Unterhält man sich mit Betreibern von Reinräumen, so hört man immer wieder die Klage: „Unser Reinraum verursacht Betriebskosten in einem für uns nicht vorhersehbaren Ausmaß; können Sie uns da helfen?"

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.

Zonenregelung mit dynamischem Luftmengenmanagement
Die Zuluftvolumenströme der einzelnen Nutzungszonen werden über busfähige elektronische Volumenstromregler geregelt und kontrolliert. Über den Datenbus werden von jedem 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).
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:

• 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 sinnvolle Investition innerhalb kürzester Zeit amortisiert.

Physikalisch lässt sich die Einsparung dadurch erklären, dass sich nach dem zweiten Ähnlichkeitsgesetz (Formel 1), der Systemwiderstand quadratisch und hergeleitet aus dem zweiten Proportionalitätsgesetz (Formel 2), der Leistungsbedarf für den Ventilator in dritter Potenz mit dem Volumenstrom reduziert (Formel 3).
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.

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 energetischen Gründen, anstelle des gesamten Zuluftvolumenstroms, auch nur diesen Mindestaußenluftanteil für die Entfeuchtung, unter den Taupunkt abzukühlen.



Systemvorteile:

• 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.
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.



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 RLT-Anlage, 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.

Systemvorteil:

• Mit einem geringen regelungstechnischen Mehraufwand können im Absenkbetrieb Kontaminationsrisiken ausgeschlossen werden 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.

Wärmerückgewinnungs-/Enthalpiekonzept
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

• 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
  
  

• 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:

• Für die Raumklimatisierung wird in erster Sequenz kostenneutrale Außenluft und erst in zweiter Sequenz kostenintensive Primärenergie genutzt.
• 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 RLT-Gerät 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.

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. 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.



Systemvorteile:

• 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.
  
  

Schematische Zusammenfassung
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.