatisierung nutzen zu können, wird
unmittelbar nach der Außen-/Fortluftsektion, die
Mischkammer des Zu-/Abluftgerätes angeordnet.
Die Funktion dieser „Angebots-/Nachfrageregelung“, auch Enthalpieregelung genannt,
lässt sich vereinfacht wie folgt beschreiben:
◾ Die Regelung errechnet sich aus der Abweichung des geforderten Temperatur-/
Feuchtesollwertes im Raum, einen Sollwert
für die Zulufttemperatur/-feuchte (Abluft-/
Zuluftkaskaderegelung). Gleichzeitig wird
die Außenlufttemperatur/-feuchte mit den
Abluftkonditionen aus den Räumen verglichen.
◾ Ist der errechnete Sollwert für die Zuluft, mit
den zur Verfügung stehenden Außenluftkonditionen identisch, wird in der Mischkammer
die Umluftklappe 100 % geschlossen und
die Außen-/Fortluftklappe 100 % geöffnet,
so dass die Abluft aus den Räumen als Fortluft vollständig ins Freie gefördert und die
Außenluft in gleichem Maße als Zuluft angesaugt wird. Für die Raumklimatisierung ist
in diesem Fall eine thermische Nachbehandlung der Zuluft nicht mehr erforderlich.
Zuluftenthalpie = Außenenthalpie
◾
Bei ungünstigen Außenluftkonditionen werden
Abluft-/Außenluftklappe vollständig geschlossen und die Umluftklappe gleichzeitig geöffnet, so dass in der Mischkammer der Abluftvolumenstrom aus den Räumen mit dem im
Wärmetauscher vorkonditionierten Mindestaußenluftanteil gemischt und im Zuluftsystem
thermisch nachbehandelt werden muss.
Zuluftenthalpie = Außenenthalpie + Primärenergie
Um bei schadstoffbelasteter Fortluft dem Restrisiko möglicher Leckluftströme zwischen den
Plattenwärmeüberträgern von der Fort- in die
Zuluft entgegenzuwirken, empfehlen wir bei der
Konzeption des RLT-Gerätes, die folgenden Präventivmaßnahmen zu treffen:
◾ Kreuzstromplattenwärmetauscher saugseitig
vor dem Fortluftventilator einbauen
◾ In Luftrichtung nach dem Kreuzstromplattenwärmetauscher, Differenzdruck zwischen
Zuluft- /Fortluftseite erfassen und über eine
stetige Jalousieklappe dynamisch regeln
Systemvorteile:
Systemvorteil:
◾
Mit einem geringen regelungstechnischen
Mehraufwand können im Absenkbetrieb
Kontaminationsrisiken ausgeschlossen wer-
◾
Für die Raumklimatisierung wird in erster
Sequenz kostenneutrale Außenluft und erst
in zweiter Sequenz kostenintensive Primärenergie genutzt.
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Große Wärmetauscherflächen bei relativ
geringem Außen- und Fortluftvolumenstrom,
wodurch ein Wirkungsgrad von ca. 80 %
bei vergleichsweise geringem Druckverlust
möglich ist.
◾ Optimales Kosten-/Nutzenverhältnis im
Vergleich zu anderen WRG-Systemen.
◾ Betriebssicherer Einsatz von Kreuzstromplattenwärmetauscher auch bei schadstoffbelasteter Fortluft
◾ Alle Innovationen in einem zentralen RLTGerät vereint.
Insbesondere in der Reinraumtechnik muss eine
Partikelverschleppung vom unreineren in den
reineren Bereich vermieden werden.
Die Gefahr einer sog. Kreuzkontamination
wird bei dem konventionellen Barrierekonzept
mit unterschiedlichen Druckstufen zwischen den
jeweiligen Reinheitsklassen verhindert. Hierbei
steht der reinere gegenüber dem unreineren Bereich mit 5 –20 Pa im Überdruck, so dass Türen
noch problemlos geöffnet und unbeabsichtigte
Querströmungen aufgrund von Turbulenzen vermieden werden können.
Ein Überdruck wird dadurch implementiert,
dass in einen Raum mehr Luft ein- als ausströmt.
Die Differenz aus dem Zuluft- und Abluftvolumenstrom muss hierbei mit konditionierter
Außenluft kompensiert werden. Geht man von
einem Raum ohne Prozessfortluft aus, so kann
man erfahrungsgemäß für die Druckhaltung das
3-fache Raumvolumen in Ansatz bringen.
So hat beispielsweise ein Reinraum mit einer
Grundfläche von 100 m2 und einer Höhe von 3 m
einen differenzdruckbestimmenden Außenluftbedarf von 900 m3/h, der insbesondere in den
Sommermonaten energetisch sehr aufwändig
aufbereitet werden muss. Bei angenommenen
Außenkonditionen von 32 °C und 40 % r. F. sowie
Raumkonditionen von 21 °C und 50 % r. F., wäre
für die Entfeuchtung der Außenluft, eine Kälteleistung von ca. 9 kW erforderlich.
◾
50 m3/h, der Außenluftbedarf für den Reinraum
von 900 m3/h auf 300 m3/h und die Kälteleistung für die Entfeuchtung der Außenluft von ca.
9 kW auf ca. 3 kW reduzieren.
Am Markt sind mittlerweile sog. bidirektionale Strömungssensoren erhältlich, die sowohl
Luftgeschwindigkeiten ab 0,05 m/s, als auch unterschiedliche Strömungsrichtungen präzise und
zuverlässig messen. Der Strömungssensor wird
hierbei unmittelbar vor einer definierten Öffnung
mit einem Durchmesser von max. 50 mm zwischen
den angrenzenden Reinheitsklassen montiert.
Die Stellungen der Abluftklappen werden hierbei
von der Luftgeschwindigkeit in der Überströmung und die Drehzahl des Abluftventilators
vom Differenzdruck im Abluftsystem bestimmt
An dieser Stelle konnten nur einige Systemvorteile des „Clean&Green“ Konzeptes dargestellt werden. Für weiterführende Informationen
stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.
Systemvorteile:
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Barrierekonzept
Bezogen auf die EN ISO 14644-4, werden die
reineren gegenüber den unreineren Bereichen
auch mit deutlich geringeren Differenzdrücken
wirksam voneinander geschützt, sofern innerhalb einer definierten Überströmöffnung zwischen den Reinheitsklassen eine turbulenzarme
Verdrängungsströmung von mehr als 0,2 m/s –
was einem Differenzdruck von weniger als 0,1
Pa entspricht – nachgewiesen werden kann.
Sieht man einmal von möglichen Fortluftvolumenströmen oder unvermeidbaren Undichtigkeiten im Raum ab, wird der Außenluftbedarf bei
diesem innovativen Barrierekonzept nicht mehr
vom Differenzdruck, sondern lediglich über die
Personenzahl bestimmt.
Nimmt man das v. g. Beispiel von einem Reinraum mit einer Grundfläche von 100 m2 und
geht man davon aus, dass der Raum ständig mit
max. 6 Personen belegt ist, so würde sich bei einer personenbezogenen Außenluftrate von max.
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Schematische Zusammenfassung
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Der Außenluftbedarf und die damit verbundenen Energiekosten lassen sich um ca.
70 % senken.
In Abhängigkeit von den Wärmelasten im
Raum kann auf eine Erwärmung der Luft
gänzlich verzichtet werden.
Luftströmungen und die damit verbundenen
Kontaminationsrisiken lassen sich durch die
hoch auflösende Messtechnik (± 0,05 m/s)
auch noch bei geöffneten Türen nachweisen,
so dass Raumundichtigkeiten besser beherrschbar sind.
Luftströmungen und somit Kontaminationsrisiken lassen sich durch die bidirektionale
Messtechnik zuverlässiger in zwei Richtungen nachweisen.
Keine äußeren Störgrößen wie beispielsweise das Risiko schwankender Referenzdrücke
beim Differenzdruckkonzept.
Mit einem vernachlässigbaren Mehraufwand für die Sensorik, können sowohl
Energiekosten, als auch Kontaminationsrisiken minimiert werden.
KONTAKT
Dirk Steil, Axel Biewer
Becker Reinraumtechnik GmbH, Saarbrücken
Tel.: +49 681 75 38 90
[email protected]
www.becker-reinraumtechnik.de
Tabellarische Zusammenfassung
Konzept
Innovation
Mehrkosten
Nutzen
Zonenregelung
Absenkbetrieb durch variable Luftmengen
gering
sehr hoch
Entfeuchtungskonzept
Entfeuchtung der Außenluft
vernachlässigbar
sehr hoch
Zonenregelung
Absenkbetrieb durch variable Raumkonditionen
gering
hoch
Verriegelungskonzept
Zugangskontrolle im Absenk-Betrieb
vernachlässigbar
hoch
WRG-/Enthalpiekonzept
Nutzung vorhandener Ressourcen für Raumklimatisierung
hoch
sehr hoch
Barrierekonzept
Kontaminationskontrolle durch Überströmung
vernachlässigbar
sehr hoch

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