År 2013 uppskattade ASHRAE att den totala ytan av byggda renrum i världen översteg 12 miljoner m², med en årlig tillväxt på 5 %. Man kan därför anta att denna yta idag har överstigit 15 miljoner m². Situationen har dock förändrats: användarna av renrum finns idag inom många olika branscher, varav många möter marknadsmässiga begränsningar och har mer måttliga förväntningar på avkastning på investeringen.
Mot bakgrund av de ökande kraven på energiförbrukning behandlar standarden ISO 14644, i del 16, specifikt energieffektivitet i renrum. Den definierar ett arbetssätt för att minska och optimera energikostnaderna genom att ta ett helhetsgrepp om renrummets hela livscykel, från projektering till demontering. Den gäller även befintliga renrum som är i drift.
Systematiskt tillvägagångssätt
ISO 14644-16 föreslår ett systematiskt tillvägagångssätt för att utvärdera energibesparingar som bygger på sju steg:
- Granskning av User Requirements Specification (URS) och analys av utformningen ur ett energieffektivitetsperspektiv.
- Benchmarking av renrummets prestanda.
- Identifiering av möjligheter att minska energiförbrukningen.
- Utvärdering av effekten av olika åtgärder för att minska energiförbrukningen.
- Val av energibesparande åtgärder.
- Implementering.
- Uppföljning och erfarenhetsåterföring.
URS
User Requirements Specification (URS) utgör själva grunden för uppförandet av ett renrum. Den framtida anläggningens energiförbrukning beror i stor utsträckning på hur väl dessa krav definieras. ISO 14644-16 lägger därför stor vikt vid att utarbeta tydliga och välavvägda URS.
Det antas ibland att ju striktare och mer begränsande kraven på ett renrum är, desto högre blir kvalitetsnivån. I verkligheten innebär en överdriven specifikation av kraven ofta bara en skenbar kvalitetsökning, samtidigt som den tekniska komplexiteten samt installations- och driftskostnaderna ökar.
I vissa renrum kan de produkter eller material som hanteras tolerera större temperatur- och luftfuktighetsintervall än de som krävs för personalens komfort. ISO 14644-16 anger att allmänt accepterade komfortgränser för relativ luftfuktighet ligger mellan 30 och 70 %. Trots detta är det vanligt att installationer har betydligt striktare specifikationer, exempelvis 40–60 % eller till och med 45–50 % relativ luftfuktighet.
En striktare definition av vissa parametrar kan dock bidra till att rationalisera energiförbrukningen. Personal utgör den huvudsakliga källan till kontaminering i ett renrum och därför syftar en stor del av projekteringsarbetet till att eliminera den kontaminering som genereras av människor. Striktare krav på de kläder som bärs inne i renrummet kan därmed bidra till att minska utsläppen av partiklar.
Luftflöde
Luftrörelser samt reglering av temperatur och luftfuktighet är några av de främsta källorna till energiförbrukning i renrum. En minskning av tilluftsflödet har därför en direkt påverkan på energiförbrukningen. Generellt varierar den effekt som fläkten förbrukar med luftflödets kubik. Att halvera luftflödet kan därför minska fläktens energiförbrukning med en faktor åtta.
Ett av de mest utbredda begreppen och ett av dem som starkast förknippas med renrum är luftomsättningar per timme (ACH – Air Changes per Hour). Det betraktas ibland som ett nästan orubbligt kriterium. Många renrum ifrågasätts eller underkänns därför när de inte strikt uppfyller det angivna antalet ACH, även när partikelmätningarna i både vila och drift ligger långt inom fastställda gränsvärden.
ISO 14644-16 nyanserar dock den systematiska användningen av ACH som metod för att beräkna ventilationsflöden. Ventilationens funktion i ett renrum är att avlägsna de partiklar som genereras av aktiviteten inne i själva rummet. Standarden föreslår därför att ventilationsflödet beräknas utifrån mängden partiklar som avges i rummet per tidsenhet, enligt följande formel:
 |
...... |
C: Krävd partikelkoncentration för en given partikelstorlek (antal/m³). D: Total emissionshastighet för partiklar som genereras av personal och utrustning (antal/s). Q: Tilluftsflöde (m³/s). Ɛ: Ventilationens effektivitet (dimensionslös). |
Den mest komplexa delen består i att uppskatta parametrarna D och Ɛ
Utrustningens partikelemission kan betraktas som relativt låg, eftersom ett av kraven på utrustning och material som förs in i ett renrum just är att de ska generera så få partiklar som möjligt. Den huvudsakliga källan till partikelemissioner är fortfarande personalen, och denna emission beror framför allt på klädsel och aktivitetsnivå.
Parametern Ɛ är också svår att uppskatta eftersom den beror på egenskaperna hos och placeringen av luftintag och frånluftsöppningar, rummets geometri, utrustningens placering etc. Användning av CFD-simuleringar kan bland annat bidra till denna uppskattning.
Parametern C motsvarar den partikelhalt som är förknippad med den önskade ISO-klassen. Standarden rekommenderar dock att ett lägre partikelvärde används som ”varnings- eller säkerhetsnivå”. För ett ISO 7-renrum, där upp till 352 000 partiklar/m³ med en storlek på 0,5 µm tillåts, bör man exempelvis välja ett C-värde som är betydligt lägre, såsom en tredjedel, det vill säga 117 330 partiklar/m³, eller en fjärdedel, det vill säga 88 000 partiklar/m³.
I samtliga fall är värdena för D och Ɛ teoretiska och kan diskuteras. ISO 14644-16 föreslår därför att den teoretiska beräkningen kompletteras med en alternativ experimentell metod baserad på faktisk partikelmätning i rummet under driftsförhållanden. Metoden genomförs i tre steg:
- Projektering: Ett luftflöde Q1 fastställs utifrån en första uppskattning av partikelemissionerna och ventilationens effektivitet. För denna inledande projektering kan mycket konservativa data användas, eftersom det framräknade flödet Q1 kommer att optimeras under de följande stegen.
- Tester: Luftflödet Q1 testas i rummet under driftsförhållanden och de faktiska koncentrationerna mäts för olika partikelstorlekar. Utifrån de erhållna resultaten beräknas ett nytt luftflöde Q2, som vanligtvis är lägre än Q1, för att uppnå önskade resultat.
- Drift: Luftflödet Q2 används under drift och övervakningsdata bekräftar om det är lämpligt eller om ett nytt, ännu effektivare luftflöde Q3 kan optimeras.
I samtliga fall måste det slutliga luftflödet göra det möjligt att uppnå den erforderliga renhetsnivån utan att äventyra andra parametrar i renrummet, framför allt temperatur, luftfuktighet och tryck.
Detta nya tillvägagångssätt ifrågasätter relevansen av konceptet luftomsättningar per timme (ACH). Standarden ger ett särskilt tydligt exempel: två renrum med samma partikelemissioner kräver samma luftflöde. Om det ena har större takhöjd – och därmed större volym – kommer deras ACH-värden att skilja sig åt, trots att partikelkoncentrationerna kan vara likartade.
Reducerat driftläge, avstängning och återställning
En minskning av luftflödet måste samordnas med automatisk reglering av frånluftsspjällen för att upprätthålla det relativa trycket i rummet. Under perioder med låg aktivitet och reducerat driftläge är det viktigt att hålla åtkomstpunkterna till rummet stängda för att förhindra att föroreningar tränger in.
Adaptiv styrning
När ISO 14644-16 tonar ned betydelsen av luftomsättningar per timme, eller ACH, kan även en annan princip som historiskt förknippats med renrum ifrågasättas: konstant tilluftsflöde.
Hittills har de grundläggande principerna för ventilation av renrum vanligtvis byggt på ett konstant tilluftsflöde och ett varierande frånluftsflöde för att säkerställa tryckkontrollen. Om man däremot utgår från att tilluftsflödet beror på partikelemissionerna kan förändringar i emissionsnivån möjliggöra motsvarande variationer i tilluftsflödet.
Det är här konceptet ”adaptiv styrning” kommer in. Vissa sektorer kräver kontinuerlig partikelövervakning i renrum. Detta gäller bland annat GMP Annex 1 för Grade A och B samt de europeiska ECSS-standarderna inom rymdsektorn för klasser upp till ISO 8.
När ett kontinuerligt övervakningssystem finns tillgängligt blir det möjligt att definiera en reglerstrategi som anpassar tilluftsflödet utifrån den partikelkoncentration som detekteras i realtid.
Implementeringen är dock inte enkel. Det krävs bland annat att data filtreras och att genomsnittliga partikelvärden beräknas för att erhålla en stabil regleringssignal, samtidigt som andra parametrar som måste hållas under kontroll, såsom trycksättning, temperatur och luftfuktighet, beaktas. När systemet är korrekt utformat kan det dock utgöra en av de mest effektiva strategierna för energihantering i renrum.
Reducerad lufthastighet
I system med unidirektionellt luftflöde (UDAF) är den avgörande parametern inte luftflödet utan lufthastigheten. Värdet 0,45 m/s ± 20 % (0,36–0,54 m/s) har varit praktiskt taget oförändrat sedan det definierades av US Air Force på 1960-talet och senare fastställdes i den välkända standarden US FED-STD 209.
ISO 14644-16 föreslår att samma princip som används för att minska luftflödet i system med turbulent luftflöde tillämpas genom att minska hastigheten hos UDAF-enheterna under perioder med låg eller ingen aktivitet. Standarden anger att hastigheten vid låg aktivitet eller frånvaro av aktivitet kan minskas till cirka 0,2–0,3 m/s.
Standarden rekommenderar även att möjligheten att stänga av UDAF-enheter som är installerade inne i renrum under perioder med låg aktivitet utvärderas. Generellt är luftflödet från en UDAF-enhet betydligt högre än luftflödet i det renrum där den är installerad. Den potentiella energibesparingen kan därför vara betydande.
Fläktar
För att en minskning av luftflödet verkligen ska leda till energibesparingar krävs fläktar som kan omvandla den minskade luftmängden till en faktisk minskning av energiförbrukningen utan mekaniska förluster eller försämrad verkningsgrad.
Vid val av fläktar för ett renrum bör flera kriterier beaktas:
- Hög verkningsgrad: för att omvandla minskat luftflöde till energibesparingar.
- Variabel hastighet: för att möjliggöra exakt reglering av det erforderliga luftflödet.
- Direktdrift: för att undvika överföringsförluster mellan motor och fläkthjul. Traditionella rem- och remskivesystem kan, även när de är i gott skick, stå för mellan 10 och 15 % av motorns totala energiförbrukning. När remmarna är slitna eller för lösa kan dessa förluster vara betydligt större.
Filter
Luftfilter är en central del av renrum. De höga filtreringseffektiviteterna medför betydande tryckfall, som är direkt kopplade till den energi som krävs för att kompensera för dessa.
Tryckfallet är proportionellt mot hastighetens kvadrat, medan effekten varierar med hastighetens kub. En minskning av tryckfallet med 50 % kan därför minska fläkteffekten med en faktor på 2,8.
Överdriven användning av filter ökar anläggningens energiförbrukning. ISO 14644-16 rekommenderar därför ett livscykelbaserat förhållningssätt till filter, där filterbyte bestäms utifrån energieffektivitetskriterier – med andra ord när den extra energikostnaden blir högre än kostnaden för att ersätta filtret med ett nytt.
Termiska laster
Termiska laster, både kyla och värme, är ytterligare en viktig faktor för energiförbrukningen i ett renrum. ISO 14644-16 rekommenderar att energieffektiviteten hanteras ur flera perspektiv:
- Minskning av den termiska lasten: genom att förbättra isoleringens effektivitet mot omgivningen och rationalisera interna laster, bland annat genom att undersöka möjligheterna att minska eller isolera värmekällor inne i rummet.
- Rationalisering av börvärden: genom att fastställa börvärden och variationsintervall som motsvarar rummets faktiska behov. ISO 14644-16 anger bland annat att luftfuktigheten kan variera mellan 30 och 70 % när regleringen enbart syftar till att säkerställa komfort för de personer som vistas i rummet. Det rekommenderas även att använda mer flexibla temperatur- och luftfuktighetsbörvärden under perioder med låg beläggning eller viloläge.
- Rationalisering av utomhusluft: tillförseln av utomhusluft är en av de främsta källorna till termisk belastning i ett renrums HVAC-system. Utomhusluftsflödet ska beräknas och motiveras utifrån behovet av övertryck, tillförsel av frisk luft och ventilation. Det är mycket vanligt att detta flöde definieras som en procentandel av det totala tilluftsflödet. Enligt ISO 14644-16 saknar denna praxis rationell grund, förbättrar inte renrummets kvalitet och utgör en källa till energieffektivitet.
Tyvärr har det engelska begreppet Fresh Air, som avser utomhusluft eller friskluft, i den spanska version som publicerats av AENOR översatts felaktigt som ”aire limpio” (”ren luft”). Vissa begrepp, såsom luftomsättningsgraden (ACE) eller rekommendationerna om minskning av utomhusluftsflödet, blir därmed otydliga och svåra att tolka i den spanska texten.
Två olika begrepp har alltså samlats under samma definition: i vissa delar av texten avser ”ren luft” filtrerad luft med låg partikelkoncentration, medan det i andra delar avser den utomhusluft som används för luftomsättning.
Slutsatser
ISO 14644-16 är ett särskilt användbart dokument för att rationalisera och minska energiförbrukningen i renrum. Standarden erbjuder en strukturerad och robust metodik som tar hänsyn till samtliga faktorer som påverkar anläggningarnas energieffektivitet. Tillvägagångssättet kan tillämpas både på nya anläggningar och renoveringsprojekt samt på renrum som redan är i drift.
För industrier som använder renrum utgör ISO 14644-16 därmed en viktig referens för att upprätthålla hållbara driftskostnader, få tillgång till stöd eller skatteincitament kopplade till energieffektivitet samt uppfylla krav och mål inom socialt och miljömässigt ansvarstagande och hållbar utveckling.
