Im Jahr 2013 schätzte die ASHRAE, dass die weltweit errichtete Reinraumfläche bereits mehr als 12 Millionen m² betrug und jährlich um 5 % zunahm. Es ist daher davon auszugehen, dass diese Fläche inzwischen 15 Millionen m² überschritten hat. Die Situation hat sich jedoch verändert: Reinräume werden heute in sehr unterschiedlichen Branchen eingesetzt, von denen viele einem hohen Marktdruck unterliegen und moderatere Erwartungen hinsichtlich der Kapitalrendite haben.
Angesichts der zunehmenden Bedeutung des Energieverbrauchs befasst sich Teil 16 der ISO 14644 speziell mit der Energieeffizienz von Reinräumen. Die Norm beschreibt einen Ansatz zur Senkung und Optimierung der Energiekosten über den gesamten Lebenszyklus eines Reinraums, von der Planung bis zur Außerbetriebnahme. Sie gilt ebenso für bereits bestehende und betriebene Reinräume.
Systematischer Ansatz
Die ISO 14644-16 beschreibt einen systematischen Ansatz zur Bewertung von Energieeinsparpotenzialen, der auf sieben Schritten basiert:
- Überprüfung der User Requirements Specification (URS) und Bewertung der Planung unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz.
- Benchmarking der Reinraumperformance.
- Identifizierung von Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs.
- Bewertung der Auswirkungen der verschiedenen Energieeinsparpotenziale.
- Auswahl geeigneter Energiesparmaßnahmen.
- Umsetzung.
- Monitoring und Auswertung der gewonnenen Erkenntnisse.
URS
Die User Requirements Specification (URS) bildet den Grundstein für die Errichtung eines Reinraums. Der Energieverbrauch der späteren Anlage hängt in hohem Maße davon ab, wie sinnvoll und angemessen diese Anforderungen definiert werden. Die ISO 14644-16 misst daher einer präzisen und zugleich ausgewogenen Formulierung der URS große Bedeutung bei.
Mitunter wird davon ausgegangen, dass die Qualität eines Reinraums umso höher ist, je strenger und restriktiver seine Anforderungen definiert werden. Tatsächlich führt eine Überdimensionierung beziehungsweise übermäßig strenge Definition der Anforderungen häufig lediglich zu einem vermeintlich höheren Qualitätsniveau, während gleichzeitig die technische Komplexität sowie die Investitions- und Betriebskosten steigen.
In bestimmten Reinräumen können die verarbeiteten Produkte oder Materialien größere Temperatur- und Feuchtebereiche tolerieren als für den Komfort des Personals erforderlich wären. Die ISO 14644-16 weist darauf hin, dass die allgemein anerkannten Komfortgrenzen für die relative Luftfeuchtigkeit zwischen 30 und 70 % liegen. Dennoch werden in Anlagen häufig deutlich engere Vorgaben von 40 bis 60 % oder sogar 45 bis 50 % relativer Luftfeuchtigkeit festgelegt.
Strengere Anforderungen an bestimmte Parameter können jedoch auch dazu beitragen, den Energieverbrauch zu optimieren. Das Personal stellt die wichtigste Kontaminationsquelle innerhalb eines Reinraums dar. Ein wesentlicher Teil der Reinraumplanung ist daher darauf ausgerichtet, die von Personen verursachte Kontamination zu reduzieren. Strengere Anforderungen an die im Reinraum getragene Reinraumbekleidung können beispielsweise dazu beitragen, die Freisetzung von Kontaminanten zu verringern.
Luftvolumenstrom
Die Luftförderung sowie die Regelung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit gehören zu den größten Energieverbrauchern eines Reinraums. Eine Reduzierung des Zuluftvolumenstroms wirkt sich daher unmittelbar auf den Energieverbrauch aus. Grundsätzlich verändert sich die Leistungsaufnahme eines Ventilators mit der dritten Potenz des Luftvolumenstroms. Das bedeutet: Wird der Luftvolumenstrom halbiert, kann sich der Energieverbrauch des Ventilators auf ein Achtel reduzieren.
Eines der am weitesten verbreiteten und am engsten mit Reinräumen verbundenen Konzepte ist die Luftwechselrate pro Stunde (ACH – Air Changes per Hour). Sie wird mitunter nahezu als unveränderliches Auslegungskriterium betrachtet. So werden Reinräume teilweise infrage gestellt oder sogar abgelehnt, wenn sie die vorgegebene Anzahl an Luftwechseln nicht exakt einhalten, selbst wenn die Partikelmessungen sowohl im Ruhezustand als auch im Betriebszustand deutlich innerhalb der festgelegten Grenzwerte liegen.
Die ISO 14644-16 relativiert jedoch die pauschale Verwendung der Luftwechselrate als Berechnungsgrundlage für die Festlegung des erforderlichen Luftvolumenstroms. Die Aufgabe der Lüftung eines Reinraums besteht darin, die durch die Aktivitäten innerhalb des Raumes erzeugten Partikel abzuführen. Die Norm schlägt daher vor, den erforderlichen Luftvolumenstrom anhand der pro Zeiteinheit im Raum freigesetzten Partikelmenge zu berechnen. Hierfür wird folgende Formel verwendet:
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...... |
C: Erforderliche Konzentration von Partikeln einer bestimmten Größe (Partikel/m³); D: Gesamte Partikelemissionsrate durch Personal und Anlagen (Partikel/s); Q: Zuluftvolumenstrom (m³/s); Ɛ: Lüftungseffektivität (dimensionslos). |
Der komplexeste Teil liegt in der Abschätzung der Parameter D und Ɛ.
Die Partikelemissionsrate der Anlagen kann als relativ gering angesehen werden, da eine der Anforderungen an Geräte und Materialien, die in einen Reinraum eingebracht werden, gerade darin besteht, dass sie möglichst wenige Partikel freisetzen. Die Hauptquelle für Partikelemissionen bleibt das Personal. Die Emissionsrate hängt dabei im Wesentlichen von der getragenen Reinraumbekleidung und dem Aktivitätsniveau ab.
Auch der Parameter Ɛ ist schwer abzuschätzen, da er unter anderem von den Eigenschaften und der Position der Zu- und Abluftöffnungen, der Raumgeometrie und der Anordnung der Anlagen abhängt. CFD-Simulationen können unter anderem dazu beitragen, diesen Wert zu bestimmen.
Der Parameter C entspricht der Partikelkonzentration der angestrebten ISO-Klasse. Die Norm empfiehlt jedoch, als „Alarm- oder Sicherheitsgrenzwert“ eine niedrigere Partikelkonzentration anzusetzen. Für einen Reinraum der ISO-Klasse 7, in dem maximal 352.000 Partikel/m³ mit einer Größe von 0,5 µm zulässig sind, sollte daher ein deutlich niedrigerer C-Wert gewählt werden, beispielsweise ein Drittel, also 117.330 Partikel/m³, oder ein Viertel, also 88.000 Partikel/m³.
In jedem Fall bleiben die Werte für D und Ɛ theoretische Größen und können entsprechend unterschiedlich bewertet werden. Die ISO 14644-16 schlägt daher vor, die theoretische Berechnung durch eine alternative experimentelle Methode zu ergänzen, die auf der tatsächlichen Messung der Partikelkonzentration im Reinraum unter Betriebsbedingungen basiert. Diese Methode umfasst drei Schritte:
- Planung: Auf Grundlage einer ersten Abschätzung der Partikelemissionen und der Lüftungseffektivität wird ein Volumenstrom Q1 bestimmt. Für diese erste Auslegung können sehr konservative Werte verwendet werden, da der ermittelte Volumenstrom Q1 in den folgenden Schritten optimiert wird.
- Prüfung: Der Volumenstrom Q1 wird im Reinraum unter Betriebsbedingungen getestet und die tatsächlichen Konzentrationen verschiedener Partikelgrößen werden gemessen. Anhand der gewonnenen Daten wird ein neuer Volumenstrom Q2 berechnet, der in der Regel niedriger als Q1 ist und dennoch die gewünschten Ergebnisse gewährleistet.
- Betrieb: Der Volumenstrom Q2 wird im laufenden Betrieb eingesetzt. Anhand der Monitoring-Daten lässt sich bestätigen, ob dieser Wert geeignet ist oder ob gegebenenfalls ein nochmals effizienterer Volumenstrom Q3 festgelegt werden kann.
In jedem Fall muss der endgültige Volumenstrom das erforderliche Reinheitsniveau gewährleisten, ohne andere Parameter des Reinraums wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck zu beeinträchtigen.
Dieser neue Ansatz stellt die Aussagekraft des Konzepts der Luftwechselrate pro Stunde (ACH) infrage. Die Norm nennt hierzu ein anschauliches Beispiel: Zwei Reinräume mit denselben Partikelemissionsquellen benötigen denselben Luftvolumenstrom. Hat jedoch einer der beiden Räume eine größere Deckenhöhe und damit ein größeres Raumvolumen, weisen beide unterschiedliche ACH-Werte auf, obwohl ihre Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Partikelkonzentration vergleichbar sein kann.
Reduzierter Betrieb, Abschaltung und Wiederherstellung
Die Reduzierung des Luftvolumenstroms muss mit einer automatischen Regelung der Rückluftklappen koordiniert werden, damit die relativen Druckverhältnisse im Raum aufrechterhalten werden. Während inaktiver Zeiten mit reduziertem Betrieb ist darauf zu achten, dass die Zugänge zum Reinraum geschlossen bleiben, um das Eindringen von Kontaminanten zu verhindern.
Adaptive Regelung
Wenn die ISO 14644-16 die Bedeutung der Luftwechselrate pro Stunde beziehungsweise der ACH relativiert, kann auch ein weiteres traditionell mit Reinräumen verbundenes Prinzip hinterfragt werden: der konstante Zuluftvolumenstrom.
Bisher basierten die grundlegenden Lüftungskonzepte eines Reinraums in der Regel auf einem konstanten Zuluftvolumenstrom und einem variablen Rückluftvolumenstrom zur Druckregelung. Geht man jedoch davon aus, dass der erforderliche Zuluftvolumenstrom von der Partikelemission abhängt, kann bei einer Veränderung der Emissionsrate auch eine Anpassung des Zuluftvolumenstroms in Betracht gezogen werden.
Daraus ergibt sich das Konzept der „adaptiven Regelung“. In einigen Branchen ist eine kontinuierliche Partikelüberwachung in Reinräumen vorgeschrieben. Dies gilt beispielsweise gemäß Annex 1 der GMP für die Klassen A und B sowie gemäß den europäischen ECSS-Standards der Raumfahrtindustrie für Reinheitsklassen bis ISO 8.
Ist ein kontinuierliches Monitoring vorhanden, kann eine Regelstrategie definiert werden, bei der der Zuluftvolumenstrom entsprechend der in Echtzeit gemessenen Partikelkonzentration angepasst wird.
Die Umsetzung ist jedoch nicht einfach. Unter anderem müssen die Messdaten gefiltert und Mittelwerte der Partikelzählungen berechnet werden, um ein stabiles Regelsignal zu erhalten. Gleichzeitig sind weitere Parameter wie Druckhaltung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu berücksichtigen. Bei korrekter Auslegung kann dieses System jedoch eine der effizientesten Strategien für das Energiemanagement von Reinräumen darstellen.
Reduzierung der Luftgeschwindigkeit
Bei Systemen mit unidirektionaler Luftströmung (UDAF) ist nicht der Luftvolumenstrom, sondern die Luftgeschwindigkeit der entscheidende Parameter. Der Wert von 0,45 m/s ± 20 % (0,36–0,54 m/s) ist seit seiner Festlegung durch die US Air Force in den 1960er-Jahren und seiner späteren Übernahme in die bekannte Norm US FED-STD 209 praktisch unverändert geblieben.
Die ISO 14644-16 schlägt vor, denselben Ansatz wie bei der Reduzierung des Luftvolumenstroms in Anlagen mit turbulenter Strömung anzuwenden und die Geschwindigkeit der UDAF-Einheiten während inaktiver Zeiten zu reduzieren. Bei geringer oder fehlender Aktivität könnte die Luftgeschwindigkeit laut Norm auf etwa 0,2–0,3 m/s abgesenkt werden.
Die Norm empfiehlt außerdem zu prüfen, ob innerhalb von Reinräumen installierte UDAF-Einheiten während inaktiver Zeiten vollständig abgeschaltet werden können. Der Luftvolumenstrom einer UDAF-Einheit ist in der Regel deutlich höher als der des Reinraums, in dem sie installiert ist. Entsprechend erheblich kann das Energieeinsparpotenzial sein.
Ventilatoren
Damit eine Reduzierung des Luftvolumenstroms tatsächlich zu Energieeinsparungen führt, müssen Ventilatoren eingesetzt werden, die diese Volumenstromreduzierung ohne mechanische Verluste oder Effizienzeinbußen in eine tatsächliche Senkung des Energieverbrauchs umsetzen können.
Bei der Auswahl der Ventilatoren für einen Reinraum sollten mehrere Kriterien berücksichtigt werden:
- Hoher Wirkungsgrad: damit die Reduzierung des Luftvolumenstroms tatsächlich zu Energieeinsparungen führt.
- Drehzahlregelung: für eine präzise Anpassung des erforderlichen Luftvolumenstroms.
- Direktantrieb: zur Vermeidung von Übertragungsverlusten zwischen Motor und Laufrad. Herkömmliche Riemen- und Riemenscheibensysteme können selbst in gutem Zustand 10 bis 15 % des gesamten Energieverbrauchs des Motors ausmachen. Bei verschlissenen oder zu locker gespannten Riemen können diese Verluste deutlich höher sein.
Filter
Luftfilter sind ein wesentlicher Bestandteil von Reinräumen. Die hohen erforderlichen Abscheidegrade führen zu erheblichen Druckverlusten, die unmittelbar mit der Energie zusammenhängen, die zu deren Überwindung erforderlich ist.
Der Druckverlust ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit, während sich die Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit verändert. Eine Reduzierung des Druckverlusts um 50 % kann daher die erforderliche Ventilatorleistung um den Faktor 2,8 reduzieren.
Eine übermäßig lange Nutzung von Filtern erhöht den Energieverbrauch der Anlage. Die ISO 14644-16 empfiehlt daher einen auf dem Lebenszyklus der Filter basierenden Ansatz. Der Austausch sollte nach Energieeffizienzkriterien erfolgen, also dann, wenn die zusätzlichen Energiekosten aufgrund des erhöhten Druckverlusts höher sind als die anteiligen Kosten eines neuen Filters.
Thermische Lasten
Thermische Lasten, sowohl für Kühlung als auch für Heizung, stellen einen weiteren wesentlichen Faktor des Energieverbrauchs in Reinräumen dar. Die ISO 14644-16 empfiehlt, die Energieeffizienz aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten:
- Reduzierung der thermischen Last: durch eine bessere Wärmedämmung gegenüber der Außenumgebung und die Optimierung interner Lasten. Dazu gehört insbesondere die Prüfung, ob Wärmequellen innerhalb des Reinraums reduziert oder thermisch isoliert werden können.
- Optimierung der Sollwerte: durch die Festlegung von Sollwerten und Toleranzbereichen, die den tatsächlichen Anforderungen des Reinraums entsprechen. Die ISO 14644-16 weist unter anderem darauf hin, dass die relative Luftfeuchtigkeit zwischen 30 und 70 % schwanken kann, wenn ihre Regelung ausschließlich dem Komfort der Personen dient. Für Zeiten mit geringer Belegung oder im Ruhezustand werden außerdem flexiblere Temperatur- und Feuchtesollwerte empfohlen.
- Optimierung des Außenluftanteils: Die Außenluftzufuhr stellt eine der wichtigsten thermischen Lasten des HVAC-Systems eines Reinraums dar. Der erforderliche Außenluftvolumenstrom muss entsprechend den Anforderungen an Überdruckhaltung, Frischluftversorgung und Lüftung berechnet und begründet werden. Häufig wird dieser Volumenstrom als Prozentsatz des gesamten Zuluftvolumenstroms festgelegt. Nach ISO 14644-16 gibt es für diese Vorgehensweise keine rationale Grundlage; sie verbessert die Reinraumqualität nicht und stellt eine Quelle energetischer Ineffizienz dar.
Leider wurde in der von AENOR veröffentlichten spanischen Fassung der englische Begriff Fresh Air, der Außen- beziehungsweise Frischluft bezeichnet, fälschlicherweise mit „aire limpio“ („reine Luft“) übersetzt. Dadurch werden einige Konzepte, wie die Außenluftwechselrate (ACE) oder die Empfehlungen zur Reduzierung des Außenluftvolumenstroms, im spanischen Text missverständlich und schwer interpretierbar.
Somit werden zwei unterschiedliche Konzepte unter derselben Bezeichnung zusammengefasst: An einigen Stellen bezeichnet „reine Luft“ gefilterte Luft mit einer geringen Partikelkonzentration, an anderen Stellen hingegen die zur Lufterneuerung eingesetzte Außenluft.
Fazit
Die ISO 14644-16 ist ein besonders hilfreiches Dokument zur Optimierung und Reduzierung des Energieverbrauchs von Reinräumen. Sie bietet eine strukturierte und fundierte Methodik, die sämtliche Faktoren berücksichtigt, die die energetische Leistung dieser Anlagen beeinflussen. Dieser Ansatz eignet sich sowohl für Neuanlagen und Modernisierungsprojekte als auch für bereits in Betrieb befindliche Reinräume.
Für Branchen, die Reinräume einsetzen, stellt die ISO 14644-16 damit eine wichtige Referenz dar, um wirtschaftlich tragfähige Betriebskosten sicherzustellen, Förderungen oder Vergünstigungen im Bereich der Energieeffizienz in Anspruch zu nehmen und die unternehmenseigenen Umwelt- und Nachhaltigkeitsziele zu erfüllen.
