Innovatief en toekomstgericht

Figuur 1: Zoneregelingen passen zich individueel aan de werk- en afkoeltijden aan.

Figuur 2: Techniek voor het gebruik van cleanrooms moet energie-efficiënt worden ontworpen.

Figuur 3: Comfortabele bediening van het systeem via touchpanel, tablet of smartphone.

Abb.4: Bij het gebruik van de RLT-installaties moet aandacht worden besteed aan de zogenaamde "Life-Cycle Cost".

Dirk Steil

Axel Biewer

Samenvatting in tabelvorm

Wanneer men spreekt met exploitanten van cleanrooms, hoort men steeds weer de klacht: “Onze cleanroom veroorzaakt bedrijfskosten in een voor ons onvoorspelbare omvang; kunt u ons daarbij helpen?”

Als men de cleanrooms nader bekijkt, stelt men vast dat de gehele cleanroom, ondanks verschillende gebruikseenheden/-tijden, 24 uur per dag en bijna 365 dagen per jaar zonder onderbreking wordt gebruikt.

Wanneer het gaat om welke leverancier de opdracht krijgt, staan bij de besluitvorming vaak nog steeds de investeringskosten op de voorgrond. De bedrijfskosten worden daarbij slechts zelden of pas tijdens de bedrijfsvoering kritisch onder de loep genomen. Om nog maar te zwijgen over de uitstoot van broeikasgassen en andere luchtverontreinigingen.

Als de cleanroom eenmaal is gebouwd, kunnen planfouten alleen nog worden gecorrigeerd met een relatief hoge tijds- en financiële inspanning, zodat men meestal alleen nog van schadebeperking kan spreken.

Overzicht

BECKER Reinraumtechnik legt bij de planning en de bouw van turnkey cleanrooms niet alleen de nadruk op de investeringskosten, maar ook op de zogenaamde “Total Life Cycle Cost”-berekening: naast de investeringskosten worden ook de energiekosten en vooral de te verwachten kosten voor onderhoud en reparatie weergegeven.

Pas door deze presentatie krijgt de exploitant inzicht in de levensduurkosten van zijn cleanroom.

Voor de optimalisatie van de energie-efficiëntie worden hieronder 6 voorbeelden getoond en beoordeeld.

1. Zone-regeling met dynamisch luchtvolumebeheer

De toevoervolumes van de verschillende gebruikszones worden geregeld en gecontroleerd via bus-compatibele elektronische volumestroomregelaars. Via de databus worden alle bedrijfsparameters permanent aan de programmeerbare regeling (DDC) doorgegeven. Hier worden de standen van de kleppen vergeleken met de ingevoerde streefwaarde, waaruit vervolgens een stuursignaal voor de ventilator wordt gegenereerd.

In de regeling is hiervoor een aanpasbaar tijdschakelprogramma opgenomen, waardoor de verschillende gebruikszones automatisch worden omgeschakeld van normaal- naar afvlakkingbedrijf. Daarnaast heeft de gebruiker de mogelijkheid om het betreffende scenario naar behoefte te activeren op het display van de regeling. Dit gebruiksgemak heeft zich in de praktijk vooral bewezen bij moeilijk te plannen gebruikstijden/-zones. (zie Fig. 1)

Systeemvoordelen:

- Vraaggestuurde aansturing van de ventilator, zodat volgens het principe “zo min mogelijk energie en alleen zoveel energie als nodig” altijd alleen de daadwerkelijk benodigde aandrijfenergie door de ventilator wordt geleverd.

- Individueel afvlakkingbedrijf van de verschillende gebruikszones met één centraal luchtbehandelingssysteem.

- Dynamische regeling van de volumestromen ook bij variabele systeemkarakteristieken, bijvoorbeeld als gevolg van luchtvolume-reductie in afvlakkingbedrijf of toenemende vervuiling van het filter.

- Weergave van de werkelijke volumestromen op het display van de regeling in m³/h.

- Waarschuwing en/of alarm bij overschrijding van grenswaarden.

- Het luchtbehandelingssysteem past zich automatisch aan het energetisch optimale bedrijfspunt aan, waardoor de inbedrijfstelling aanzienlijk wordt vereenvoudigd.

- Lager bedrijfsgeluid en langere filterstandtijden door afvlakkingbedrijf.

2. Ontvochtigingsconcept

De lucht moet gewoonlijk worden gekoeld met een koelmiddel onder de relevante dauwpuntstemperatuur voor het ontvochtigingsproces, zodat vocht uit de luchtstroom condenseert (“Colafles-effect”).

Aangezien meestal de personen- of de voor de drukhandhaving benodigde buitenluchtbehoefte de enige relevante invloed op de luchtvochtigheid in de ruimte heeft, adviseren wij om, uit energetische overwegingen, in plaats van de gehele toevoervolume, alleen dit minimale buitenluchtdeel onder het dauwpunt te koelen voor ontvochtiging. (zie Fig. 2)

Systeemvoordelen:

- Bijvoorbeeld, uitgaande van een gemengde lucht cleanroom zonder procesafvoerlucht met ruimtetoestanden van 21 °C en 50% r.F., kan door gerichte ontvochtiging van de buitenlucht, bij een koeluitgangstemperatuur van ca. 10 °C, tot 40% energiebesparing worden gerealiseerd ten opzichte van het ontvochtigen van de gehele toevoerluchtstroom.

- Geen energieverlies door naverwarming om de ontvochtigde toevoerlucht in de vochtige warme zomermaanden van ca. 10 °C te verwarmen tot minimaal 16 °C (minimum toevoergrens).

3. Zone-regeling met variabele ruimtetoestanden

Bij installaties met meerdere verschillende gebruikszones adviseren wij, de koel- en verwarmingsregelaars niet centraal in het luchtbehandelingssysteem te plaatsen, maar decentraal in het toevoersysteem toe te wijzen aan het betreffende gebied.

In dat geval worden aparte temperatuur- en/of vochtigheidssensoren voorzien, waardoor de regelkleppen van de betreffende koel- /verwarmingsregelaars vraaggestuurd worden aangestuurd, zodat elke zone gebruiksgericht wordt geklimatiseerd in normaal- / afvlakkingbedrijf.

In de regeling is hiervoor een aanpasbaar tijdschakelprogramma opgenomen, waardoor de verschillende gebruikszones automatisch kunnen worden omgeschakeld van normaal- naar afvlakkingbedrijf. Daarnaast heeft de gebruiker de mogelijkheid om het betreffende scenario naar behoefte te activeren op het display van de regeling. Dit gebruiksgemak heeft zich in de praktijk vooral bewezen bij moeilijk te plannen gebruikstijden/-zones. (zie Fig. 3)

Systeemvoordeel:

- Individueel afvlakkingbedrijf van verschillende gebruikszones door aangepaste regelhysteresen/-tijden (bijvoorbeeld 21 °C en 50% r.F. in normaalbedrijf en 16-26 °C en 40-60% r.F. in afvlakkingbedrijf) met slechts één centraal luchtbehandelingssysteem.

4. Vergrendelingsconcept

Om de risico’s van deeltjesverspreiding (kruisbesmetting) van de minder schone sluiskamers naar de schonere productieruimtes te minimaliseren, worden in de cleanroomtechniek doorgaans de deuren via een zogenaamde toegangsscontrole vergrendeld, zodat altijd maar één deur tegelijk geopend kan worden.

Een toekomstgericht concept maakt gebruik van deze functie door tijdens het afvlakkingbedrijf, via communicatie tussen MSR-techniek en sluiskamerbesturing, de toegang tot de betreffende zone automatisch te vergrendelen en zo een mogelijk besmettingsrisico door personen tijdens deze periode te voorkomen. Na het hervatten van de normale bedrijfsvoering wordt de deur naar het betreffende gebruiksgebied, afhankelijk van de hersteltijd van de ruimtes en het omschakelgedrag van het luchtbehandelingssysteem, met vertraging weer vrijgegeven via de sluiskamerbesturing. Bij gevaar voor lijf en leven kan de toegangssluiting worden gedeactiveerd via een in de deurpost geïntegreerde “noodstop”. Indien nodig kan deze gebruiksafhankelijke vergrendelingsfunctie ook met wachtwoord worden opgeheven.

Systeemvoordeel:

- Met geringe regeltechnische extra inspanning kunnen tijdens het afvlakkingbedrijf besmettingsrisico’s worden uitgesloten zonder de bescherming van personen in gevaar te brengen.

5. Warmteterugwinnings-/Enthalpiekoncept

Bij een energie-efficiënt systeemontwerp moeten ook de beschikbare bronnen, zoals buiten- en eventueel afvoerluchtvolumes, worden benut voor de klimaatregeling in de ruimte.

Hiervoor heeft zich in de praktijk een onconventioneel opgebouwd luchtbehandelingssysteem bewezen, met een combinatie van centrale toevoer-, afvoer-, buitenlucht- en afvoersecties en recuperatieve warmteterugwinning. (zie Fig. 4)

Systeemvoordelen:

- Voor de klimaatregeling wordt in eerste instantie kosteneffectieve buitenlucht en pas in tweede instantie kostbare primaire energie gebruikt.

- Grote warmtewisselaaroppervlakken bij relatief lage buiten- en afvoerluchtvolumes, waardoor een rendement van ca. 80% mogelijk is bij relatief geringe drukverliezen.

- Optimale kosten-/batenverhouding in vergelijking met andere WTW-systemen.

- Betrouwbare inzet van kruisstroomwarmtewisselaars, ook bij vervuilde afvoerlucht.

- Alle innovaties worden samengebracht in één centraal luchtbehandelingssysteem.

6. Barrièremodel

Volgens EN ISO 14644-4 worden de schonere gebieden ten opzichte van de minder schone gebieden ook met duidelijk lagere differentiedrukken beschermd dan de gebruikelijke 5-20 Pa, mits binnen een bepaalde overstromingsopening tussen de reinheidsklassen een turbulentiearme verdringingsstroom van meer dan 0,2 m/s kan worden vastgesteld — wat overeenkomt met een differentiedruk van minder dan 0,1 Pa.

Afgezien van mogelijke afvoerluchtvolumes of onvermijdelijke lekkages in de ruimte, wordt de buitenluchtbehoefte bij dit innovatieve barrièremodel niet meer bepaald door de differentiedruk, maar uitsluitend door het aantal personen.

Neem bijvoorbeeld een cleanroom met een vloeroppervlak van 100 m² en ga ervan uit dat de ruimte constant wordt bezet door maximaal 6 personen, dan zou de buitenluchtbehoefte voor de cleanroom, bij een persoonsgebonden buitenluchtstroom van maximaal 50 m³/h, afnemen van 900 m³/h naar 300 m³/h en de koelprestatie voor de ontvochtiging van ongeveer 9 kW naar ongeveer 3 kW.

Systeemvoordelen:

- De buitenluchtbehoefte en de daarmee samenhangende energiekosten kunnen met ongeveer 70% worden verminderd.

- Afhankelijk van de warmtebelastingen in de ruimte kan volledig worden afgezien van verwarming van de lucht.

- Luchtstromingen en de daarmee samenhangende besmettingsrisico’s kunnen met behulp van hoogresolutie meetinstrumenten (± 0,05 m/s) ook bij geopende deuren worden vastgesteld, waardoor ruimteluchtlekken beter beheersbaar worden.

- Luchtstromingen en daarmee besmettingsrisico’s kunnen door bidirectionele meetinstrumenten betrouwbaarder in twee richtingen worden vastgesteld.

- Geen externe storingsfactoren zoals bijvoorbeeld het risico op schommelende referentiedrukken bij het differentiedrukconcept.

- Met minimale extra inspanning voor de sensortechniek kunnen zowel energiekosten als besmettingsrisico’s worden geminimaliseerd.