Grundlagen Energieeffizienz im Reinraum. Florian Dittel

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1 Grundlagen Energieeffizienz im Reinraum Florian Dittel Frankfurt /

2 Agenda 1. Was verursacht Kosten aus Sicht der Nutzer & Betreiber? 2. Basiswissen zur Energieeffizienz 3. Ziel des Anlagenbetreibers 4. Lüftungskonzepte und deren Energieeffizienz 5. Beispiel: Optimierung der Energieeffizienz reinraumtechnischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz

3 Agenda 1. Was verursacht Kosten aus Sicht der Nutzer & Betreiber? 2. Basiswissen zur Energieeffizienz 3. Ziel des Anlagenbetreibers 4. Lüftungskonzepte und deren Energieeffizienz 5. Beispiel: Optimierung der Energieeffizienz reinraumtechnischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz

4 Agenda 1. Was verursacht Kosten aus Sicht der Nutzer & Betreiber? 2. Basiswissen zur Energieeffizienz 3. Ziel des Anlagenbetreibers 4. Lüftungskonzepte und deren Energieeffizienz 5. Beispiel: Optimierung der Energieeffizienz reinraumtechnischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz

5 Typische Partikelgrößen: Haar µm Grenze der Sichtbarkeit 50 µm Grippevirus 0,07 µm Pollen 7 bis 100 µm Aerosol beim Niesen 10 bis 300 µm Staub 0.1 bis 100 µm Bakterium 1.0 bis 10 µm

6 Klassifizierung der Reinraumklassen:

7 Abgrenzungskonzept Differenzdruck RR-Klasse D +15Pa RR-Klasse C +30Pa RR-Klasse B +45Pa RR-Klasse D +30Pa Druckfalle RR-Klasse C +15Pa Druckberg RR-Klasse C +45 Pa RR-Klasse B +30Pa 1. Schutz des Produktes Klassifizierung der Reinräume Schalenprinzip Druckkaskaden gemäß ISO oder c`gmp 2. Schutz der Umgebung/des Personals z.b. Antibiotika, Zytostatika Einsatz von Isolatoren Druckfalle bzw. Druckberg

8 Luftbewegung / Luftströmungsformen Gerichtete Strömung Turbulente Verdünnungsströmung Turbulenzarme Verdrängunsströmung

9 Luftbewegung / Luftströmungsformen Schutz der Person Schutz des Produkts Reinraum-Zonen Luft Luft Luft

10 Agenda 1. Was verursacht Kosten aus Sicht der Nutzer & Betreiber? 2. Basiswissen zur Energieeffizienz 3. Ziel des Anlagenbetreibers 4. Lüftungskonzepte und deren Energieeffizienz 5. Beispiel: Optimierung der Energieeffizienz reinraumtechnischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz

11 Ziel des Anlagenbetreibers Reduktion des Energieaufwandes für den Reinraumbetrieb Reduktion von Betriebskosten für Energiebereitstellung Energieversorgung Wärme Kälte Strom Reinraum Konditionierung Luftwechsel Prozesskühlung Medienversorgung etc.

12 Allg. Funktionen von Lüftungsanlagen für Reinraumbereiche Frischluftversorgung der Reinraumbereiche Luftwechsel für Herstellung der Reinraumklasse Druckhaltung in den Reinräumen Beheizung und Kühlung der Räume Entfeuchtung und Befeuchtung der Luft Prozessabluft, bei Bedarf

13 Anforderung an die Klimaanlage Aufbereitung der Außenluft (heizen, kühlen, befeuchten, entfeuchten) Mindestaußenluftversorgung, hygienischer Luftwechsel Heizlast und Kühllast im Reinraum Einhaltung der geforderten Lufttemperatur und relative Luftfeuchte Kompensation von Leckageverlusten, oder von Maschinenabluft Luftwechsel für Einhaltung der Reinraumklasse, ausspülen von Partikel Bereitstellung der notwendigen Luftqualität und Luftbewegung Barrierefunktionen durch Luftbewegung oder Druckunterschiede eventl. Vermeidung von Kreuzkontamination Einhaltung Schalldruckpegel

14 Luftaufbereitung im zentralen Lüftungsgerät Schalldämpfer Ventilator Filter Befeuchter - z.b. Dampf - befeuchten F7 FU REP F7 F9 FU REP Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Wärme-Rück- Gewinnung (WRG) Vorerhitzer - heizen Kühlregister - kühlen - entfeuchten Nacherhitzer - heizen

15 zentrales Lüftungsgerät Luftverteilung schematisch F7 Luftkanäle FU REP F7 F9 FU REP Volumenstromregler M M Luftauslass (Zuluft) Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Lüftungsgitter (Abluft) Schleuse Maschine

16 Symbole in der Lüftungstechnik Zuluft Ventilator Volumenstromregler FU REP Abluft Dampfbefeuchter variabler Volumenstromregler Außenluft Schalldämpfer Brandschutzklappe Fortluft Auslass Reparaturschalter Lufterhitzer Abluftgitter Frequenzumformer M Luftkühler Jalousieklappe mit Motorantrieb Luftfilter Wärmerückgewinnung Heizen Drosselklappe Temperatursensor Wärmerückgewinnung Kühlen Zuluft - Filterauslass Feuchtesensor Tropfenabscheider Filter-Fan-Unit Differenzdruckdose

17 Kühlung des Raumes (abzuführende Wärmelasten): Interne Kühllasten durch Personen (Wärmeabgabe abhängig vom Aktivitätsgrad) Maschinen, Geräte, Produktionsprozess, etc. Beleuchtung Externe Kühllasten durch Sonneneinstrahlung durch transparente Bauteile warme Nachbarräume (Transmission)

18 Heizen des Reinraumes: keine Heizkörper im Reinraum möglichst keine Fußbodenheizung im Reinraum Beheizung Reinraum über Lüftungsanlage Decken der Wärmeverluste Transmission durch Bauteile nach Außen Transmission zu Nachbarräumen mit niedrigerer Temperatur Wärmeverluste durch Undichtigkeiten

19 Anforderungen an Raumlufttemperatur und relativer Feuchte durch: Personen (siehe Abbildung) Maschinen Prozesse Produkt

20 Agenda 1. Was verursacht Kosten aus Sicht der Nutzer & Betreiber? 2. Basiswissen zur Energieeffizienz 3. Ziel des Anlagenbetreibers 4. Lüftungskonzepte und deren Energieeffizienz 5. Beispiel: Optimierung der Energieeffizienz reinraumtechnischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz

21 Variante 1: 100% Außenluftanlage F7 FU REP F7 F9 FU REP M M Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Schleuse Maschine

22 Variante 1: 100% Außenluftanlage F7 FU REP F7 F9 FU REP M M Reinraum Umluft Frischluft Schleuse Maschine

23 Variante 1: 100% Außenluftanlage direkte Belüftung mit 100% Frischluft (Außenluft) zur Vermeidung von Kreuzkontamination 100% Frischluftbetrieb notwendig alle Funktionen in einem Gerät (Heizung, Kühlung, Ventilator) nicht alle Funktionen werden gleichzeitig genutzt unbenötigte Komponenten stellen Luftwiderstände dar nur ein Zuluftzustand für alle Räume großes zentrales Lüftungsgerät, großes Luftkanalnetz

24 Variante 2: Zentrale Umluftbeimischung F7 FU REP F7 F9 FU REP M M Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Schleuse Maschine

25 Variante 2: Zentrale Umluftbeimischung F7 FU REP F7 F9 FU REP M M Reinraum Umluft Frischluft Schleuse Maschine

26 Variante 2: zentrale Umluftbeimischung Umluftbetrieb mit definiertem Frischluftanteil geringerer Energieaufwand für Frischluftaufbereitung alle Funktionen in einem Gerät (Heizung, Kühlung, Ventilator) nicht alle Funktionen werden gleichzeitig genutzt unbenötigte Komponenten stellen Luftwiderstände in der Umluft dar großes zentrales Lüftungsgerät, großes Luftkanalnetz unnötiger Energieaufwand bei Luftentfeuchtung, Umluft wird ebenfalls gekühlt und nacherhitzt nur ein Zuluftzustand für alle Räume für homogene Bereiche (gleiche Anforderungen an Lufttemperatur und Luftfeuchte, ähnliche innere Wärmelasten) geeignet

27 Variante 3: dezentrale Umluftbeimischung F7 FU REP F7 F9 F9 FU REP M M Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Schleuse Maschine

28 Variante 3: dezentrale Umluftbeimischung F7 FU REP F7 F9 F9 FU REP M M Reinraum Umluft Frischluft Schleuse Maschine

29 Variante 3: dezentrale Umluftbeimischung Dezentraler Umluftbetrieb mit definiertem Frischluftanteil geringer Energieaufwand für Frischluftaufbereitung Funktion Frischluftaufbereitung und Umluft sind getrennt kleineres zentrales Lüftungsgerät, zusätzlich dezentrale Umlufteinheiten Reduktion der Strömungswiderstände bei der Umluft unbenötigte Komponenten stellen Luftwiderstände in der Umluft dar Temperaturzonierung je Umlufteinheit möglich, für Bereich mit unterschiedlichen Anforderungen an Lufttemperatur

30 Variante 4: dezentrale Filter Fan Units F7 FU REP F7 F9 FU REP M Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Schleuse Maschine

31 Variante 4: dezentrale Filter Fan Units F7 FU REP F7 F9 FU REP M Reinraum Umluft Frischluft Schleuse Maschine

32 Variante 4: dezentrale Filter Fan Units Umluftbetrieb mit FFUs, definierter Frischluftanteil geringer Energieaufwand für Frischluftaufbereitung Funktion Frischluftaufbereitung, Umluft und heizen/kühlen sind getrennt kleines zentrales Lüftungsgerät Reduktion der Umluftwiderstände auf ein Minimum Komponenten werden nach aktuellem Bedarf Ein/Aus geschaltet Zonierung für Bereich mit unterschiedlichen Anforderungen an Lufttemperatur geeignet individuelle Regelung der Raumtemperaturen möglich viele dezentrale Komponenten, eventl. höherer Investitionsaufwand

33 Agenda 1. Was verursacht Kosten aus Sicht der Nutzer & Betreiber? 2. Basiswissen zur Energieeffizienz 3. Ziel des Anlagenbetreibers 4. Lüftungskonzepte und deren Energieeffizienz 5. Beispiel: Optimierung der Energieeffizienz reinraumtechnischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz

34 Beispiel: Lüftungsanlage in Saarbrücken 24h, 365 Tage Betrieb m³/h für Reinraumklasse erforderlich ca m³/h Frischluftbedarf für Personen und Druckhaltung keine Abwärme von Maschinen berücksichtigt! Zulufttemperatur ca C Befeuchtung und Entfeuchtung, Sollwerte zwischen 5 und 9 g/kg Feuchte

35 h x Diagramm x Achse absolute Luftfeuchte y Achse Lufttemperatur Hilfslinien Linien gleicher relativer Luftfeuchte Linien gleicher Enthalpie Dichte der Luft Enthalpie des eingesprühten Wassers bzw. Dampf

36 Wetterdaten Saarbrücken TRY06

37 Tagesverlauf der Außentemperatur z.b. für 2 Tage 25,0 Außenlufttemperatur 20,0 Temperatur in C 15,0 10,0 5,0 0, Stunde im Jahr

38 Jahresverlauf der Außentemperatur in Saarbrücken 30,0 25,0 Außenlufttemperatur 20,0 15,0 Temperatur in C 10,0 5,0 0,0-5, ,0-15,0-20,0 Stunde in h

39 Jahreshäufigkeit der Außentemperatur in Saarbrücken 40,0 30,0 Außenlufttemperatur 20,0 Temperatur in C 10,0 0, ,0-20,0 Stunden im Jahr in h/a

40 Energieaufwand für Frischluftaufbereitung in der Beispielrechung (Strompreis: 0,10 /kwh; Wärmepreis: 0,07 /kwh) Luftmenge: m³/h Heizwärme: ca kwh 1.643,- Kälte: ca kwh 110,- Dampf: ca kg 980,- Strom: ca kwh 2.203,- Energiekosten pro Jahr ca ,- ca. 2,5 /(m³/h*a)

41 Energiekosten für Frischluftaufbereitung in Lüftungsanlage (2.000 m³/h) Frischluftaufbereitung Euro pro Jahr Zentr. Lüftung zentr. UML dezentr. UML FFUs ( m³/h)

42 Strömungswiderstand / Druckverluste in den Umluftsystemen Druckverlust [Pa] Pa FFU UML-dezentral UML-zentral

43 Volumenstrom proportional zur Drehzahl Gesamtdruckerhöhung quadratische Abhängigkeit Wellenleistung, Produkt aus Gesamtdruckerhöhung und Volumenstrom benötigte Wellenleistung ändert sich mit der dritten Potenz n n V V n n p p t t n n P P W W V p P t W 2 Proportionalitätsgesetze

44 Energieaufwand für Umluftförderung in den Umlufteinheiten 24h, 365 d/a (Strompreis: 0,10 /kwh) Luftmenge: m³/h Stromkosten pro Jahr zentrale UML: ca kwh 8.343,- dezentrale UML: ca kwh 3.476,- FFU: ca kwh 1.738,-

45 Kosten für Umluftförderung in den Umluftsystemen Umluftventilator Frischluftaufbereitung Euro pro Jahr Zentr. Lüftung zentr. UML dezentr. UML FFUs

46 Empfehlung zur Wahl des Lüftungs und Klimasystems: Luftwechsel mit Umluft, wenn möglich Trennung der Funktionen Frischluftaufbereitung, erforderlicher Luftwechsel für Reinraumklasse und heizen/kühlen Reinraum große Strömungswiderstände in der Umluft vermeiden dezentrale Einheiten, für individuelle Raumtemperaturregelung und Wärmeabfuhr Wärmerückgewinnung aus dem Abluftvolumenstrom Luftverluste reduzieren, Undichtigkeiten vermeiden

47 Agenda 1. Was verursacht Kosten aus Sicht der Nutzer & Betreiber? 2. Basiswissen zur Energieeffizienz 3. Ziel des Anlagenbetreibers 4. Lüftungskonzepte und deren Energieeffizienz 5. Beispiel: Optimierung der Energieeffizienz reinraumtechnischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz

48 Optimierung bei der Kälteerzeugung Typische Kälteverbraucher beim Reinraum Lüftungsgeräte mit Luftkühl und Luftentfeuchtungsfunktion > saisonaler Bedarf Umluftkühler zum abführen der Wärme aus den Reinräumen > ganzjähriger Bedarf direkte Maschinenkühlung > bei Produktion, ganzjähriger Bedarf Die ganzjährig benötigte Kälteleistung sollte, bei niedrigen Außenlufttemperaturen, über Free cooling abgedeckt werden!

49 Elektrische Kältemaschine Verflüssiger Rückkühlung ca. 50 C Antrieb durch elektrische Energie Aufbringen der Verdichterleistung Kältemittelkreislauf, Ausnutzung der unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen bei unterschiedlichen Drücken Drosselorgan Verdampfer nutzbare Kälte ca. 6 C Strom Kompressor Kältemaschine Funktionsweise: In dem Kreisprozess wird der Kältemitteldampf vom Verdichter (Kompressor) angesaugt und verdichtet (Antriebsleistung ). In dem nachgeschalteten Wärmeübertrager (Verflüssiger) kondensiert das Kältemittel. Das flüssige Kältemittel wird zu einem Drosselorgan geleitet und entspannt. Bei der Expansion nimmt der Kältemitteldruck ab, das Kältemittel kühlt ab und verdampft teilweise. In dem zweiten Wärmeübertrager (Verdampfer) nimmt das Kältemittel durch Verdampfen die zugeführte Wärme aus dem Kühlregister auf. Der Verdichter (Kompressor) saugt das verdampfte Kältemittel wieder an und der Kreisprozess ist geschlossen.

50 Kreisprozess einer Kältemaschine Die Aufgabe des Kältemittels ist, Wärmeenergie zu transportieren. Dabei ändert sich in der Regel das Energieniveau, d.h. dass das Kältemittel bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt. p4 x V4 T4 = p1 x V1 T1 Verdichter Druck 1. Verflüssiger 2. Expansionsventil 3. Verdampfer 4. Verdichter p1 x V1 T1 = p2 x V2 T2 Verflüssiger Flüssiger Zustand p2 x V2 T2 = p3 x V3 T3 Expansionsventil Nassdampfbereich Gasförmiger Zustand p3 x V3 T3 = p4 x V4 T4 Verdampfer Enthalpie

51 M M M Aufbau Kältenetz mit Free cooling Verbraucher 6/12 C z.b. Lüftungsgerät Verbraucher 13/17 C z.b. Fancoils, Umluftkühler Kältemaschine 12 C 6 C 13 C 17 C 12 C Rückkühler 6 C Pufferspeicher M M Wärmetauscher

52 M M M Kälteerzeugung mit Kältemaschine Verbraucher 6/12 C z.b. Lüftungsgerät Außenlufttemperatur 7 32 C Verbraucher 13/17 C z.b. Fancoils, Umluftkühler Kältemaschine 12 C 6 C 13 C 17 C 12 C Rückkühler 6 C Pufferspeicher M M Wärmetauscher

53 M M M Kälteerzeugung Free cooling Verbraucher 6/12 C z.b. Lüftungsgerät Außenlufttemperatur C Verbraucher 13/17 C z.b. Fancoils, Umluftkühler Kältemaschine 14 C 8 C 13 C 17 C 14 C Rückkühler 8 C Pufferspeicher M M Wärmetauscher

54 Nutzungsmöglichkeit von Free cooling (Jahressumme) 40,0 30,0 Außenlufttemperatur 20,0 Temperatur in C 10,0 0, ,0-20,0 Stunden im Jahr in h/a bei Außentemp. <6 C ca h free cooling

55 Optimierung bei der Kälteerzeugung optimieren der Kältemaschinenleistung, berücksichtigen von Gleichzeitigkeitsfaktoren Nutzung von Free cooling bei niedrigen Außenlufttemperaturen in Regionen mit hoher jährlicher Sonneneinstrahlung auch den Einsatz von alternativen Kälteerzeuger prüfen DEC (desiccant cooling) Absorptions oder Adsorptionskälte, Antrieb mit Wärme

56 Lesson learned Für ein energieeffizientes Projekt brauche ich einen Fachplaner mit Branchen Know How. Je weniger Luft zentral aufbereitet wird, desto geringer die laufenden Kosten. Ein durchdachtes Konzept kann die Energieeffizienz steigern und dadurch ihren Gewinn erhöhen. Eine zunächst kostenintensive und zeitaufwendige Planung rechnet sich immer durch hohe Qualität und niedrigen Invest und Betriebskosten.

57 Fragen?

58 Ich bedanke mich für ihre Interesse und wünschen ihnen viel Erfolg in der nächsten Planung. Für Rückfragen stehe ich ihnen gerne, auch außerhalb dieser Veranstaltung zur Verfügung. MBA, Dipl.-Ing. Florian Dittel DITTEL Engineering / DITTEL Engineering Planung für ihren Reinraum