Jak poprawić efektywność energetyczną cleanroomu?

Cleanroomy definiuje się jako pomieszczenia albo przestrzenie, w których poziom zanieczyszczeń mieści się w określonym, bardzo wąskim przedziale. W tych najbardziej sterylnych zaliczanych do kategorii ISO1 akceptowalne są zaledwie 2 i 10 cząsteczek o średnicach odpowiednio 0,2 μm oraz 0,1 μm na metr sześcienny powietrza. Czystość powietrza w cleanroomach zapewnia jego wymiana i filtracja.

Wymiana i filtracja powietrza

Systemy cyrkulacji powietrza są głównymi odbiornikami energii w cleanroomach. Pomieszczenia czyste wymagają nawet kilkudziesięciu jego wymian na godzinę. Dla porównania w "zwykłych" systemach klimatyzacji w takim samym przedziale czasu zachodzi zwykle tylko kilka takich cykli. Częstość zależy od klasy czystości cleanroomu oraz natężenia operacji w nim wykonywanych. Na przykład o ile w klasach ISO 5 i 6 konieczna może być wymiana od 10 do 20 razy na godzinę, to w cleanroomach w klasie ISO 4 wymaganych może być nawet 40‒60 cykli.

Skuteczną filtrację powietrza w pomieszczeniach czystych zapewniają filtry HEPA (High Efficiency Particulate Air filter). Oczyszczanie jest zazwyczaj kilkustopniowe. Powietrze wlotowe jest w takim przypadku filtrowane najpierw przez filtr wstępny o małej skuteczności, przykładowo 30%, potem filtr pośredni (skuteczny na przykład w 60%) i na koniec przez filtr HEPA.

Wentylatory muszą mieć wystarczająco dużą moc, żeby pokonać opory przepływu powietrza, które wnosi system jego filtracji. W efekcie ich udział w sumarycznym zużyciu energii przez system HVAC w cleanroomie może sięgać nawet 50%.

Zużycie energii w cleanroomach

Pomiędzy sąsiednimi pomieszczeniami zwykłymi i czystymi należy utrzymywać różnicę ciśnień. W cleanroomie ciśnienie powinno być zawsze większe, żeby zapobiec wnikaniu zanieczyszczeń przez nieszczelności i podczas otwierania i zamykania drzwi. Zalecana minimalna różnica ciśnień między strefą sterylną a zwykłą powinna wynosić kilkanaście Pa. Również jeśli kilka pomieszczeń czystych różniących się poziomem czystości jest połączonych w jeden kompleks, należy zachować hierarchię stopni czystości. Zalecana minimalna różnica ciśnień między czystymi strefami wynosi kilka Pa.

Energia jest zatem w cleanroomach zużywana również na osiągnięcie oraz utrzymanie wymaganego ciśnienia. Dodatkowo pobierają ją podsystemy HVAC, które kontrolują i regulują temperaturę oraz wilgotność w tego rodzaju pomieszczeniach. W rezultacie zapewnienie w cleanroomie powietrza o odpowiedniej jakości może pochłaniać nawet kilkadziesiąt procent całkowitej energii zużywanej w danym zakładzie produkcyjnym.

Zwykle w tym zakresie istnieje jednak spory potencjał oszczędności. Można je uzyskać, odpowiednio projektując systemy HVAC w nowych pomieszczeniach czystych i modernizując w istniejących.

Norma ISO 14644-16

Kwestii efektywności energetycznej cleanroomów dotyczy norma ISO 14644-16. W dokumencie tym przedstawiono zalecenia pozwalające na ograniczenie zużycia energii w pomieszczeniach tego typu na różnych etapach ich cyklu życia, od projektu przez eksploatację i konserwację po demontaż. Znajdują one zastosowanie w przypadku nowo budowanych cleanroomów, jak i tych już oddanych do użytku. Dobre praktyki i metody uzyskiwania oszczędności energii, które opisano w tej normie, są rozwiązaniami ogólnymi, niespecyficznymi dla żadnego procesu ani innych powiązanych, które sprawdzają się w różnych warunkach.

W normie ISO 14644-16 zaproponowano systemowe podejście do zadania ograniczenia zużycia energii w pomieszczeniach czystych. Zakłada ono siedem kroków. Pierwszy to przegląd wymagań wstępnych oraz projektu cleanroomu pod kątem efektywności energetycznej. Drugim jest analiza porównawcza, która w trzecim i czwartym etapie prowadzi do zidentyfikowania i oceny możliwości zredukowania zużycia energii. Kolejne kroki to: wybór najlepszych rozwiązań, ich wdrożenie, a potem monitorowanie informacji zwrotnej o skuteczności zastosowanych rozwiązań.

Kluczowa kwestia

W normie ISO 14644-16 ogromny nacisk jest kładziony na określenie wymagań wstępnych (user requirements). Przyjmuje się, że są one decydujące dla energochłonności przyszłej instalacji. Często błędnie zakłada się, że im będą bardziej restrykcyjne, tym lepiej dla jakości procesów realizowanych w pomieszczeniu. W praktyce jednak zawyżone specyfikacje zwykle tylko niepotrzebnie zwiększają złożoność techniczną, a przez to koszty budowy i wydatki na eksploatację, szczególnie koszty zużycia energii, cleanroomu.

Częstym błędem jest na przykład określanie bardziej rygorystycznych niż to konieczne przedziałów temperatury i wilgotności. Ich zawężanie nie przekłada się zwykle na wartość dodaną, za to znacząco podnosi koszt użytkowania pomieszczenia czystego. Powodem tego jest przeważnie branie pod uwagę przede wszystkim komfortu personelu, nawet jeżeli dla materiałów poddawanych obróbce w cleanroomie dopuszczalna jest zmienność warunków termohigrometrycznych w szerszych granicach. Przykładowo według normy ISO 14644-16 zalecany przedział wilgotności wynosi 30‒70%. Tymczasem bardzo często w pomieszczeniach czystych utrzymuje się ją na poziomie 40‒60%, a nawet jeszcze zawęża się ten przedział do 45‒50% z myślą o poprawie warunków pracy.

Kolejnym kosztownym błędem jest przewymiarowanie cleanroomu. Im jest większy, tym więcej energii będzie zużywał. By tego uniknąć, układ pomieszczeń należy projektować tak by odpowiadał rzeczywistym potrzebom, nie marnując miejsca na zbędne łączniki, korytarze, wnęki.

Tylko w jednym przypadku "przesadzając" z surowością wymagań, można, wbrew ogólnej regule, zmniejszyć zużycie energii. Chodzi o wysiłki skupione na eliminowaniu skażenia powodowanego przez ludzi, którzy są głównym źródłem zanieczyszczeń w cleanroomach.

Okazuje się bowiem, że im bardziej rygorystyczna jest specyfikacja odzieży ochronnej, tym mniej drobin z zewnątrz przeniknie do strefy chronionej. Dzięki temu zmaleją wymogi stawiane systemom filtracji i cyrkulacji powietrza utrzymującym w pomieszczeniu warunki decydujące o tym, do której klasy czystości można je zaliczyć.

Alternatywa dla ACH

Sztandarowym parametrem cleanroomów jest liczba wymian powietrza na godzinę (Air Changes per Hour, ACH). Zdarza się, że uznaje się, że pomieszczenie nie spełnia warunków, jeżeli nie jest w nim osiągana założona wartość ACH, nawet jeżeli liczba cząstek w jednostce objętości mieści się w dopuszczalnych granicach. Norma ISO 14644-16 kwestionuje jednak rzeczywistą przydatność ACH jako wskaźnika przy określaniu wymaganego natężenia przepływu powietrza. W zamian zaleca, aby korzystać z następującego wzoru:

Q = D / (ε ∙ C) (1)

gdzie: D to szybkość, z jaką przybywa w pomieszczeniu cząstek, których źródłem jest personel i sprzęt (liczba cząstek/s), ε – wydajność wentylacji (wielkość bezwymiarowa), C – wymagane docelowe stężenie cząstek o danej wielkości (liczba cząstek/m³), zaś Q – natężenie przepływu powietrza nawiewanego (m³/s). Oszacowanie parametru D jest trudne.

Generalnie można przyjąć, że poziom emisji cząstek ze sprzętu jest pomijalnie niski, ponieważ ten przeznaczony do użytku w pomieszczeniach czystych jest specjalnie pod tym kątem projektowany, głównie przez dobór odpowiednich niepylących, nieścierających się materiałów. Ponieważ największym źródłem zanieczyszczeń są ludzie, liczba cząstek zależy przede wszystkim od ich ubioru i aktywności.

iełatwo jest też wyznaczyć parametr ε, który zależy od wielu czynników, takich jak konstrukcja i lokalizacja nawiewników i wylotów powietrza, geometria pomieszczenia i rozmieszczenie w nim wyposażenia.

Wartość C determinują wymagania dla docelowej klasy czystości ISO. W ISO 14644-16 zaleca się podstawianie we wzorze 1 mniejszej liczby cząstek niż to wynika z klasyfikacji. Na przykład dla klasy ISO 7, dla której w m³ powietrza dopuszcza się do 352 tys. cząstek o wielkości 0,5 μm, należy tę wartość zmniejszyć do 1/3 lub 1/4, podstawiając za C odpowiednio 117, 330 lub 88 tys. cząstek/m³. Ponieważ wartości D i ε są jedynie szacunkowe, w normie ISO 14644-16 rekomenduje się uzupełnienie obliczeń teoretycznych pomiarami liczby cząstek w pomieszczeniu w warunkach eksploatacyjnych przy różnym natężeniu przepływu.

Jego wartość uznana za docelową, poza zapewnieniem wymaganego stopnia czystości, nie powinna zarazem powodować pogorszenia pozostałych warunków w cleanroomie (temperatury, wilgotności, ciśnienia). Ponieważ ilość tłoczonego powietrza jest proporcjonalna do sześcianu mocy wentylatora, zmniejszenie objętości powietrza o połowę ograniczy pobór mocy ośmiokrotnie. Lepiej dobierając parametry systemu cyrkulacji powietrza, można zatem uzyskać spore oszczędności.

Sterowanie adaptacyjne

Zakwestionowanie w normie ISO 14644-16 przydatności wskaźnika liczby wymian powietrza na godzinę ma swoje konsekwencje. Taką jest możliwość wdrożenia sterowania adaptacyjnego, które w czasie rzeczywistym dostosowywałoby natężenie przepływu powietrza do liczby cząstek stałych. System taki nie jest prosty w realizacji, ponieważ wymaga uwzględnienia szeregu czynników, jak konieczność utrzymania na zadanym poziomie ciśnienia, temperatury i wilgotności. Dobrze zaprojektowany może jednak znacząco poprawić sprawność energetyczną cleanroomu.

Sposobem na zredukowanie zużycia energii jest także zmniejszenie wydajności systemu cyrkulacji powietrza wtedy, gdy pomieszczenie nie jest wykorzystywane i nie przebywa w nim personel. Aby odbyło się to bez spadku stopnia czystości cleanroomu, trzeba dopilnować, aby została utrzymana wymagana wartość ciśnienia względnego, które może być również niższe niż w okresie aktywności. W przypadku długich przestojów bardziej opłacalne może być wyłączenie systemu wentylacyjnego. Za każdym razem należy jednak przeanalizować, jak to wpłynie na stopień czystości i ile czasu zajmie i jak kosztowne będzie powrócenie do stanu operacyjnego po przerwie.

Warto dodać, że w pomieszczeniach czystych z przepływem jednokierunkowym (laminarnym) pod uwagę nie bierze się natężenia przepływu powietrza, ale prędkość. Wartość 0,45 m/s ± 20% (0,36‒0,54 m/s) uznaje się za standardową. Norma ISO 14644-16 zaleca, by w ich przypadku zastosować analogiczne podejście jak dla cleanroomów z przepływem turbulentnym, dla których w czasie przestoju należy zmniejszyć natężenie przepływu. Przyjmuje się, że w takich warunkach prędkość powinna mieścić się w przedziale 0,2‒0,3 m/s.

Pamiętaj o filtrach!

Jak pisaliśmy, filtry są źródłem strat energii. Im większa jest skuteczność filtracji, tym większy spadek ciśnienia na filtrze. Ten z kolei warunkuje energię potrzebną do jego pokonania. W związku z tym, że spadek ciśnienia jest proporcjonalny do kwadratu prędkości wentylatora, a ta jest proporcjonalna do sześcianu mocy, zmniejszenie spadku ciśnienia o 50% zmniejszy pobór mocy wentylatora prawie trzykrotnie.

Przewymiarowanie filtrów jest główną przyczyną zwiększonego zużycia energii w pomieszczeniach czystych. Dodanie redundantnych stopni filtracji powietrza, pod względem liczby oraz wydajności powyżej wymagań, wykładniczo zwiększa pobór mocy bez realnych korzyści.

Nie można także przesadzać w drugą stroną, to znaczy nie warto oszczędzać na wymianie filtrów. Te, które wciąż są skuteczne, ale już w znacznym stopniu zatkane, też przyczynią się do wzrostu wydatków na energię.

Monika Jaworowska