Energiebewaking voor cleanroomtechnische installaties

Figuur 1: Ingebruikname van het centrale gegevensverzamelingsmodule in de ventilatiecentrale

Figuur 2: DMAIC-proces als onderdeel van een Six Sigma-verbeteringsproces

Figuur 3: Principe van het gebruikte energiemonitoringsysteem

Afbeelding 4: Luchttechnisch schematisch principe van de installatie (WRG = Warmteterugwinning; MK = Mengkamer; KÜ = Koeler; BEF = Stoomvochtverdeler; NE = Naverhitzer; PWT = Platendraadwarmtewisselaar)

Figuur 5: Foutieve WRG-regeling van de installatie: gelijktijdige verwarming en koeling

Tabel 1: Overzicht van de geanalyseerde HVAC-systeemvarianten

Figuur 6: Berekend energieverbruik of energiebehoefte van de onderzochte installatievarianten, periode juni - december 2012.

Dipl.-Ing. (FH) Polina Bitsch (Projectingenieur STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Michael Kuhn (Leiter STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Hoferer (Projectingenieur STZ Euro)

Door middel van een speciaal energiebeheer kunnen tijdsafhankelijke meet- en verbruiksgegevens van luchtbehandelingsinstallaties (LBI's) worden vastgelegd. De daarmee herkenbare optimalisatiepotentieel, vooral op het gebied van regeltechniek, kan leiden tot aanzienlijke energiebesparingen en kostenbesparingen, zonder de GMP-eisen te overtreden. Het succes van de geïmplementeerde maatregelen kan kwantitatief en weersafhankelijk worden aangetoond.

Startsituatie

Een producent van schone ruimten (steriele productie) heeft als energiebesparingsmaatregel bij de bestaande LBI's een optimalisatie van de mengluchtklepregeling gepland. Daarbij zouden alle acht tot nu toe met minimale buitenluchtgehalte werkende LBI's worden uitgerust met een enthalpie-gestuurde mengluchtklepregeling, om gebruik te maken van de zogenaamde 'vrije koeling'. Vooraf moest de efficiëntie van de geplande maatregelen worden onderzocht voor een representatieve LBI. Daartoe werden op een geselecteerde LBI de enthalpie-gestuurde mengluchtklepregeling geactiveerd en met behulp van een speciaal energiebeheersysteem (zie afbeelding 3) de meetgegevens en energiestromen vastgelegd en geanalyseerd. Ter beoordeling van de huidige toestand werd een simulatiemodel van de LBI met minimaal buitenluchtgehalte opgesteld. De resultaten van het onderzoek (energiebesparing) dienden als basis voor de beslissing over de implementatie van de maatregelen.

Energiebeheer voor de actuele opname

Het energiebeheer maakt deel uit van een DMAIC-proces (Six Sigma-methode) en omvat de in afbeelding 2 weergegeven fasen Measure (M) en Control (C). Onder energiebeheer van de LBI's wordt een procedure verstaan voor het vastleggen van het energieverbruik voor de uurlijkse thermische luchtstatusveranderingen in het luchtbehandelingsapparaat, gebaseerd op de evaluatie en verwerking van weersgegevens die gedurende een gekozen periode zijn vastgelegd, en de relevante apparaatgegevens zoals luchttemperatuur, -vochtigheid, -volume, enz. [1], [3]. De met het energiebeheer vastgestelde energieverbruiken omvatten de energiestromen voor de luchtbehandeling om de gewenste binnenluchtcondities te bereiken en eventueel voor de energieomzettingsverliezen bij koel-, warmte- en stoomproductie.

Bovendien kunnen bij deze meetmethode, in tegenstelling tot het gebruik van energiemengentellers, regeltechnische fouten worden herkend, omdat alle relevante meetgegevens voor een juiste analyse beschikbaar zijn.

De benodigde apparaatgegevens kunnen op verschillende manieren worden vastgelegd en overgedragen. De nauwkeurigheid van het vastgestelde energieverbruik wordt uitsluitend bepaald door de positie en de meetnauwkeurigheid van de gebruikte sensoren. Het is daarom zinvol om vóór de start van de metingen alle benodigde sensoren inclusief meetplaatsen vast te leggen of de bestaande sensortechniek op geschiktheid te controleren. Daarnaast moet een betrouwbare en bij voorkeur geautomatiseerde overdrachtsweg worden ontworpen.

Bij de onderzochte bestaande installatie werden de gegevens onder andere gemeten door de reeds geïnstalleerde sensoren en met behulp van de aanwezige gebouwbeheersoftware als 10-minutengemiddelden geregistreerd. Daarnaast werden extra sensoren geïnstalleerd en geregistreerd. De opgeslagen meetgegevens werden geïmporteerd in speciale meetgegevensverwerkingssoftware en gebruikt voor het berekenen van het energieverbruik en het analyseren van zwakke punten. Het principe van het gebruikte energiebeheersysteem wordt weergegeven in afbeelding 3.

De hier onderzochte LBI levert productie-ruimten met 32.000 m³/h verse lucht en is 24 uur per dag in bedrijf, zie schema in afbeelding 4. De installatie beschikt over de volgende thermische luchtbehandelingsfasen:

- KVS-warmterugwinning met geïntegreerde plaatwarmtewisselaar,
- Recirculatie (mengkamer),
- Koeling met ontvochtiging (koelwater),
- Stoombevochtiging
- Naverwarming

en wordt bedreven met constante volumestromen voor toevoer en afvoer en met constante toevoercondities.

De meetgegevens van de installatie werden verzameld van juni tot december 2012, waardoor het mogelijk was om de bedrijfswijze tijdens zomerdagen, winterdagen en overgangsperioden te analyseren. Als neveneffect werd vastgesteld dat de installatie enkele regeltechnische fouten vertoonde. De nieuw geactiveerde enthalpie-gestuurde mengluchtklepregeling functioneerde zonder problemen, maar was niet afgestemd op de regeling van de WRG in de buitenluchtkanaal, die door een andere fabrikant werd geleverd. Hierdoor heeft de WRG, inclusief de plaatwarmtewisselaar, vaak de lucht meer dan nodig voorverwarmd, wat leidde tot extra koelenergieverbruik door het daaropvolgende koelregister (zie diagram in afbeelding 5).

Voor de beoordeling van het extra verbruik door regeltechnische fouten werd met behulp van een installatiesimulatie een foutloze actuele toestand gesimuleerd (variant A, zie tabel 1).

Installatiesimulatie als basis voor de beoordeling

Als effectieve berekeningsmethode voor het jaarlijkse energieverbruik is gebleken dat de installatiesimulatie met behulp van geschikte simulatieprogramma's. De installatiesimulatie betekent hier de berekening van het energieverbruik voor de uurlijkse thermische luchtstatusveranderingen in het luchtbehandelingsapparaat. Hiervoor worden de werkelijke configuraties en prestatiegegevens van de luchtbehandelingscomponenten, de gerealiseerde regelfuncties en -sequenties en de gemeten weersgegevens op locatie gebruikt.

Om de verschillende soorten mengluchtklepregeling met elkaar te kunnen vergelijken, werd een ander simulatiemodel van de installatie gemaakt met een constant buitenluchtgehalte (variant B). Een verdere variant moet de besparingspotentie door de optimalisatie van de vochtigheidssollwaarden aantonen (uitbreiding van het instelbereik met ± 5 % r.F., variant C).

Aangezien de wijziging van de klepwerking geen noemenswaardige invloed heeft op het elektrische vermogen van de ventilatoren, werd bij de vergelijking van de varianten afgezien van het bepalen van het stroomverbruik van de installatie. Eenvoudigweg werden geen energieomzettingsfactoren in rekening gebracht; alleen de nuttige energie die aan het centrale apparaat wordt geleverd, werd beschouwd.

Resultaten

Uit afbeelding 6 blijkt dat het totale energieverbruik in de meetperiode, afhankelijk van de onderzochte varianten, varieert van 363 MWh (variant C) tot 570 MWh (huidige toestand). De huidige toestand vertoont vanwege de gebrekkige regeling en de ongunstige meetpunten van enkele regelrelevante sensoren het hoogste energieverbruik. Als de huidige toestand wordt beschouwd als 100 %, zou het totale (thermische) energieverbruik na het verwijderen van de vastgestelde fouten (variant A) 89 % bedragen. Variant A heeft door de variabele buitenluchtwerking een aanzienlijk lager koelenergieverbruik dan variant B (-17 %). Daarentegen neemt het vochtverbruik toe (+ 7 %). Hierdoor ontstaat een totale energiebesparing door de enthalpie-gestuurde mengluchtklepregeling van 49 MWh ofwel 9 %.

Wanneer de foutloze actuele toestand (variant A) wordt vergeleken met variant C, leidt de optimalisatie van de vochtigheidssollwaarden tot een extra energiebesparing van 29 %. Variant C blijkt de energie-efficiëntste bedrijfswijze te zijn, die zonder kostbare maatregelen en zonder overtreding van de vastgestelde GMP-eisen kan worden gerealiseerd.

Samenvatting

Op basis van de beschreven analyse worden bij alle 8 installaties de enthalpie-gestuurde bedrijfswijze van de mengluchtkleppen geactiveerd en de door het energiebeheer vastgestelde fouten worden gecorrigeerd. Daarnaast worden de vochtigheidssollwaarden zoals beschreven geoptimaliseerd (vgl. [2]). Ten opzichte van de bedrijfswijze met constant minimaal buitenluchtgehalte wordt een energiebesparing van circa 36 % verwacht, wat bij de referentie-installatie overeenkomt met een kostenbesparing van ongeveer €28.000 per jaar, en extrapolatie naar 8 installaties ongeveer €174.000 per jaar. Het energiebeheer wordt met een jaar verlengd om de verwachte besparingen te verifiëren.

Het in het kader van het beschreven project uitgevoerde energiebeheer in combinatie met de installatiesimulatie toonde aan dat de energie-efficiëntie van de LBI's sterk wordt beïnvloed door het gekozen regelconcept. Met behulp van het energiebeheer kunnen niet alleen de energieverbruiken van een LBI worden vastgesteld, maar ook diverse regeltechnische fouten, zoals gelijktijdige voorverwarming en koeling, worden herkend. Het wegnemen van deze fouten kan zonder investeringskosten aanzienlijk bijdragen aan de energiebesparing van een LBI.

Literatuur
[1] VDI 2083 Blatt 4.2: Reinraumtechnik - Energie-efficiëntie, april 2011.
[2] Bitsch, P. en Kuhn, M.: Energiezuinig ontvochtigen in cleanroom-klimaatinstallaties. In: Reinraumtechnik 2010 (2), p. 16-20.
[3] Kuhn, M.: Nieuwe methode voor de optimalisatie van reinraum-klimaatinstallaties. In: VDI-rapporten; 2083, Frankfurt 2009, p. 195-203.