Die Anwendung von Frischluftsystemen in Reinräumen
Einführung
Mit der Entwicklung der Industriegesellschaft findet die Reinraumklimatisierung in vielen Bereichen Anwendung, darunter in der Elektronik-, Luftfahrt-, Pharma-, Medizin- und Textilindustrie. Frischluft spielt dabei eine entscheidende Rolle. In Reinräumen der Elektronikindustrie liegen die Reinheitsklassen in der Regel zwischen 300.000 und 100 oder sogar darüber. Daher müssen die Luftzufuhr- und Lüftungsraten der Klimaanlagen um ein Vielfaches variieren, was zu einem hohen Energieverbrauch in diesem Sektor führt. Spezielle Entwicklungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass die zentrale Frischluftvorbehandlung zahlreiche Vorteile hinsichtlich Energieeinsparung, -steuerung und -management bietet. Dieser Artikel erläutert kurz die Berechnung des Frischluftvolumens in Reinräumen der Elektronikindustrie, die Vorteile der zentralen Frischluftvorbehandlung sowie Lösungen zur Wärme- und Feuchtigkeitsregulierung der Luft.
1.1 In der Klimatechnik ist Frischluft von entscheidender Bedeutung für die Produktionssicherheit und Produktqualität. Aufgrund des Stoffwechsels benötigt der menschliche Körper kontinuierlich Sauerstoff zum Einatmen und Kohlendioxid zum Ausatmen. Arbeiten in einer Umgebung ohne Frischluft kann zu Sauerstoffmangelerscheinungen wie Schwindel, Übelkeit, Reizbarkeit und verminderter Leistungsfähigkeit führen. Daher beträgt die Frischluftmenge in einer Klimaanlage zur Erfüllung der hygienischen Anforderungen an das Personal in der Regel mindestens 40 m³/(h·Person).
1.2 Reinräume benötigen in der Regel Abluft, die für den jeweiligen Prozess erforderlich ist. Um die Menge der nach außen abgegebenen Luft auszugleichen, muss das Reinigungssystem eine entsprechende Menge Frischluft zuführen.
1.3 Um zu verhindern, dass Außenluft oder Luft aus angrenzenden Räumen in die klimatisierte und gereinigte Werkstatt eindringt und deren Reinheit, Temperatur oder Luftfeuchtigkeit beeinträchtigt, wird die zur Aufrechterhaltung des Überdrucks benötigte Luftmenge durch Frischluftzufuhr ergänzt. Die Berechnung dieses Frischluftvolumens erfolgt im Wesentlichen mittels der Spaltluftmethode und der Luftwechselratenmethode, die hier nicht näher erläutert werden.
1.4 Der Frischluftanteil sollte einen bestimmten Prozentsatz des Gesamtluftvolumens ausmachen. Erfahrungsgemäß kann es aufgrund des relativ hohen Überdrucks in den Klimaanlagen und Zuluftkanälen von Reinraum-Klimaanlagen zu erheblichen Leckagen kommen. Aus Sicherheitsgründen, insbesondere in Branchen wie der Pharmaindustrie, sollte der Frischluftanteil 10–30 % des Gesamtluftvolumens in nicht-unidirektionalen Reinräumen und 2–4 % des Gesamtluftvolumens in unidirektionalen Reinräumen betragen. Befinden sich nur wenige Personen im Reinraum, ist die Prozessabluft gering, herrscht ausreichender Überdruck und der berechnete Frischluftanteil übersteigt den Systembedarf, sollten Maßnahmen zur Erhöhung des Abluftvolumens der Reinraum-Klimaanlage ergriffen werden.
2.1 In Reinräumen stellt Frischluft eine Hauptquelle für Verunreinigungen im Klimaanlagensystem dar. Ungefilterte Frischluft kann den Oberflächenkühler verstopfen, dessen Wärmeübergangskoeffizienten verringern und schädliche chemische Partikel können diesen angreifen. Zudem vermehren sich Bakterien in seiner Nähe, was die Lebensdauer des Oberflächenkühlers und des Hochleistungsluftfilters verkürzt. Um die Reinheitsanforderungen des Reinraums zu gewährleisten, muss die Außenluft daher vor der Zufuhr in den Reinraum mehrstufig gefiltert werden.
2.2 In Reinraumklimaanlagen unterscheidet sich der Enthalpiewert der Außenluft oft stark von dem der Innenraumluft. Daher trägt die Wärme- und Feuchtigkeitsbelastung der Frischluft maßgeblich zur Leistung der Reinraumklimaanlage bei. Wird Frischluft ohne vorherige Wärme- und Feuchtigkeitsbehandlung direkt in den Reinraum geleitet, können die dortigen Temperatur- und Feuchtigkeitsanforderungen nicht erfüllt werden.
2.3 Die meisten Reinraumklimaanlagen sind als klassische Umluftsysteme konzipiert. Dabei wird Frischluft von außen direkt mit der Umluft im Innenraum vermischt, gefiltert und anschließend einer Wärme- und Feuchtigkeitsbehandlung unterzogen. Dieses Klimatisierungsverfahren ist am weitesten verbreitet. In Reinräumen der Elektronikindustrie ist die Luftfeuchtigkeit in den meisten Räumen jedoch sehr gering, während die Wärmeentwicklung der Anlagen sehr hoch ist. Das Verhältnis von Wärme zu Luftfeuchtigkeit im Innenraum ist daher extrem hoch und entspricht einer vertikalen Linie im psychrometrischen Diagramm. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, des Betriebsaufwands und der Energieeinsparung empfiehlt sich daher die Kombination aus zentraler Frischluftvorbehandlung und Umluftklimaanlage (MAU + RCAU).
Im System "MAU + RCAU" ist der Luftstromprozess der zentralen Vorbehandlung der Frischluft wie folgt: Frischlufteinlass → Grobfilter → Mittelfilter → Heizung → Befeuchter → Flächenkühler → Zuluftventilator → Zuluftkanal → jede Umwälzklimaanlage (RCAU);
Der Luftstromprozess der Umwälz-Lüftungsanlage ist: Vermischung von Frischluft und Abluft (Frischluft aus der Lüftungsanlage) → Oberflächenkühler → Heizung → Zuluftventilator → Mitteleffektfilter → Zuluftkanal → Luftauslass des Hocheffizienzfilters → Reinraum → Lamellen-Ablufteinlass → Abluftkanal → Vermischung von Frischluft und Abluft;
3.1 In Reinräumen mit hohen Anforderungen an die Temperatur- und Feuchtigkeitskontrolle benötigt jeder Raum eine eigene Klimaanlage. Diese Klimaanlagen müssen über eine vollständige Funktionssektion, beispielsweise eine Frischluftaufbereitungsanlage, verfügen. Das bedeutet, dass alle Klimaanlagen entsprechend ausgestattet sein müssen. Bei vielen Reinräumen in einem Fabrikgebäude steigt die Anzahl der Klimaanlagen, was einen großen Maschinenraum, höhere Investitionskosten und einen erhöhten Wartungsaufwand zur Folge hat. Durch die zentrale Frischluftaufbereitung mit anschließender Verteilung auf die einzelnen Klimaanlagen kann zwar eine zusätzliche Frischluftanlage (MAU) installiert werden, gleichzeitig werden jedoch viele Funktionssektionen anderer Umluftklimaanlagen (RCAU) eingespart. Dies spart Investitionskosten, Platz im Maschinenraum und reduziert die Anzahl der Frischluftöffnungen an dessen Außenwand.
3.2 In nördlichen Regionen mit relativ niedrigen Außentemperaturen im Winter muss Frischluft oft vorgewärmt werden. Andernfalls besteht bei direkter Vermischung mit der einmalig durchströmenden Rückluft ein hohes Risiko der Kondenswasserbildung. Reinräume haben generell Anforderungen an die Luftfeuchtigkeit, und die Aufbereitung im Winter erfordert häufig eine Luftbefeuchtung, was den Befeuchtungsaufwand unnötig erhöht. Im Sommer weist die Frischluft einen hohen Feuchtigkeitsgehalt und eine hohe Temperatur auf. Nach direkter Vermischung mit Rückluft kann die Aufbereitung mehrstufige und mehrreihige Oberflächenkühler erfordern, was die Belastung der Oberflächenkühler der Klimaanlage erheblich erhöht. Durch eine zentrale Aufbereitung wird die Frischluft jedoch in den Umluftkasten geleitet und mit der Rückluft vermischt. Dies reduziert die Anzahl der Funktionsabschnitte des Umluftkastens, die Filterwechselhäufigkeit, den Förderdruck des Ventilators und vermeidet Energieverschwendung.
3.3 Als wichtige Quelle der in Reinräumen zu kontrollierenden Verschmutzung kann eine zentrale Vorbehandlung die Filtration der Frischluft verstärken und die Steuerung erleichtern, wodurch eine sicherere Gewährleistung für den Betrieb von Reinräumen geboten wird.
3.4 Beim „MAU + RCAU“-Verfahren wird die Frischluft auf den Taupunkt der Zuluft aufbereitet, um die Feuchtigkeitsanforderungen des Reinraums zu erfüllen. Die aufbereitete Frischluft wird über die Luftkanäle zu den einzelnen Umluftgeräten geleitet und dort, nach der Vermischung mit der Abluft, durch Oberflächenkühlung oder -erwärmung auf die gewünschte Temperatur im Reinraum eingestellt. Dadurch werden Feuchtigkeit und Temperatur des Reinraumklimasystems jeweils von der Frischluftaufbereitungseinheit und der Umluftanlage geregelt, was eine unabhängige und präzise Steuerung ermöglicht. Dieser Vorteil zeigt sich besonders deutlich bei schwankenden Frischluftmengen im Reinraum.
Suzhou Pharma Machinery Co.,Ltd.
2025/12/09
Gino
