Grundlagen Energieeffizienz im Reinraum
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Grundlagen Energieeffizienz im Reinraum Florian Dittel Frankfurt / 21.10.2014 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 reinraum‐ technischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz 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 reinraum‐ technischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz 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 reinraum‐ technischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz Typische Partikelgrößen: Haar 50‐150 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 Klassifizierung der Reinraumklassen: Abgrenzungskonzept Differenzdruck RR-Klasse „D“ +15Pa RR-Klasse „C“ +30Pa RR-Klasse „B“ +45Pa 1. Schutz des Produktes • Klassifizierung der Reinräume Schalenprinzip • Druckkaskaden gemäß ISO 14644 oder c`GMP RR-Klasse „D“ +30Pa Druckfalle RR-Klasse „C“ +15Pa Druckberg RR-Klasse „C“ +45 Pa RR-Klasse „B“ +30Pa 2. Schutz der Umgebung/des Personals z.B. Antibiotika, Zytostatika • Einsatz von Isolatoren • Druckfalle bzw. Druckberg Luftbewegung / Luftströmungsformen Gerichtete Strömung Turbulente Verdünnungsströmung Turbulenzarme Verdrängunsströmung Luftbewegung / Luftströmungsformen Schutz der Person Schutz des Produkts Reinraum-Zonen Luft Luft Luft 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 reinraum‐ technischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz Ziel des Anlagenbetreibers Reduktion des Energieaufwandes für den Reinraumbetrieb Reduktion von Betriebskosten für Energiebereitstellung Reinraum Wärme • Konditionierung Energie‐ versorgung Kälte • Luftwechsel • Prozesskühlung Strom • Medienversorgung • etc. 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 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 Luftaufbereitung im zentralen Lüftungsgerät Schalldämpfer Ventilator Befeuchter Filter - z.B. Dampf - befeuchten F7 FU REP F7 F9 FU Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Wärme-RückGewinnung (WRG) REP Vorerhitzer Kühlregister Nacherhitzer - heizen - kühlen - heizen - entfeuchten Luftverteilung schematisch zentrales Lüftungsgerät F7 Luftkanäle FU REP F7 F9 FU REP Volumenstromregler M M Luftauslass (Zuluft) Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Lüftungsgitter (Abluft) Schleuse Maschine Symbole in der Lüftungstechnik Zuluft Ventilator Volumenstromregler Abluft Dampfbefeuchter variabler Volumenstromregler Außenluft Schalldämpfer Brandschutzklappe Fortluft Auslass Reparaturschalter Lufterhitzer Abluftgitter Frequenzumformer Luftkühler Jalousieklappe mit Motorantrieb Luftfilter Wärmerückgewinnung Heizen Drosselklappe Temperatursensor Wärmerückgewinnung Kühlen Zuluft - Filterauslass Feuchtesensor Tropfenabscheider Filter-Fan-Unit Differenzdruckdose FU REP M 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) 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 Anforderungen an Raumlufttemperatur und relativer Feuchte durch: Personen (siehe Abbildung) Maschinen Prozesse Produkt … 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 reinraum‐ technischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz Variante 1: 100% Außenluftanlage F7 FU REP F7 F9 FU REP M M Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Schleuse Maschine Variante 1: 100% Außenluftanlage F7 FU REP F7 F9 FU REP M M Reinraum Umluft Frischluft Schleuse Maschine 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 Variante 2: Zentrale Umluftbeimischung F7 FU REP F7 F9 FU REP M M Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Schleuse Maschine Variante 2: Zentrale Umluftbeimischung F7 FU REP F7 F9 FU REP M M Reinraum Umluft Frischluft Schleuse Maschine 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 Variante 3: dezentrale Umluftbeimischung F7 FU REP F7 F9 FU F9 REP M M Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Schleuse Maschine Variante 3: dezentrale Umluftbeimischung F7 FU REP F7 F9 FU F9 REP M M Reinraum Umluft Frischluft Schleuse Maschine 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 Variante 4: dezentrale Filter‐Fan‐Units F7 FU REP F7 F9 FU REP M Reinraum Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Schleuse Maschine Variante 4: dezentrale Filter‐Fan‐Units F7 FU REP F7 F9 FU REP M Reinraum Umluft Frischluft Schleuse Maschine 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 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 reinraum‐ technischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz Beispiel: Lüftungsanlage in Saarbrücken 24h, 365 Tage Betrieb 20.000 m³/h für Reinraumklasse erforderlich ca. 2.000 m³/h Frischluftbedarf für Personen und Druckhaltung keine Abwärme von Maschinen berücksichtigt! Zulufttemperatur ca. 21 … 23°C Befeuchtung und Entfeuchtung, Sollwerte zwischen 5 und 9 g/kg‐Feuchte 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 Wetterdaten Saarbrücken TRY06 Tagesverlauf der Außentemperatur z.B. für 2 Tage 25,0 Außenlufttemperatur Temperatur in °C 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 3.590 3.600 3.610 3.620 3.630 Stunde im Jahr 3.640 3.650 3.660 Jahresverlauf der Außentemperatur in Saarbrücken 30,0 25,0 Außenlufttemperatur 20,0 Temperatur in °C 15,0 10,0 5,0 0,0 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 -5,0 -10,0 -15,0 -20,0 Stunde in h 6.000 7.000 8.000 9.000 Jahreshäufigkeit der Außentemperatur in Saarbrücken 40,0 Außenlufttemperatur 30,0 Temperatur in °C 20,0 10,0 0,0 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 -10,0 -20,0 Stunden im Jahr in h/a 6.000 7.000 8.000 9.000 Energieaufwand für Frischluftaufbereitung in der Beispielrechung (Strompreis: 0,10 €/kWh; Wärmepreis: 0,07 €/kWh) Luftmenge: 2.000 m³/h • Heizwärme: ca. 23.400 kWh 1.643,- € • Kälte: ca. 3.280 kWh 110,- € • Dampf: ca. 13.600 kg 980,- € • Strom: ca. 22.025 kWh 2.203,- € Energiekosten pro Jahr ca. 4.940,- € ca. 2,5 €/(m³/h*a) Energiekosten für Frischluftaufbereitung in Lüftungsanlage (2.000 m³/h) 60.000 50.000 Frischluftaufbereitung Euro pro Jahr 40.000 30.000 20.000 10.000 0 Zentr. Lüftung (20.000 m³/h) zentr. UML dezentr. UML FFUs Strömungswiderstand / Druckverluste in den Umluftsystemen 1.400 1.200 Druckverlust [Pa] 1.000 Pa 800 600 400 200 0 FFU UML-dezentral UML-zentral Proportionalitätsgesetze Volumenstrom proportional zur Drehzahl Gesamtdruckerhöhung quadratische Abhängigkeit Wellenleistung, Produkt aus Gesamtdruckerhöhung und Volumenstrom benötigte Wellenleistung ändert sich mit der dritten Potenz n2 V2 V1 n1 2 n2 pt 2 pt1 2 n1 PW 2 pt V 3 n PW 2 PW 1 23 n1 Energieaufwand für Umluftförderung in den Umlufteinheiten 24h, 365 d/a (Strompreis: 0,10 €/kWh) Luftmenge: 20.000 m³/h Stromkosten pro Jahr • zentrale UML: ca. 83.430 kWh 8.343,- € • dezentrale UML: ca. 34.760 kWh 3.476,- € • FFU: ca. 17.380 kWh 1.738,- € Kosten für Umluftförderung in den Umluftsystemen Umluftventilator Frischluftaufbereitung 50.000 Euro pro Jahr 40.000 30.000 20.000 10.000 0 Zentr. Lüftung zentr. UML dezentr. UML FFUs 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 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 reinraum‐ technischer Lüftungsanlagen 6. Kälteerzeugung und deren Energieeffizienz 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 Außenluft‐ temperaturen, über Free‐cooling abgedeckt werden! • Antrieb durch elektrische Energie Elektrische Kältemaschine • Aufbringen der Verdichterleistung Rückkühlung ca. 50°C • Kältemittelkreislauf, Ausnutzung der unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen bei unterschiedlichen Drücken Verflüssiger Funktionsweise: Strom Kompressor Drosselorgan Verdampfer nutzbare Kälte ca. 6°C Kältemaschine 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. 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. 1. Verflüssiger Druck p4 x V4 = T4 p1 x V1 T1 Verdichter p1 x V1 = T1 p2 x V2 T2 Verflüssiger p2 x V2 = T2 p3 x V3 T3 Expansionsventil p3 x V3 = T3 p4 x V4 T4 Verdampfer 2. Expansionsventil 3. Verdampfer 4. Verdichter Flüssiger Zustand Nassdampf‐ bereich Gasförmiger Zustand Enthalpie Verbraucher 6/12°C z.B. Lüftungsgerät Aufbau Kältenetz mit Free‐cooling M M M Verbraucher 13/17°C z.B. Fancoils, Umluftkühler Kältemaschine 12°C 6°C 13°C 17°C 12°C Puffer6°C speicher Rückkühler Wärmetauscher M M Verbraucher 6/12°C z.B. Lüftungsgerät Kälteerzeugung – mit Kältemaschine M M M Außenlufttemperatur 7 … 32°C Verbraucher 13/17°C z.B. Fancoils, Umluftkühler Kältemaschine 12°C 6°C 13°C 17°C 12°C Puffer6°C speicher Rückkühler Wärmetauscher M M Verbraucher 6/12°C z.B. Lüftungsgerät Kälteerzeugung – Free cooling M M M Außenlufttemperatur -16 … 6°C Verbraucher 13/17°C z.B. Fancoils, Umluftkühler Kältemaschine 14°C 8°C 13°C 17°C 14°C Puffer8°C speicher Rückkühler Wärmetauscher M M Nutzungsmöglichkeit von Free‐cooling (Jahressumme) 40,0 Außenlufttemperatur 30,0 Temperatur in °C 20,0 10,0 0,0 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 -10,0 bei Außentemp. <6°C ca. 3.600 h free‐cooling -20,0 Stunden im Jahr in h/a 9.000 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 Lesson learned Für ein energieeffizientes Projekt brauche ich einen Fachplaner mit Branchen Know How. Ein durchdachtes Konzept kann die Energieeffizienz steigern und dadurch ihren Gewinn erhöhen. Je weniger Luft zentral aufbereitet wird, desto geringer die laufenden Kosten. Eine zunächst kostenintensive und zeitaufwendige Planung rechnet sich immer durch hohe Qualität und niedrigen Invest‐ und Betriebskosten . Fragen? 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 08857 / 89 90 31 www.Dittel-Engineering.de DITTEL Engineering Planung für ihren Reinraum
