Im Jahr 2013 schätzte ASHRAE, dass die weltweit gebaute Fläche von Reinräumen 12 Millionen m² übersteigt, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 5 %. Es ist daher wahrscheinlich, dass diese Zahl inzwischen längst 15 Millionen m² überschritten hat.
Reinräume werden in einem immer breiteren Spektrum von Industrie- und Forschungstätigkeiten angewandt und genutzt; sie sind nicht mehr nur mit Hightech- und wertschöpfungsintensiven Sektoren verbunden. Die Kriterien für die Planung, die Berechnung, den Bau und den Betrieb von Reinräumen sind jedoch praktisch unverändert geblieben, seit diese Räume für Industriezweige mit hoher Wertschöpfung und darüber hinaus in Zeiten niedriger Energiekosten konzipiert wurden.
Heutzutage hat sich die Situation geändert, die Nutzer von Reinräumen gehören sehr unterschiedlichen Sektoren an, von denen viele unter Marktbedingungen und bescheideneren Renditeerwartungen arbeiten und sich darüber hinaus in einer allgemeinen Situation steigender Energiekosten befinden.
Es gibt immer noch Sektoren von Reinraumnutzern, die aufgrund ihrer Technisierung und ihres außergewöhnlichen Charakters einen hohen Mehrwert ihrer Produkte mit sehr hohen Investitionsrenditen aufrechterhalten, aber auch in diesen Fällen sind sie dem sozialen, institutionellen und medialen Druck ausgesetzt, ihren Energieverbrauch zu senken.
In diesem Zusammenhang wurde Teil 16 der berühmten ISO 14644 „Reinräume und kontrollierte Nebenräume veröffentlicht, der der Energieeffizienz in Reinräumen gewidmet ist. Diese Norm definiert den Prozess zur Senkung und Optimierung der Energiekosten, der den gesamten Lebenszyklus eines Reinraums umfasst, von der Konzeption bis zum Abbau und zur Stilllegung. Sie gilt nicht nur für neu gebaute oder in Renovierung befindliche Räume, sondern auch für bestehende und aktive Reinräume.
Die ISO 14644-16 schlägt einen systematischen Ansatz für die Bewertung von Energieeinsparungen vor, der auf sieben Schritten basiert:
1. Die Überprüfung der Benutzeranforderungen (User Requirement Specifications, URS) und die Untersuchung des Projekts unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz.
2. Ein Benchmarking der Reinraumleistung
3. Die Identifizierung von Möglichkeiten zur Energieeinsparung
4.- Die Bewertung der Auswirkungen der Möglichkeiten zur Energieeinsparung
5.- Auswahl der Möglichkeiten zur Energieeinsparung
6.- Umsetzung
7 - Überwachung und Erfahrungsrückmeldungen
Die Benutzeranforderungen (URS) sind der „erste Stein" bei der Konstruktion eines Reinraums, und der Energieverbrauch der künftigen Anlage hängt in hohem Maße von ihrer korrekten Definition ab.
Die ISO 14644-16 legt höchsten Wert auf eine korrekte und ausgewogene Formulierung der URS:
Manchmal wird davon ausgegangen, dass die Qualität umso höher ist, je strenger und restriktiver die Anforderungen an den Reinraum sind. In Wirklichkeit erweckt eine Überspezifikation nur den „Anschein" von Qualität und erhöht die technische Komplexität, die Installationskosten und die Betriebskosten.
So können z. B. strengere Temperatur- und Feuchtigkeitsanforderungen als erforderlich erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen haben, ohne dass die Qualität verbessert wird. In vielen Reinräumen haben die zu verarbeitenden Produkte oder Materialien thermohygrometrische Grenzwerte, die über den Komfortgrenzen des Bedienpersonals liegen. In diesem Sinne erinnert die ISO 14644-16 daran, dass die allgemein akzeptierten Komfortgrenzen für die relative Luftfeuchtigkeit im Bereich von 30-70 % liegen. Es ist jedoch sehr üblich, Spezifikationen für die relative Luftfeuchtigkeit in Innenräumen von 40-60 % oder 45-55 % in Einrichtungen zu finden, die für den Komfort hervorragend geeignet sind.
Ein weiterer wichtiger Faktor, bei dem eine Überspezifikation kontraproduktiv ist, ist der „Fußabdruck" des Reinraums; je größer der Reinraum oder die Reinzone, desto höher die Energiekosten. Daher sollte die URS dabei helfen, ein rationelles Layout zu definieren, bei dem die Räume an ihren tatsächlichen Bedarf angepasst und entsprechend dem Prozessfluss koordiniert werden, um so wenig Platz wie möglich in Korridoren und Verbindungsbereichen zu verlieren.
Es gibt Konzepte, bei denen paradoxerweise eine Überspezifizierung zur Energierationalisierung beitragen kann. Das Personal ist die Hauptkontaminationsquelle in einem Reinraum, und daher wird der größte Teil der Planungsanstrengungen darauf verwendet, die von den Menschen verursachte Kontamination zu beseitigen. Eine strengere Spezifikation der Kleidung im Reinraum verringert daher die abgegebene Kontamination und damit den Aufwand der Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Klassifizierungsbedingungen.
Die Luftbewegung ist zusammen mit dem Temperatur- und Feuchtigkeitsausgleich eine der Hauptquellen des Energieverbrauchs in Reinräumen, so dass sich eine Verringerung des Luftdurchsatzes direkt auf den Energieverbrauch auswirkt. Im Allgemeinen ist das Luftvolumen proportional zur dritten Potenz der Ventilatorleistung, so dass eine Halbierung des Luftvolumens den Ventilatorverbrauch um den Faktor acht reduziert.
Eines der wohl am weitesten verbreiteten Konzepte im Zusammenhang mit Reinräumen ist das Konzept der Umwälzungen/Stunde oder Luftwechsel/Stunde (ACH Air Changes per Hour). Es ist ein Konzept, das fast heilig und praktisch unantastbar ist. Viele Reinräume werden in Frage gestellt und sogar abgelehnt, weil sie die vorgegebenen ACH nicht akribisch einhalten, obwohl die Partikelzahlen in Ruhe und Aktivität eindeutig innerhalb der Grenzwerte liegen.
Die ISO 14644-16 entmystifiziert und hinterfragt die tatsächliche Nützlichkeit von ACH als Berechnungsmethode für die Festlegung von Lüftungsdurchsätzen. Die Funktion der Belüftung in einem Reinraum besteht darin, die durch die Aktivität im Raum selbst erzeugten Partikel zu entfernen. Daher schlägt die Norm vor, den Belüftungsdurchsatz anhand der im Raum emittierten Partikel pro Zeiteinheit mit Hilfe der folgenden Formel zu berechnen:
C: C: Erforderliche Konzentration von Partikeln einer bestimmten Größe (Anzahl/m3);
D: D: Gesamtpartikelemissionsrate von Personen und Geräten in (Zählungen bzw. counts/s);
Q: Q: Zuluftdurchsatz (m3/s);
Ɛ: Lüftungswirkungsgrad (dimensionslos).
Der schwierigste Teil ist die Bestimmung der Parameter D und Ɛ
Die Emissionsrate der Geräte kann als sehr gering angenommen werden, da eine der Bedingungen für den Eintritt von Geräten und Materialien in einen Reinraum gerade darin besteht, dass sie keine Partikel erzeugen. Die höchste Partikelrate stammt von Menschen und hängt hauptsächlich von der Kleidung und dem Aktivitätsniveau ab.
Der Parameter Ɛist ebenfalls schwer zu ermitteln, da er von den Eigenschaften und der Position der Luftein- und -auslässe, der Geometrie des Raums, der Position der Geräte usw. abhängt. Möglicherweise kann der Einsatz von CFD-Systemen bei dieser Schätzung helfen.
Der C-Parameter wäre der Partikelwert, der der zu erreichenden ISO-Klasse entspricht, obwohl die Norm empfiehlt, einen niedrigeren Partikelwert als "Warn- oder Sicherheitswert" anzunehmen. So sollte für eine ISO 7, die bis zu 352.000 Partikel/m3 von 0,5µ zulässt, ein viel niedrigerer C-Parameter gewählt werden (z. B. 1/3, das wären 117.330, oder 1/4, das wären 88.000).
In jedem Fall werden die Werte für D undƐ immer theoretisch bleiben und Gegenstand von Kontroversen sein. Die ISO 14644-16 schlägt vor, die theoretische Berechnung durch ein alternatives experimentelles System zu ergänzen, das auf der tatsächlichen Messung von Partikeln im Raum unter Betriebsbedingungen beruht. Das System wird in drei Stufen entwickelt:
1.- Auslegung: Der Volumenstrom Q1 wird durch eine erste Schätzung der Partikelemission und der Lüftungseffizienz bestimmt. Für diesen ersten Entwurf können sehr konservative Daten verwendet werden, da davon ausgegangen wird, dass die ermittelte Durchflussrate Q1 in den folgenden Schritten optimiert wird.
2.- Test: Der Durchfluss Q1 wird im Raum unter Betriebsbedingungen getestet, und die tatsächlichen Konzentrationen für verschiedene Partikelgrößen werden gemessen. Anhand der erhaltenen Daten wird ein neuer Durchfluss Q2 berechnet, der im Allgemeinen niedriger ist als Q1 und die erwarteten Ergebnisse erzielt.
3.- Betrieb: Der Durchfluss Q2 wird im Betrieb verwendet, und die Überwachungsdaten werden genutzt, um zu bestätigen, dass er der geeignete Durchfluss ist, oder um einen neuen, effizienteren Durchfluss Q3 zu optimieren.
In jedem Fall muss die endgültige Durchflussmenge nicht nur die erforderliche Reinheitsrate erreichen, sondern darf auch andere Reinraumparameter wie Temperatur, Feuchtigkeit und Druck nicht beeinträchtigen.
Dieser neue Ansatz macht das Konzept der Umwälzungen/Stunde oder ACH überflüssig. Die Norm selbst gibt ein sehr anschauliches Beispiel: Zwei Reinräume mit denselben Quellen von Partikelemissionen benötigen denselben Luftstrom, aber wenn der eine mehr Höhe (und damit mehr Volumen) hat, wäre der ACH unterschiedlich, obwohl das Ergebnis auf Partikelebene in beiden Räumen ähnlich sein wird.
In Zeiten der Inaktivität, in denen sich das Personal, das den größten Faktor der Partikelgenerierung darstellt, nicht im Raum aufhält, kann die Lüftungsrate reduziert werden, ohne die Klassifizierung des Raums zu gefährden. Die Reduzierung muss mit einer automatischen Anpassung der Rückluftnachströmung koordiniert werden, um die relativen Druckverhältnisse im Raum aufrechtzuerhalten, die auch niedriger als der während der Aktivitätszeit erforderliche Wert sein kann.
Während der Stillstandszeiten bei reduziertem Betrieb ist es wichtig, die Zugänge zum Raum zu schließen, um das Eindringen von Verunreinigungen zu verhindern.
Während längerer Stillstandszeiten kann es kostengünstiger sein, die Lüftungsanlage abzuschalten. Daher sollten die Auswirkungen der Abschaltung analysiert werden, indem die durch den Druckabfall verursachte Kontamination, die Migration von Partikeln ins Innere, der Reinigungsbedarf vor der Wiederinbetriebnahme der Anlage und die für die Wiederherstellung des Betriebszustands erforderliche Erholungszeit bewertet werden.
Sobald die ISO 14644-16 die Umwälzungen/Stunde oder ACH entmystifiziert, ist die Folge die Entmystifizierung eines anderen Konzepts, das bisher ebenfalls unantastbar war und mit der ACH zusammenhängt: die konstante Durchflussmenge in der Versorgung bzw. im Zulauf. Bisher waren die Grundvoraussetzungen für die Belüftung eines Reinraums ein konstanter Durchfluss im Zulauf und ein variabler Durchfluss (zur Druckregelung) im Rücklauf. Wenn man jedoch davon ausgeht, dass der Zuluftdurchsatz von der Partikelemission abhängt, würde die Variation der Partikelemissionsrate die Möglichkeit einer Variation des Zuluftdurchsatzes mit sich bringen.
Damit wird das Konzept der „adaptiven oder anpassungsfähigen Steuerung" eingeführt. Es gibt Bereiche, in denen eine kontinuierliche Partikelüberwachung im Reinraum erforderlich ist, z. B. Anhang 1 GMP für die Grade A und B oder die Norm ECSS für die europäische Luft- und Raumfahrt für alle Klassen bis ISO 8.
Wenn ein kontinuierliches Überwachungssystem vorhanden ist, kann ein Kontrollverfahren festgelegt werden, das die Zulaufmenge proportional zu den erkannten Partikeln in Echtzeit anpasst. Dies ist kein einfaches Verfahren, da es eine Filterung und Mittelwertbildung der Zählungen erfordert, um ein stabiles Kontrollsignal zu erhalten und andere Faktoren zu berücksichtigen, die beibehalten werden müssen, wie z. B. die Druckbeaufschlagung und eine angemessene Temperatur- und Feuchtigkeitskontrolle. Wenn es jedoch gut entwickelt ist, kann es eines der effizientesten Energiemanagementsysteme für Reinräume sein.
Bei unidirektionalen Strömungssystemen (UDAF) ist nicht der Luftdurchsatz, sondern die Geschwindigkeit der entscheidende Faktor. Der Wert von 0,45m/s ±20% (0,36-0,54m/s) ist unverändert geblieben, seit er in den 1960er Jahren von der US Air Force festgelegt und im ehrwürdigen US FED-STD 209 verankert wurde.
Die ISO-Norm 14644-16 schlägt vor, dieselben Überlegungen anzustellen, die zur Verringerung der Durchflussmenge in Anlagen mit turbulenter Strömung und zur Verringerung der Geschwindigkeit von UDAF-Einheiten in Zeiten, in denen im Inneren keine Aktivitäten stattfinden, verwendet werden. In der Norm wird darauf hingewiesen, dass bei geringer oder keiner Aktivität die Geschwindigkeit auf etwa 0,2-0,3 m/s reduziert werden könnte.
Die Norm schlägt auch vor, die Möglichkeit zu prüfen, UDAF-Einheiten, die in Reinräumen installiert sind, in Zeiten der Inaktivität abzuschalten. Im Allgemeinen ist der Luftstrom eines UDAF-Systems viel höher als der Luftstrom des Reinraums, in dem es installiert ist, so dass die erzielten Energieeinsparungen einen erheblichen Einfluss haben.
Damit eine Durchflussreduzierung in Energieeinsparungen umgewandelt werden kann, sind Ventilatoren erforderlich, die eine Durchflussreduzierung ohne mechanische oder Wirkungsgradverluste in Energieeinsparungen umsetzen können. Bei der Auswahl der Ventilatoren für einen Reinraum sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:
-Hoher Wirkungsgrad: um die Durchflussreduzierung in Energieeinsparungen umzusetzen.
-Geschwindigkeitsvariation: um eine angemessene Steuerung des erforderlichen Volumenstroms zu ermöglichen.
Direkte Übertragung: um Übertragungsverluste zwischen Motor und Turbine zu vermeiden (klassische Riemen- und Riemenscheibenübertragungen bzw.- antriebe verbrauchen in gutem Zustand zwischen 10 und 15 % der Gesamtenergie des Motors; bei mangelhaften oder durch den Gebrauch abgenutzten Riemen sind die Verluste wesentlich höher).
Luftfilter sind ein wesentlicher Bestandteil von Reinräumen, aber sie sind auch ein wichtiger Faktor für den Energieverbrauch. Hohe Filterwirkungsgrade bedeuten hohe Druckverluste, und der Druckverlust steht in direktem Zusammenhang mit der Energie, die zu seiner Überwindung benötigt wird. Im Allgemeinen ist der Druckabfall proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit und die Geschwindigkeit ist proportional zur dritten Potenz der Leistung, so dass eine 50%ige Reduzierung des Druckabfalls die Ventilatorleistung um den Faktor 2,8 reduziert.
Die Überdimensionierung von Filtern ist eine der Hauptursachen für den erhöhten Energieverbrauch in Reinräumen. Die Hinzufügung redundanter Filterstufen, deren Anzahl und Effizienz über den Anforderungen liegt, erhöht den Verbrauch exponentiell, ohne die Qualität der klassifizierten Umgebung wirklich zu verbessern.
Andererseits erhöht die Übernutzung von Filtern, d. h. die Beibehaltung von Filtern, die zwar noch wirksam sind, aber eine hohe Verstopfungsrate oder Kolmation aufweisen, ebenfalls die Energiekosten der Anlage. In diesem Sinne empfiehlt die ISO-Norm 14644-16 die Anwendung einer „Lebenszyklus"-Politik für Filter, d. h. den Austausch von Filtern nach Energieeffizienzkriterien, wenn die Kostensteigerung aufgrund des Energieverbrauchs die Amortisationskosten des neuen Filters übersteigt.
Thermische Belastungen, sowohl heiß als auch kalt, sind ein weiterer wichtiger Energieverbrauchsfaktor in einem Reinraum. Die ISO 14644-16 empfiehlt, die Energieeffizienz von thermischen Lasten aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten:
-Verringerung der Wärmelasten: durch Erhöhung der Effizienz der Isolierung nach außen und Rationalisierung der internen Lasten, wobei untersucht wird, wie die internen Wärmelasten minimiert oder isoliert werden können.
-Rationalisierung der Sollwerte: Auswahl von Sollwerten und Variabilitätsbereichen entsprechend den tatsächlichen Bedürfnissen des Reinraums. Die ISO-Norm 14644-16 weist auf die Möglichkeit hin, Schwankungen der Luftfeuchtigkeit zwischen 30 und 70 % zuzulassen, wenn die Feuchteregelung ausschließlich dem Komfort der Nutzer dient. Es ist auch ratsam, flexiblere Sollwerte für Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Zeiten geringer Belegung oder in Ruhephasen festzulegen.
Rationalisierung der Außenluft: Die Außenluftansaugung (OA) ist eine der Hauptquellen für die thermische Belastung in einem HLK-System für Reinräume. Die Außenluftrate muss im Hinblick auf Überdruck, Sauerstoffzufuhr und Belüftungsanforderungen berechnet und begründet werden. Es ist ziemlich üblich, den Außenluftvolumenstrom als Prozentsatz des gesamten Zuluftvolumenstroms zu bestimmen. Nach ISO 14644-16 hat diese Praxis keine rationale Rechtfertigungsgrundlage, trägt nicht zur Qualität des Reinraums bei und ist eine Quelle der Energieineffizienz.
Leider wurde in der von der Normungs- und Zertifizierungsgesellschaft AENOR herausgegebenen spanischen Fassung „Fresh Air", d. h. Außenluft oder Zusatzluft, fälschlicherweise mit „saubere Luft" übersetzt, was bedeutet, dass einige Argumente wie die Lufterneuerungsrate (ACE) oder die Empfehlungen zur Reduzierung des Außenluftstroms in der spanischen Fassung des Textes verwirrend und schwer verständlich sind. Im Textverlauf werden zwei unterschiedliche Konzepte unter derselben Definition vermischt. An einigen Textstellen wird „saubere Luft" mit dem Konzept der gefilterten Luft mit geringem Partikelgehalt in Verbindung gebracht, während an anderen Stellen das Konzept „saubere Luft" mit der Außenlufterneuerung in Verbindung gebracht wird.
Die ISO 14644-16 ist ein sehr nützliches Dokument zur Rationalisierung und Reduzierung des Energieverbrauchs in Reinräumen. Sie bietet eine gut strukturierte und fundierte Methodik, die alle Faktoren abdeckt, die die Leistung von Reinräumen beeinflussen. Die Methodik ist sowohl auf neue oder in Renovierung befindliche Anlagen als auch auf Anlagen in Betrieb anwendbar.
Die Industrien, die mit Reinräumen zu tun haben, verfügen mit der ISO 14644-16 über ein grundlegendes Dokument, um tragfähige Betriebskosten aufrechtzuerhalten, sich für Subventionen oder Befreiungen in Verbindung mit Energieeffizienzfaktoren zu qualifizieren oder die Politik der sozialen Verantwortung in Bezug auf Nachhaltigkeit zu erfüllen.
Miguel Ruiz
GMP-Berater