Innowacyjny i przyszłościowy

Abb 1: Zonenregelungen passen sich den Arbeits- und Absenkzeiten individuell an.

Abb 2: Technika do obsługi czystych pomieszczeń musi być zaprojektowana z myślą o efektywności energetycznej.

Abb. 3: Komfortowe sterowanie systemem za pomocą panelu dotykowego, tabletu lub smartfona.

Abb.4: Podczas korzystania z systemów HVAC należy zwrócić uwagę na tzw. „koszty cyklu życia”.

Dirk Steil

Axel Biewer

Podsumowanie w formie tabeli

Rozmowy z operatorami czystych pomieszczeń często kończą się skargą: „Nasze czyste pomieszczenie generuje koszty operacyjne w nieprzewidywalnym dla nas zakresie; czy mogą nam Państwo pomóc?”

Gdy przyjrzymy się bliżej czystym pomieszczeniom, okazuje się, że całe czyste pomieszczenie, mimo różnych jednostek użytkowych / czasów użytkowania, jest eksploatowane przez całą dobę i niemal przez 365 dni w roku bez przerwy.

Jeśli chodzi o wybór dostawcy, który otrzyma zlecenie, decyzje często nadal opierają się głównie na kosztach inwestycji. Koszty operacyjne są rzadko lub dopiero w trakcie eksploatacji krytycznie kwestionowane. Nie wspominając o emisji gazów cieplarnianych i innych zanieczyszczeniach powietrza.

Gdy czyste pomieszczenie jest już wybudowane, błędy planistyczne można poprawić tylko za pomocą stosunkowo dużych nakładów czasowych i finansowych, co zazwyczaj oznacza jedynie ograniczanie szkód.

Przegląd

Firma BECKER Reinraumtechnik podczas planowania i budowy gotowych do użytku czystych pomieszczeń nie skupia się tylko na kosztach inwestycji, ale także na tzw. obliczeniach „Total Life Cycle Cost”: oprócz kosztów inwestycji uwzględnia się również koszty energii oraz szczególnie przewidywane koszty konserwacji i napraw.

To właśnie dzięki tym wyliczeniom operator otrzymuje informacje o kosztach eksploatacji swojego czystego pomieszczenia na cały okres jego użytkowania.

W celu optymalizacji efektywności energetycznej w dalszej części przedstawione i ocenione zostanie 6 przykładów.

1. Sterowanie strefami z dynamicznym zarządzaniem ilością powietrza

Przepływy powietrza z zasilania poszczególnych stref użytkowych są regulowane i kontrolowane za pomocą elektronicznych regulatorów przepływu powietrza z interfejsem bus. Dane z każdego regulatora są nieustannie przesyłane do programowalnego systemu sterowania (DDC) za pomocą magistrali danych. Tam porównywane są ustawienia klapek z zadanymi wartościami, co generuje sygnał sterujący dla wentylatora.

W tym układzie sterowania zaprogramowano zmienny harmonogram czasowy, który automatycznie przełącza różne strefy użytkowe z trybu normalnego na tryb oszczędny. Ponadto użytkownik ma możliwość aktywowania odpowiedniego scenariusza na wyświetlaczu systemu sterowania, dostosowanego do potrzeb. Ta funkcja okazała się szczególnie przydatna w praktyce przy trudnych do zaplanowania czasach / strefach użytkowych. (zobacz rys. 1)

Zalety systemu:

- Sterowanie wentylatorem zgodnie z potrzebami, zgodnie z zasadą „jak najmniej energii, jak najwięcej koniecznej” — zawsze tylko energia napędu potrzebna dla rzeczywistego zapotrzebowania.

- Indywidualny tryb oszczędny dla różnych stref użytkowych z jednym centralnym systemem HVAC.

- Dynamiczna regulacja przepływów powietrza również przy zmiennej charakterystyce instalacji, na przykład wynikającej z redukcji ilości powietrza w trybie oszczędnym lub wzrostu zanieczyszczenia filtrów.

- Wyświetlanie rzeczywistych przepływów powietrza w m³/h na wyświetlaczu systemu sterowania.

- Ostrzeżenia i/lub alarmy przy przekroczeniu granicznych wartości.

- System HVAC automatycznie dostosowuje się do optymalnego punktu pracy energetycznej, co znacznie upraszcza uruchomienie.

- Mniejsze hałasy podczas pracy i dłuższe okresy eksploatacji filtrów dzięki trybowi oszczędnemu.

2. Koncepcja odwilżania

Zazwyczaj powietrze musi być schłodzone za pomocą wymiennika ciepła poniżej punktu rosy, aby skropliła się wilgoć z przepływu powietrza („efekt butelki coli”).

Ponieważ zazwyczaj zapotrzebowanie na powietrze zewnętrzne, konieczne do utrzymania ciśnienia, jest głównym czynnikiem wpływającym na wilgotność pomieszczenia, z powodów energetycznych zalecamy schłodzenie tylko tego minimalnego udziału powietrza zewnętrznego, który jest potrzebny do odwilżania poniżej punktu rosy. (zobacz rys. 2)

Zalety systemu:

- Na przykład, zakładając czyste pomieszczenie z mieszanym powietrzem bez ciągłego odprowadzania powietrza procesowego, przy warunkach 21 °C i 50% wilgotności względnej, można zaoszczędzić do 40% energii chłodniczej w porównaniu do odwilżania całego przepływu powietrza zewnętrznego, przy temperaturze wyjścia chłodnicy około 10 °C.

- Brak energii na ponowne podgrzewanie odwilżonego powietrza do minimalnej temperatury 16 °C (minimalne ograniczenie zasilania powietrza).

3. Sterowanie strefami z zmiennymi warunkami pomieszczenia

W przypadku instalacji z wieloma różnymi strefami użytkowymi zalecamy, aby układy chłodzenia i ogrzewania nie były centralnie zlokalizowane w systemie HVAC, lecz rozdzielnie w systemie zasilania powietrzem do poszczególnych stref.

W tym przypadku należy zastosować oddzielne czujniki temperatury i/lub wilgotności, które będą sterować zaworami układów chłodzenia / ogrzewania zgodnie z potrzebami, tak aby każda strefa była klimatyzowana w trybie normalnym / oszczędnym zgodnie z użytkowaniem. 

W systemie sterowania zaprogramowano zmienny harmonogram czasowy, który automatycznie przełącza różne strefy użytkowe z trybu normalnego na tryb oszczędny. Ponadto użytkownik ma możliwość aktywowania odpowiedniego scenariusza na wyświetlaczu systemu sterowania, dostosowanego do potrzeb. Ta funkcja okazała się szczególnie przydatna w praktyce przy trudnych do zaplanowania czasach / strefach użytkowych. (zobacz rys. 3)

Zaleta systemu:

- Indywidualny tryb oszczędny różnych stref użytkowych poprzez zmienione histerezy sterowania / czas wyłączenia (np. 21 °C i 50% r. w trybie normalnym oraz 16-26 °C i 40-60% r. w trybie oszczędnym) z jednym centralnym systemem HVAC.

4. Koncepcja blokad

Aby zminimalizować ryzyko przenoszenia cząstek (kontaminacji krzyżowej) z bardziej zanieczyszczonych stref przejściowych do czystszych obszarów produkcyjnych, w technologii czystych pomieszczeń zwykle stosuje się blokadę drzwi za pomocą tzw. kontroli dostępu, tak aby można było otworzyć tylko jedno drzwi na raz.

Przyszłościowa koncepcja wykorzystuje tę funkcję, automatycznie blokując dostęp do danej strefy podczas trybu oszczędnego, poprzez komunikację między techniką MSR a sterowaniem przejściami, co zapobiega ryzyku kontaminacji przez osoby w tym czasie. Po powrocie do trybu normalnego drzwi do danej strefy są odblokowywane z opóźnieniem czasowym, w zależności od czasu odzysku pomieszczeń i zachowania przełączania systemu HVAC. W razie zagrożenia dla życia i zdrowia blokada dostępu może zostać wyłączona za pomocą „trybu awaryjnego” zintegrowanego w drzwiach. W razie potrzeby można tę funkcję blokady zależną od użytkowania zabezpieczyć hasłem.

Zaleta systemu:

- Przy niewielkim nakładzie na technikę sterowania można wyeliminować ryzyko kontaminacji podczas trybu oszczędnego, nie narażając przy tym personelu.

5. Koncepcja odzysku ciepła / entalpii

Przy energooszczędnej koncepcji systemu należy wykorzystywać dostępne zasoby, takie jak przepływy powietrza zewnętrznego i ewentualnie odprowadzania powietrza procesowego, do klimatyzacji pomieszczeń.

W praktyce sprawdziła się niekonwencjonalnie zbudowana jednostka HVAC, łącząca centralne sekcje zasilania, wywiewu, powietrza zewnętrznego i odprowadzenia, a także rekuperację ciepła. (zobacz rys. 4)

Zalety systemu:

- Do klimatyzacji pomieszczeń najpierw wykorzystywane są powietrze zewnętrzne bez kosztów, a dopiero w drugiej kolejności – kosztowna energia pierwotna.

- Duże powierzchnie wymienników ciepła przy stosunkowo niskim przepływie powietrza zewnętrznego i odprowadzania, co pozwala osiągnąć sprawność ok. 80% przy stosunkowo niskim spadku ciśnienia.

- Optymalny stosunek kosztów do korzyści w porównaniu z innymi systemami odzysku ciepła.

- Bezpieczna eksploatacja wymienników krzyżowych nawet przy zanieczyszczonym powietrzu odprowadzanym.

- Wszystkie innowacje w jednym centralnym systemie HVAC.

6. Koncepcja barier

Zgodnie z EN ISO 14644-4, czystsze strefy są skutecznie chronione przed zanieczyszczeniami z bardziej zanieczyszczonych obszarów, przy czym różnica ciśnień jest znacznie mniejsza niż zwykle 5-20 Pa, jeśli w obrębie określonego otworu przepływowego między klasami czystości można wykazać przepływ zastępczy o niskiej turbulencji przekraczający 0,2 m/s — co odpowiada różnicy ciśnień poniżej 0,1 Pa.

Pomijając ewentualne przepływy powietrza odprowadzania lub nieuniknione nieszczelności w pomieszczeniu, zapotrzebowanie na powietrze zewnętrzne w tym innowacyjnym systemie barier nie jest już określane przez różnicę ciśnień, lecz wyłącznie przez liczbę osób.

Na przykład, w przypadku czystego pomieszczenia o powierzchni 100 m², które jest stale zajęte maksymalnie przez 6 osób, zapotrzebowanie na powietrze zewnętrzne przy maksymalnym przepływie na osobę 50 m³/h zmniejszyłoby się z 900 m³/h do 300 m³/h, a moc chłodzenia do odwilżania z około 9 kW do około 3 kW.

Zalety systemu:

- Możliwość zmniejszenia zapotrzebowania na powietrze zewnętrzne i związanych z tym kosztów energii o około 70%.

- W zależności od obciążenia cieplnego w pomieszczeniu można całkowicie zrezygnować z ogrzewania powietrza.

- Przepływy powietrza i związane z nimi ryzyko kontaminacji można wykrywać za pomocą wysokorozdzielczej techniki pomiarowej (± 0,05 m/s), nawet przy otwartych drzwiach, co pozwala lepiej kontrolować nieszczelności pomieszczeń.

- Przepływy powietrza i ryzyko kontaminacji można bardziej niezawodnie wykrywać w obu kierunkach dzięki dwukierunkowej technice pomiarowej.

- Brak zewnętrznych zakłóceń, takich jak ryzyko wahań referencyjnego ciśnienia w koncepcji różnicowego ciśnienia.

- Przy minimalnym nakładzie na czujniki można zminimalizować zarówno koszty energii, jak i ryzyko kontaminacji.