Leistungsprüfung von Luftfiltern: Normen und Richtlinien für das 21. Jahrhundert

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1 APV Arbeitsgemeinschaft für Pharmazeutische Verfahrenstechnik e.v. Leistungsprüfung von Luftfiltern: Normen und Richtlinien für das 21. Jahrhundert Dr.-Ing. Thomas Caesar Freudenberg Filtration Technologies KG, Weinheim Energiesparen mit Luftfiltern Renate Tapper Freudenberg Filtration Technologies SE & Co. KG, Weinheim Sonderdruck TechnoPharm 2, Nr. 4 (2012) (Caesar) bzw. TechnoPharm 3, Nr. 5 (2013) (Tapper)

2 Prozesstechnik Leistungsprüfung von Luftfiltern: Normen und Richtlinien für das 21. Jahrhundert Dr.-Ing. Thomas Caesar. Freudenberg Filtration Technologies KG, Weinheim Korrespondenz: Dr.-Ing. Thomas Caesar, Freudenberg Filtration Technologies KG, Weinheim; Autor Dr. Thomas Caesar Dr. Thomas Caesar studierte Chemieingenieurwesen an der Universität Karlsruhe (TU) und promovierte im Anschluss an der RWTH Aachen. Seit 1999 ist er bei der Freudenberg Vliesstoffe KG im Geschäftsbereich Filter in verschiedenen Funktionen in Technik und Vertrieb tätig. Seit 2007 ist er Leiter der Filtertechnik bei der Freudenberg Filtration Technologies KG. Er betreibt nationale und internationale Normen- und Richtlinienarbeit als Experte in verschiedensten Arbeitsgruppen bei VDI, DIN, CEN, ISO und bei EUROVENT, sowie als deutscher Delegierter bei CEN/TC 195 und ISO/TC Einleitung Die Herstellung, Prüfung, Klassifizierung, Installation und der Betrieb von Luftfilter allgemein und insbesondere in der Pharmaindustrie unterliegen verschiedenen Normen und Richtlinien. In der Reinraumtechnik wird die Filterauswahl, Installation, Abnahmeprüfung und der Betrieb insbesondere der endständigen Schwebstofffilter durch die internationale Normenreihe ISO [1] sowie in den relevanten GMPs der EU und der FDA geregelt. Dagegen ist die Herstellerprüfung und Klassifizierung von Luftfiltern bisher nicht weltweit einheitlich geregelt. In Europa werden Luftfilter nach den beiden europäischen Normen EN 779 [2] für Staubfilter und EN 1822 [3] für Schwebstofffilter geprüft und klassifiziert. In USA wird dies durch den ANSI/ASHREA Standard 52.2 [4] genormt. Derzeit werden große Anstrengungen unternommen, diese Normen weltweit einheitlich zu regeln und auch zusätzlich Aspekte aufzunehmen, die bisher in den bestehenden Normen und Richtlinien keine Berücksichtigung fanden. Allem voran ist hier das energetische Betriebsverhalten von Luftfiltern zu nennen. 2. Neue ISO-Norm für Schwebstofffilter Im Jahre 2006 wurde das ISO Technical Committee (TC) 142 Cleaning Equipment for Air and other Gases reaktiviert, mit dem Ziel, die Normenwelt rund um die Luft- und Gasfiltration international einheitlich zu regeln. Als erste internationale Norm aus diesem Komitee wurde kürzlich die ISO Cleaning equipment for air and other gases Terminology veröffentlicht, in der die Begrifflichkeiten rund um die Filtration geregelt werden. Als weiteres ist im Oktober 2011 die Norm ISO High-efficiency filters and filter media for removing particles in air [5] erschienen, die in fünf Teilen die Prüfung und Klassifizierung von Schwebstofffiltern regelt. Diese neue internationale Norm basiert in ihren wesentlichen Elementen auf der europäische Norm EN 1822 und wird diese voraussichtlich künftig ersetzen. Analog zur EN 1822 unterteilt die ISO Schwebstofffilter in drei Gruppen (siehe Tab. 1): EPA (Efficient Particulate Air) Filter: Filter, die dieser Gruppe zugeordnet werden, können weder beim Hersteller noch beim Anwender einzeln auf Leckfreiheit überprüft werden. 2 Caesar. Leistungsprüfung Luftfilter TechnoPharm 2, Nr. 4 (2012) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)

3 Tabelle 1 Klasseneinteilung nach ISO Gruppe Klasse Klasse Intergralwerte für MPPS Lokalwerte für MPPS nach EN1822 Abscheidegrad Penetration Abscheidegrad Penetration EPA ISO 15 E E11 95 % 5% ISO 20 E 99 % 1% ISO 25 E E12 99,5 % 0,5 % ISO 30 E 99,9 % 0,1 % HEPA ISO 35 H H13 99,95 % 0,05 % 99,75 % 0,25 % ISO 40 H 99,99 % 0,01 % 99,95 % 0,05 % ISO 45 H H14 99,995 % 0,005 % 99,975 % 0,025 % ULPA ISO 50 U 99,999 % 0,001 % 99,995 % 0,005 % ISO 55 U U15 99,9995 % 0,0005 % 99,9975 % 0,0025 % ISO 60 U 99,9999 % 0,0001 % 99,9995 % 0,0005 % ISO 65 U U16 99,99995 % 0,00005 % 99,99975 % 0,00025 % ISO 70 U 99,99999 % 0,00001 % 99,9999 % 0,0001 % ISO 75 U U17 99, % 0, % 99,9999 % 0,0001 % Sie unterliegen beim Hersteller Prüfmethoden, welche die Abscheideleistung im Rahmen der Qualitätskontrolle und basierend auf statistischen Methoden sicherstellen. HEPA (High Efficient Particulate Air) Filter: Filter dieser Gruppe werden beim Hersteller einzeln auf Leckfreiheit überprüft. Als Referenzmethode dient dazu das sogenannte Scanverfahren, bei dem der Filter mit Partikelmeßsonden vollflächig abgefahren und die lokalen Abscheidegrade gemessen werden. Alternativ dazu definiert die Norm verschiedene andere Leckprüfverfahren, wie beispielsweise den Ölfadentest. ULPA (Ultra Low Penetration Air) Filter: Filter dieser Gruppe werden beim Hersteller einzeln auf Leckfreiheit überprüft, wobei das Scanverfahren für ULPA Filter die einzig zulässige Methode ist. HEPA und ULPA Filter müssen nach dem Einbau durch den Anwender auf Dichtsitz und Leckfreiheit beispielsweise nach ISO 14644, Teil 3 überprüft werden. Wie bei der EN 1822, ist auch bei der ISO das Scanverfahren die Referenzmethode, bei der die lokalen und integralen Abscheidegrade bei der Partikelgröße mit dem höchsten Durchlaßgrad (MPPS = Most Penetrating Particle Size) gemessen werden. In Tabelle 1 sind die Definitionen der ISO-Filterklassen und die zugehörigen Abscheidebzw. Durchlaßgrade wiedergegeben. Insgesamt teilt sich das Prüfverfahren in vier Einzelschritte: (1) Bestimmung der Partikelgröße mit dem höchsten Durchlaßgrad (MPPS) durch Messung der Fraktionsabscheidegradkurve als Funktion der Partikelgröße am planen Filtermedium (siehe Teil 3 der Norm), (2) Bestimmung der Leckfreiheit am Filterelement (siehe Teil 4 der Norm), (3) Ermittlung des integralen Abscheidegrades des Filterelements (siehe Teil 5 der Norm) und (4) Klassifizierung nach Tabelle 1 (siehe Teil 1 der Norm). Im Teil 3 der Norm werden die notwendigen statistische Berechnungsverfahren beschrieben. 3. Grob- und Feinstaubfilter Grob- und Feinstaubfilter dienen in der pharmazeutischen Industrie meist als Vorfilter für die endständigen Schwebstofffilter; sichern aber auch eine ausreichende Innenraumluftqualität beispielsweise in den Büroräumen außerhalb einer Reinraumproduktion. Sie werden in Europa nach der Norm EN 779 geprüft und klassifiziert. Im Gegensatz zur Prüfung von Schwebstofffiltern handelt es sich bei der Prüfung von Grob- und Feinstaubfiltern um eine zerstörende Prüfung, bei der der Prüfling mit einem synthetischen Prüfstaub beladen wird, dem so genannte ASHRAE-Staub. Aus den über die Staubbeladung gemittelten Abscheide- bzw. Wirkungsgraden wird die Filterklasse ermittelt. Diese Norm wurde aktuell überarbeitet und als finaler Entwurf pren779:2009 veröffentlicht (Tab. 2). Wesentliche Änderung in dieser Überarbeitung ist die Einführung von Mindestwirkungsgraden für die Filterklassen F7 bis F9, die dem Anwender eine hö- TechnoPharm 2, Nr. 4 (2012) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) Caesar. Leistungsprüfung Luftfilter 3

4 Prozesstechnik Tabelle 2 Filterklasseneinteilung nach FprEN 779:2010. Gruppe Klasse Enddruckdifferenz der Prüfung Grobfilter Feinfilter here Betriebssicherheit in Bezug auf die Abscheideleistung der Filter geben. Um dem Anwender zusätzliche Sicherheit bezüglich der Qualität der verwendeten Feinfilter zu geben, wurde vor einigen Jahren von Eurovent (Europäisches Komitee der Hersteller von lufttechnischen und Trocknungsanlagen) ein Zertifizierungsprogramm aufgesetzt, in dessen Rahmen sich die Teilnehmer einer regelmäßigen und unabhängigen Kontrolle wichtiger Filterleistungsdaten unterziehen (siehe auch com). Durch unabhängige Labore werden im jährlichen Turnus die Anfangsdruckdifferenz, der Anfangsund Mindestwirkungsgrad, die Filterklasse sowie die Energieeffizienzklasse an jeweils vier willkürlich ausgewählten Feinfiltern aus dem Produktprogramm des jeweiligen Teilnehmers überprüft. Es ist daher zu empfehlen, nur Luftfilter von Eurovent zertifizierten Herstellern einzusetzen. 4. Energetischer Betrieb von Luftfiltern Bedingt durch steigende Energiekosten und die Notwendigkeit zur Mittlerer gravimetrischer Abscheidegrad A m gegenüber ASHRAE-Prüfstaub in % Reduktion der CO 2 -Emissionen ist der Energieverbrauch Raumlufttechnischer Anlagen zunehmend in den Fokus gerückt. In Europa werden zwischen 10 und 20 % der elektrischen Energie im industriellen und gewerblichen Bereich für den Betrieb von Ventilatoren in Raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) eingesetzt. In Reinräumen der Pharmaproduktion liegt dieser Prozentsatz noch deutlich höher. Ungefähr 1/3 davon dient dazu, den Strömungswiderstand (Druckverlust) der eingesetzten Luftfilter zu überwinden. Neben Investitionsmaßnahmen wie die Umrüstung oder der Einsatz frequenzgeregelter Lüfter mit hohem Wirkungsgrad bietet die Optimierung der eingesetzten Filtereffizienzen und der Einsatz qualitativ hochwertiger, energieeffizienter Luftfilter eine vergleichsweise einfache Möglichkeit, signifikante Energieeinsparungen zu erzielen. Dabei dürfen natürlich die Schutzziele nicht außer Acht gelassen werden, so dass letztlich individuell stets das Optimum der notwendigen Filtereffizienz bei möglichst geringem Energieverbrauch gefunden werden muss. Um dem Anwender die Wahl möglichst Mittlerer Wirkungsgrad E m 0,4 μm in% G G1 250 Pa 50 A m < 65 G2 65 A m < 80 G3 80 A m < 90 G4 90 A m M M5 450 Pa 40 E m < 60 M6 60 E m < 80 F F7 80 E m < F8 90 E m < F9 95 E m 70 energieeffizienter Luftfilter zu erleichtern, wurde jüngst durch das Europäisches Komitee der Hersteller von lufttechnischen und Trocknungsanlagen (Eurovent) ein neues Dokument Eurovent 4/11 [6] veröffentlicht, das ein Energieeffizienz- Klassifizierungssystem für Luftfilter definiert. Unter der Annahme, dass der Volumenstrom, der durch den Lüfter gefördert wird, konstant ist, also nicht vom Filterdruckverlust abhängt, lässt sich der durch Luftfilter verursachte Energieverbrauch nach Gl. (1) berechnen [7]. W = q v p t 1000 Abb.: Gleichung 1. Minimaler Wirkungsgrad 0,4 μm in % Diese Voraussetzung ist dann gegeben, wenn der Lüfter über einen Frequenzumrichter auf konstanten Volumenstrom geregelt wird. In Gl. (1) ist W (in kwh) die in der Zeit t (in h) verbrauchte Energie. Da der Druckverlust während der Betriebsdauer eines Luftfilters mit der Staubeinlagerung zunimmt, wird in Gl. (1) der über den Zeitraum t integral ge- 4 Caesar. Leistungsprüfung Luftfilter TechnoPharm 2, Nr. 4 (2012) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)

5 mittelte Druckverlust p (in Pa) eingesetzt. Der Wirkungsgrad η hängt der Bauart und dem jeweiligen Betriebszustand des Lüfters ab. Bei modernen Lüftern liegt dieser bei 70 %; kann jedoch bei älteren Modellen und/oder ungünstiger Betriebsweise auch nur 25 % oder sogar weniger betragen. In RLT-Anlagen werden meist zweistufig Taschen- oder Kassettenfilter eingesetzt (siehe Abb. 1). Das energetische Betriebsverhalten solcher Filter wird ganz wesentlich durch die eingesetzten Filtermedien, die effektiv wirksame Filterfläche und die Ausführung und Art der Konfektionierung bestimmt. Beispielsweise können progressiv aufgebaute Filtermedien aus synthetisch-organischen Fasern, bei denen die Dichte und die Feinheit der Fasern in Luftströmungsrichtung zunehmen, deutlich mehr Staub einlagern, als vergleichbare, homogen aufgebaute Vliesstoffe aus Polymeroder Glasfasern. Das höhere Staubspeichervermögen bewirkt, dass die Druckdifferenz mit der Betriebszeit langsamer ansteigt und der Filter weniger Energieverbrauch verursacht. Zusätzlich bewirkt eine hohe Steifigkeit der eingesetzten Filtermedien, dass Filtertaschen formstabil und eigensteif sind. Damit muss die einströmende Luft nicht zusätzlich Energie zum Öffnen der Taschen aufwenden und gleichzeitig ist eine optimal V-förmige Geometrie der Taschen gewährleistet. Auch bei Kassettenfiltern, bei denen das Filtermedium entweder in 6 bzw. 8 flachgefalteten Faltenpaneele oder als ein tiefgefaltetes Faltenpaneel in einen festen Rahmen eingefasst sind, beeinflusst die Steifigkeit des eingesetzten Filtermediums und die Geometrie der Faltung wesentlich den Energieverbrauch [8]. Das Energieeffizienz-Klassifizierungssystem nach Eurovent 4/11 gibt dabei erstmals dem Anwender die Möglichkeit, diese unterschiedlichen Designaspekte verschiedener Filter in Bezug auf deren energetisches Betriebsverhalten quantitativ miteinander zu vergleichen. Das verwendete Laborprüfverfahren basiert dabei im wesentlichen auf der Filterprüfnorm EN779 [2], wobei der Filterprüfling bei einem festgelegten Prüfvolumenstrom von m 3 /h mit einem synthetischen Prüfstaub, dem sogn. ASHRAE - Staub beladen wird. Die dabei gemessene Druckdifferenzkurve als Funktion der Staubbeladung dient zur Bestimmung des mittleren Druckverlustes (siehe Gl. (1)), der sich während eines Jahres Betrieb einstellt. Je nach Filterklassengruppe werden dabei unterschiedliche Staubmengen zugrunde gelegt. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass Filter der Gruppe F Tabelle 3 Abb. 1: Beispiele für Taschenfilter (links) oder Kassettenfilter (rechts) für den Einsatz in RLT-Anlagen. in der Regel in der zweiten Filterstufe eingesetzt werden und dadurch in der Praxis mit geringeren Staubkonzentrationen konfrontiert werden, als dies bei Filtern der Gruppe G oder M der Fall ist, die üblicherweise in der ersten Filterstufe eingesetzt werden. Mit dem aus der Beladungskurve nach EN 779 bestimmten mittleren Druckverlust kann mit Hilfe von Gl. (1) der jährliche Energieverbrauch berechnet werden. Dazu werden in dem Eurovent Dokument 4/11 als Konvention die jährlichen Betriebsstunden mit h und der Wirkungsgrad des Lüfters zu 50 % festgelegt. Anhand des berechneten Jahresenergieverbrauch werden die Filter entsprechend ihrer Filterklasse gemäß Tabelle 3 in Energie-Effizienz-Klassen eingeteilt. Klassengrenzen der Energie-Effizienz in Abhängigkeit der Filterklasse gemäß EN779 (ermittelt bei 3400 m 3 /h) [6]. Filter class G4 M5 M6 F7 F8 F9 MTE MTE 35% MTE 55% MTE 70% M G = 350 g ASHRAE M M = 250 g ASHRAE M F = 100 g ASHRAE A kwh kwh kwh kwh kwh kwh B > 600 kwh 700 kwh > 650 kwh 780 kwh > 800 kwh 950 kwh > 1200 kwh 1450 kwh > 1600 kwh 1950 kwh > 2000 kwh 2500 kwh C > 700 kwh 800 kwh > 780 kwh 910 kwh > 950 kwh 1100 kwh > 1450 kwh 1700 kwh > 1950 kwh 2300 kwh > 2500 kwh 3000 kwh D > 800 kwh 900 kwh > 910 kwh 1040 kwh > 1100 kwh 1250 kwh > 1700 kwh 1950 kwh > 2300 kwh 2650 kwh > 3000 kwh 3500 kwh E > 900 kwh 1000 kwh > 1040 kwh 1170 kwh > 1250 kwh 1400 kwh > 1950 kwh 2200 kwh > 2650 kwh 3000 kwh > 3500 kwh 4000 kwh F > 1000 kwh 1100 kwh > 1170 kwh 1300 kwh > 1400 kwh 1550 kwh > 2200 kwh 2450 kwh > 3000 kwh 3350 kwh > 4000 kwh 4500 kwh G > 1100 kwh > 1300 kwh > 1550 kwh > 2450 kwh > 3350 kwh > 4500 kwh TechnoPharm 2, Nr. 4 (2012) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) Caesar. Leistungsprüfung Luftfilter 5

6 Prozesstechnik Zusammenfassung und Ausblick Die Welt der Filternormen und -richtlinie befindet sich in einem starken Umbruch. Bestehende Normen werden überarbeitet und globalisiert; neue Aspekte wie beispielsweise das energetische Betriebsverhalten von Luftfiltern werden aufgenommen. So wurde eine überarbeitete europäische Norm EN 779 für die Prüfung und Klassifizierung von Grob- und Feinstaubfiltern als Entwurf veröffentlicht. Eine neue internationale Norm ISO für die Prüfung und Klassifizierung von Schwebstofffiltern ist kürzlich als gültige Norm erschienen und wird voraussichtlich die europäische Norm EN 1822 in Zukunft ablösen. Mit dem Eurovent-Dokument 4/11 wurde erstmals europaweit einheitlich ein Energieeffizienz-Klassifizierungssystem für Luftfilter definiert. Dieses wird voraussichtlich auch Basis für gesetzliche Regelungen für Luftfilter im Rahmen der Eco-Design-Richtlinie des Europäischen Parlaments und der Kommission (Direktive 2009/125/ EC) sein. Im Rahmen des ISO/TC 142 wird derzeit international an 34 Normenprojekten gearbeitet, darunter beispielsweise eine Norm ISO für Prüfung von Gasadsorptionsfilter oder eine neue Normreihe für Grobund Feinstaubfilter ISO 16890, die in vier Teilen erarbeitet wird und voraussichtlich in wenigen Jahren die Europäische Norm EN 779 ersetzen wird. Fachliteratur [1] ISO 14644: Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche. Normenreihe. Beuth Verlag, Berlin. [2] DIN EN 779: Partikel-Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik, Bestimmung der Filterleistung. Deutsche Fassung pren 779:2009. Beuth Verlag, Berlin, [3] DIN EN 1822: Schwebstofffilter (EPA, HEPA und ULPA). Teil 1-5. Beuth Verlag, Berlin, [4] ANSI/ASHRAE Standard : Method of Testing General Ventilation Air- Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. American Society of Heating. Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta (2007) [5] ISO 29463: High-efficiency filters and filter media for removing particles in air. Part 1-5. Beuth Verlag, Berlin, [6] Eurovent 4/11: Energieeffizienzklassifizierung von Luftfiltern für die allgemeine Lüftungstechnik. Europäisches Komitee der Hersteller von lufttechnischen und Trocknungsanlagen (Eurovent), Paris (2011) [7] Goodfellow, H.; Tähti, E.: Industrial Ventilation, Academic Press, [8] Caesar, T.; Schroth, T.: Einfluß der Faltengeometrie auf die Druckdifferenz tiefgefalteter Kassettenfilter. F & S Filtrieren und Separieren, Jahrgang 16, Nr. 3, Caesar. Leistungsprüfung Luftfilter TechnoPharm 2, Nr. 4 (2012) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)

7 Prozesstechnik Energiesparen mit Luftfiltern Renate Tapper. Freudenberg Filtration Technologies SE & Co. KG, Weinheim Korrespondenz: Renate Tapper, Freudenberg Filtration Technologies SE & Co. KG, Weinheim; Zusammenfassung Beim Thema Energiesparen in Lüftungsanlagen wird zumeist an direkte Verbraucher, wie z.b. Ventilatoren oder Heizregister, gedacht, für die in den letzten Jahren Energielabels eingeführt wurden. Veränderungen in diesen Bereichen sind in der Regel mit Investitionen verbunden. Dies ist in Zeiten knapper Kassen oft schwer zu realisieren, insbesondere da die Lüftungsanlagen meist nicht im Fokus der Unternehmen stehen. Dennoch lohnt sich hier ein genauer Blick, denn auch ohne bauliche Veränderungen kann der Energiebedarf vieler Lüftungsanlagen deutlich gesenkt werden. Einleitung Alle Einbauten der Lüftungsanlage (z. B. Kanalrohre, Wärmetauscher oder Filter) haben einen Strömungswiderstand, auch Luftwiderstand genannt, der von dem Ventilator überwunden werden muss. Aufgrund von Reibung und Turbulenzen im Strömungsfeld kommt es zu einem Energieverlust der Strömung und daraus resultierend zu einem messbaren Druckgefälle. Dieses wird als Druckdifferenz des Bauteils bezeichnet, der Druck vor dem Bauteil (Staudruck) ist höher als der Druck dahinter. In einer gut gewarteten Anlage sind die Strömungswiderstände der meisten Komponenten über die Betriebszeit konstant. Dadurch kann im Fall einer neuen Anlage bereits der Planer an Hand der Datenblätter bei gleicher Funktionalität das energetisch günstigste Bauteil mit der geringsten Druckdifferenz auswählen. Ganz anders bei den Luftfiltern, deren Funktion es ist, Partikel aus der Luft zu entfernen. Hier steigt der Widerstand mit zunehmender Partikeleinlagerung (siehe Abbildung 1). Die üblicherweise Renate Tapper Autorin Renate Tapper studierte Chemieingenieurwesen an der Universität Karlsruhe (KIT). Direkt im Anschluss wechselte Sie zu Freudenberg, Weinheim, wo sie seitdem in verschiedenen Funktionen in Filtertechnik und Entwicklung tätig ist. Der aktuelle Schwerpunkt ihrer Arbeit liegt im Bereich der strategischen Vorausentwicklung. spezifizierten Daten nach EN779 [1], wie Anfangsdruckdifferenz, Nennvolumenstrom und Filterklasse, sind bei dieser Produktgruppe nicht ausrei- Abb. 1: Druckdifferenzzusammensetzung in einer Lüftungsanlage (Quelle alle Abbildungen: Freudenberg Filtration Technologies SE & Co. KG). TechnoPharm 3, Nr. 5 (2013) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) Tapper. Energiesparen mit Luftfiltern 7

8 Prozesstechnik Druckdifferenz Enddruckdifferenz Filterwechsel Einsatzzeit Äquivalent des Energieverbrauchs des Luftfilters Abb. 2: Druckdifferenzverlauf in Luftfiltern. Druckdifferenz Standzeitreserve Enddruckdifferenz Δp-Verlauf Filter A Δp-Verlauf Filter B Filterwechsel Einsatzzeit Äquivalent der Energieeinsparung bei Einsatz von Filter B Abb. 3: Druckdifferenzverlauf Zwei Filter im Vergleich. Druckdifferenz Standzeitreserve Enddruckdifferenz Δp-Verlauf Filter C Δp-Verlauf Filter B Filterwechsel Einsatzeit Äquivalent der Energieeinsparung bei Einsatz von Filter C Äquivalent der Energieeinsparung bei Einsatz von Filter B Abb. 4: Druckdifferenzverlauf Zwei Filter im Vergleich. chend für einen direkten Vergleich in Hinblick auf den zu erwartenden Energieverbrauch in der Anlage. Um diese Lücke zu schließen, wurde 2011 von Eurovent die Richtlinie 4/11 [2] erarbeitet, die in der Ausgabe 4/2012 dieser Zeitschrift vorgestellt wurde [3]. In diesem Beitrag sollen nun die Hintergründe und Voraussetzungen zum Energiesparen mit Luftfiltern näher betrachtet werden. Was beeinflusst den Stromverbrauch? Der Ventilator wandelt die elektrische Energie in mechanische Energie um (die Drehbewegung des Laufrades). Diese wird wiederum an die Luft weitergegeben, so dass sich die Energie der Luft erhöht (die Luft wird in Bewegung versetzt). Bei jeder Energieumwandlung entstehen Verluste, deren Höhe durch die Wirkungsgrade beschrieben werden. Jeder Strömungswiderstand, den die Luft auf dem Weg durch die Anlage überwinden muss, entzieht nun der Luft wieder einen Teil der Energie. Je höher die Strömungswiderstände (Druckdifferenzen) der Anlagenkomponenten sind, desto mehr Energie wird somit zur Erzeugung des gewünschten Luftvolumenstromes benötigt. Der Energiebedarf zur Durchströmung eines Luftfilters kann grafisch verdeutlicht werden, indem sein Druckdifferenzverlauf über den Einsatzzeitraum aufgetragen wird (siehe Abbildung 2). Die Fläche unterhalb der Kurve repräsentiert dabei den Energiebedarf. So können zwei Filter mit unterschiedlichem Druckdifferenzverlauf verglichen werden. Die mögliche Energieeinsparung bei Einsatz eines Filters mit niedrigerem Druckdifferenzverlauf wird in der Differenz der beiden Flächen unterhalb der Kurven erkennbar (siehe Abbildung 3). Hierbei ist weniger die Anfangsdruckdifferenz der Filter entscheidend, wesentlich ist der Verlauf der Druckdifferenz über die Einsatzdauer der Filter. Je langsamer die Druckdifferenz ansteigt, desto günstiger ist die Energiebilanz. Wie in Ab- 8 Tapper. Energiesparen mit Luftfiltern TechnoPharm 3, Nr. 5 (2013) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)

9 bildung 4 gezeigt, kann im Einzelfall auch ein Filter mit einer etwas höheren Anfangsdruckdifferenz die sparsamere Variante sein. Die mögliche Einsparung durch die niedrigere Anfangsdruckdifferenz des Filters C (gelbe Fläche) ist deutlich geringer als die mögliche Einsparung durch den flacheren Druckdifferenzverlauf des Filters B (blaue Fläche). Ein zusätzlicher Effekt eines flachen Druckdifferenzverlaufes ist die daraus resultierende Standzeitreserve, die alternativ eine längere Einsatzdauer der Filter ermöglicht (siehe Abbildungen 3 und 4). Die wenigsten Filterhersteller veröffentlichen Angaben zum Druckdifferenzverlauf auf ihren Datenblättern. So waren Anlagenbetreiber in der Vergangenheit auf die optische Einschätzung der Filter und auf Versuche angewiesen. Mit der Eurovent- Richtlinie 4/11, die auf Basis des nach EN 779:2012 standardisiert gemessenen Druckdifferenzverlaufes eine Energieklassifizierung vornimmt, ist nun ein objektiver Vergleich möglich. Können alle Anlagenbetreiber mit dem Einsatz energetisch günstiger Luftfilter Energie sparen? Zu jedem Ventilator werden vom Hersteller Kennlinien ermittelt, die den erzeugten Volumenstrom als Funktion der Lüfterpressung bei konstanter Drehzahl darstellen. In dieses Kennliniendiagramm wird die Anlagenkennlinie eingetragen. Die Anlagenkennlinie ist die Druckdifferenzkurve der Anlage, also die Summe aller Druckdifferenzen der Einzelkomponenten in Abhängigkeit vom Volumenstrom. Der Punkt, an dem sich die Anlagenkennlinie mit der Ventilatorkennlinie kreuzt, wird als Betriebspunkt bezeichnet (siehe Abbildung 5, rot eingetragen für eine Anlage mit Filter A). An diesem Punkt kann der vom Ventilator bei einer bestimmten Drehzahl erzeugte Volumenstrom der Anlage (V A ) abgelesen werden. Wenn sich nun die Druckdifferenz der Anlage durch Abb. 5: Anlagenkennfeld. den Einsatz energetisch günstigerer Filter verringert, dann ergibt sich bei gleicher Ventilatordrehzahl ein neuer Betriebspunkt (siehe Abbildung 5, hellblau dargestellt). Der vom Ventilator bei konstanter Drehzahl erzeugte Volumenstrom nimmt zu (V B ). Wenn keine Volumenstromerhöhung benötigt wird, kann bei einem regelbaren Ventilator dieser nun auf eine niedrigere Frequenz eingestellt und damit in der Drehzahl herunter geregelt werden, bis er wieder nur den Soll-Volumenstrom (V A ) fördert (siehe Abbildung 5, dunkelblau dargestellt). Je niedriger die Frequenz/Drehzahl bei konstantem Wirkungsgrad, desto weniger Energie verbraucht der Ventilator. Die Benutzung frequenzgeregelter Ventilatoren (oder anderer leistungsreduzierender Regelungen) ist Voraussetzung für eine Energieeinsparung durch den Einsatz energetisch günstiger Luftfilter. Bei Verwendung von Ventilatoren mit fester Drehzahl, bei denen der Anlagenvolumenstrom z. B. durch das Öffnen und Schließen von Drossel- oder Bypassklappen geregelt wird, besteht diese Energiesparmöglichkeit nicht. In der Praxis kann es aber auch bei solchen Anlagen durchaus sinnvoll sein, auf Filter mit möglichst flachem Druckdifferenzanstieg zu achten. Der mit diesen Filtern erzielbare höhere Volumenstrom kann genutzt oder die Einsatzdauer der Filter deutlich verlängert werden. Was macht den energetisch günstigen Luftfilter aus? Ein erster wichtiger Punkt ist hierbei die nutzbare Filterfläche und der Aufbau des Filtermediums. Die eingesetzten Filtermedien sollten möglichst offen und progressiv aufgebaut sein. Dadurch lagern sich die Partikel über die ganze Tiefe des Filtermediums ein und eine frühzeitige Blockade wird vermieden. Genauso wichtig ist die Medienanordnung, die strömungsgünstig ausgeformt sein muss. Die Form muss auch unter Last in der Anwendung stabil sein, damit die verbaute Filterfläche optimal genutzt werden kann und keine unnötigen Turbulenzen entstehen. Bei plissierten Filtermedien in Kassettenfiltern betrifft das die beim Plissieren entstehende Faltengeometrie und die Fixierung der Falten. TechnoPharm 3, Nr. 5 (2013) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) Tapper. Energiesparen mit Luftfiltern 9

10 Prozesstechnik Abb. 6: Medienanordnung im Luftfilter. Abb. 7: Vergleich verschiedener Filterqualitäten in der Anwendung. Diese erfolgt zumeist mit Schmelzkleberfäden, zum Teil aber auch mit Separatoren oder durch Ausprägungen. Eine V- förmige Faltengeometrie ist am günstigsten, wesentlich besser als beispielsweise eine rechtwinklige Ausformung (siehe Abbildung 6) [4]. Auch die Taschen von Taschenfiltern sollten V- förmig ausgebildet sein. Damit die Medienanordnung über die Einsatzzeit Bestand hat, ist eine hohe Steifigkeit des Filtermediums erforderlich, um z. B. ein Aufblähen zu verhindern. Insbesondere bei Taschenfiltern, einer Bauform mit besonders großer Bautiefe, ist dies ein wesentlicher Punkt. Wenn die Taschen ohne Durchströmung mit Luft herunterhängen, ist allein für das Aufrichten der Taschen ein Mindestdruck notwendig, der zusätzlich vom Ventilator zu erbringen ist (siehe Abbildung 7). Ebenso ist es ungünstig, wenn die Taschen im Luftstrom flattern, sich aufblähen oder gegenseitig berühren. Als letztes sind noch der generelle Filteraufbau und die Rahmung zu nennen, die auch einen deutlichen Einfluss auf das Verhalten des Filterelementes haben. Beispielsweise können die Taschen eines Taschenfilters durch zusätzliche, konisch gestaltete Abstandshalter strömungsgünstig ausgeformt und weiter versteift werden. Alle der oben genannten Faktoren beeinflussen zusammen das Strömungsverhalten der Luftfilter. Da sich die einzelnen Effekte meist überlagern, müssen alle Designmerkmale eines Filters optimal zusammenwirken und aufeinander abgestimmt sein. Zum Beispiel bedeutet eine höhere Filterfläche allein nicht notwendigerweise, dass ein Filter auch energetisch günstiger betrieben werden kann. Es ist nahezu unmöglich, das energetische Verhalten eines Luftfilters an Hand der Optik oder der Datenblätter zu beurteilen. Umso wichtiger ist die nun verfügbare objektive Bewertung durch die Eurovent-Richtlinie 4/11 zu sehen. Wie ist bei der Filterauswahl vorzugehen? Vor Beginn der Filterauswahl muss eine Analyse der Ist-Situation erfolgen. Für jede Anlage ist das individuell erforderliche Schutzziel festzulegen. Aus den Informationen über die zu filternde Luft, den Anforderungen an die Luftreinheit und den Anlagendaten werden die Anforderungen an die Filtration definiert. Erst danach kann das energieeffizienteste Produkt innerhalb dieser Spezifikation ausgewählt werden. Dabei sollte auf eine möglichst genaue Erfüllung der Spezifikation geachtet werden. Eine Übererfüllung der Anforderungen an die Luftreinheit durch Auswahl zu hoher Filtereffizienzen führt in der Regel zu einem größeren Energieverbrauch. Je höher die Filterklasse oder der Abscheide- bzw. Wirkungsgrad ist (auch innerhalb der Filterklassen), 10 Tapper. Energiesparen mit Luftfiltern TechnoPharm 3, Nr. 5 (2013) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)

11 desto dichter muss das Medium sein und desto höher ist die zu erwartende Druckdifferenz der Filter. Im gegenteiligen Extrem ist der energetisch günstigste Filter der, der weggelassen wird. Daher sollte bei der Auswahl der Filter aus energetischer Sicht nicht über, aber auch nicht unter die individuellen, realen Anforderungen an die Luftreinheit hinausgegangen werden. Um dies sicherzustellen, ist es empfehlenswert, auf die Eurovent-Zertifizierung [5] der Filter zu achten, die eine unabhängige Überprüfung der wesentlichen Filterkennwerte bei den Produkten der teilnehmenden Unternehmen sicherstellt. Wie hoch ist das Einsparpotential? Untersuchungen haben gezeigt, dass im industriellen Bereich ca. 15 % des elektrischen Energiebedarfs für den Betrieb von Ventilatoren in Lüftungsanlagen verwendet wird, bei Bürogebäuden bereits ca. 40 % und in Reinräumen sogar ca. 80 %. In den Lüftungsanlagen wiederum hängen etwa 1/3 der Energiekosten direkt von den eingesetzten Luftfiltern ab. Daher zeigt für Luftfilter eine Kostenbilanz über die Einsatzzeit, dass ca % der Gesamtkosten der Filtration auf den Energiebedarf im Einsatz zurückzuführen sind. Die Anschaffungskosten zusammen mit den Wechsel- und Entsorgungskosten machen dagegen einen vergleichsweise geringen Teil aus. Daher können im Einzelfall deutliche Einsparungen durch den Einsatz energetisch günstigerer Luftfilter erzielt werden. Fazit Der Druckverlust von Luftfiltern nimmt mit der Zeit mit steigender Partikeleinlagerung zu. Da bei geregelten Ventilatoren der Energieverbrauch direkt von dem Druckverlust der Anlage abhängt, ist ein flacher Druckdifferenzanstieg das entscheidende Merkmal für einen energieeffizienten Luftfilter. Ob ein Luftfilter in der Anwendung ein energetisch günstiges Verhalten zeigt, kann somit weder optisch noch durch Prüfung der üblichen Datenblätter abschließend beurteilt werden. Die Eurovent-Richtlinie 4/11 bietet hierzu eine objektive Grundlage anhand des Druckdifferenzverlaufes und die Eurovent-Zertifizierung stellt die Richtigkeit der genannten Daten sicher. Basis für die optimale Filterauswahl muss die möglichst genaue Erreichung der individuell ermittelten Schutzziele sein. Dann kann die Entscheidung für den Filter mit der höchsten Energieeffizienzklasse zu deutlichen Energieeinsparungen bei gleichzeitig guter Luftreinheit führen. Fachliteratur [1] DIN EN 779: Partikel-Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik, Bestimmung der Filterleistung. Deutsche Fassung EN 779:2012, Beuth Verlag, Berlin, [2] EUROVENT 4/11: Energy efficiency classification of air filters for general ventilation. Association of the European refrigeration, air conditioning, air handling, heating and ventilation industry (EURO- VENT), Paris, [3] TechnoPharm 4/2012: Leistungsprüfung von Luftfiltern: Normen und Richtlinien für das 21. Jahrhundert, Editio Cantor Verlag GmbH, Landsberg, [4] Caesar, Th.; Schroth, Th.: Einfluß der Faltengeometrie auf die Druckdifferenz tiefgefalteter Kassettenfilter. F & S Filtrieren und Separieren, Jahrgang 16, Nr. 3, [5] Eurovent Zertifizierung: vent-certification.com Der vorliegende Sonderdruck basiert auf den gereviewten Originalarbeiten der Autoren, veröffentlicht in TechnoPharm 4/2012 und 5/2013. Die hier veröffentlichten Inhalte und Grafiken sind identisch mit den Originalen. Aus Gründen der Lesbarkeit wurde das Layout angepasst. Redaktion: Chefredakteur: Claudius Arndt, Redakteurin: Kerstin Jarosch. Verlag: ECV Editio Cantor Verlag für Medizin und Naturwissenschaften GmbH, Baendelstockweg 20, Aulendorf (Gemany). Tel.: +49 (0) , Fax: +49 (0) redaktion-tp@ecv.de. Herstellung: Rombach Druck- und Verlagshaus GmbH & Co. KG / Holzmann Druck GmbH & Co. KG. Alle Rechte vorbehalten. TechnoPharm 3, Nr. 5 (2013) ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) Tapper. Energiesparen mit Luftfiltern 11

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