HVAC cleanroom ontwerpberekening

De hoeveelheid lucht is verschillend in een ISO klasse 6 en ISO klasse 8 cleanroom. Dit betekent dat het HVAC-systeem meer dan het dubbele aan lucht moet kunnen conditioneren. Classificatie alleen is echter niet voldoende om het luchtdebiet te berekenen.

De norm ISO 14644-1:2015 specificeert niet de luchtwisselingen per uur (ACH) voor elke cleanroomklasse omdat dit van veel factoren afhangt.

De ACH is het aantal totale vervangingen van de lucht in een ruimte in één uur, en ISO 14644-1:2015 vertelt je alleen het resultaat waar je naar moet streven: de maximale concentratiegrenzen voor deeltjes.

Voor een ISO klasse 7 cleanroom wordt bijvoorbeeld geen rekening gehouden met deeltjes kleiner dan 0,5 micron (≥0,1 µm, ≥0,2 µm, ≥0,3 µm).

De concentratie deeltjes van ≥0,5 µm moet lager zijn dan 352.000; de concentratie deeltjes van ≥1 micron moet lager zijn dan 83.200; en de concentratie deeltjes van ≥5 micron moet lager zijn dan 2.930.

Het ISO reinheidsniveau (ISO 8, 7, 6 en 5) geeft echter een indicatie van het vereiste ACH bereik. Merk op dat de term "bereik" wordt gebruikt en niet "waarde".

Een cleanroom met activiteiten die weinig deeltjes genereren versus een cleanroom die veel deeltjes in de lucht genereert, zelfs als beide ISO 7 zijn, zullen niet dezelfde luchtverversingen per uur nodig hebben.

Op internet zijn verschillende aanbevelingen voor luchtverversingsbereiken te vinden. Mecart gebruikt een eigen luchtstroomcalculator voor cleanrooms en wij gingen uit van 10 tot 30 ACH voor een ISO 8; 30 tot 65 ACH voor een ISO 7; 80 tot 150 ACH voor een ISO 6; 200 tot 450 ACH voor een ISO 5.

Als er een significante generatie van deeltjes in het proces is, wordt het hoogste getal in het bereik geselecteerd. Dit is slechts een vuistregel.

De luchtwisselingen per uur en kubieke voet per minuut (CFM, en zogenaamde luchtstroom) moeten worden berekend door een HVAC-ingenieur op basis van ervaring en inzicht in het deeltjesgenererend vermogen van het proces.

Wat beïnvloedt de HVAC-techniek in cleanrooms?
Het is eenvoudig om een ruimte schoon te maken als er niemand binnen is, zonder apparatuur en zonder materiaalbewegingen. Maar in cleanrooms vinden activiteiten plaats en daar moet rekening mee worden gehouden in de HVAC-berekening.

Hieronder staan enkele andere elementen die de vereiste luchtstroom beïnvloeden:

• Cleanroom ISO-classificatie
• De indeling van de cleanroom
• Het aantal mensen dat in de ruimte werkt
• De apparatuur in de ruimte (warmtewinst)
• Het gebruik van een zuurkast of bioveiligheidskast (luchtafzuiging)
• Het verlichtingssysteem
• Het drukverschil
• De buitentemperatuur en luchtvochtigheid
• Het vereiste nauwkeurigheidsniveau

Laten we elk van deze factoren eens nader bekijken.

De indeling van de cleanroom
Het luchtvolume in de cleanroom is van invloed op de benodigde luchtstroom. Hoe groter de ruimte, hoe meer lucht er nodig is. De breedte, lengte en hoogte van de geclassificeerde ruimten en hun indeling moeten worden gebruikt voor HVAC-berekeningen.

Mensen vergeten vaak dat de hoogte van de kamer een directe invloed heeft op de luchtstroom. Een manier om kosten te besparen is door het plafond te verlagen. Je kunt het verschil zien door de luchtstroom in de calculator te vergelijken als je dezelfde gegevens gebruikt, maar de grootte van de kamer of de hoogte van het plafond varieert.

Het aantal mensen dat in de ruimte werkt
Het besmettingsniveau in de lucht van een cleanroom hangt grotendeels af van de activiteiten in de ruimte en het personeel.

Mensen zijn verantwoordelijk voor de meeste deeltjes die in een cleanroom vrijkomen. In de lucht zwevende deeltjes zoals huidschilfers, cosmetica, parfum, speeksel, kledingresten (pluizen, vezels) en haar zijn de gebruikelijke verdachten.

Bij het ontwerpen van het HVAC-systeem moet rekening worden gehouden met het aantal mensen dat tegelijkertijd in de ruimte werkt. Hoe meer mensen er in de cleanroom werken, hoe meer lucht er nodig is om de verontreinigingen af te voeren.

Mensen genereren verontreinigingen in de lucht, maar ook warmte. Het aantal gebruikers wordt ook gebruikt om het niveau van de klimaatregeling te berekenen om de warmte die ze produceren te compenseren.

Het personeel in de cleanroom draagt meestal overalls om besmetting te beperken. Daarom is het belangrijk om een comfortabele omgeving te handhaven, meestal tussen 19°C en 21°C (66,5°F en 70°F).

De apparatuur in de kamer
Net als mensen produceert apparatuur warmte en stof. De warmteontwikkeling van de apparatuur in de cleanroom wordt gebruikt om te bepalen hoeveel koeling er nodig is.

De apparatuur in de ruimte en de productie van het product genereren stof dat met de juiste hoeveelheid lucht moet worden verwijderd.

De zuurkast of bioveiligheidskast
Zuurkasten en laminaire flowkasten hebben een constante luchttoevoer nodig, net als de cleanroom. Deze luchttoevoer moet worden meegenomen in de HVAC-berekeningen voor de cleanroom.

Als de zuurkast lucht buiten het gebouw afvoert, zoals een bioveiligheidskast, moet de afgezogen lucht bovendien worden vervangen door verse lucht.

Deze verse lucht moet worden geconditioneerd (temperatuur en relatieve vochtigheid) en het proces om dat te bereiken vereist een grotere luchtaanvulling of luchtbehandelingskast (AHU).

Als de lucht die wordt afgezogen uit de kap niet wordt meegenomen in de HVAC-berekeningen, wordt er mogelijk niet genoeg lucht de ruimte in geblazen om een positieve druk te handhaven.

Aan de andere kant kan de druk te negatief worden en vuile lucht van buiten de kamer aanzuigen.

Het verlichtingssysteem
Het vereiste verlichtingsniveau heeft ook invloed op de warmte die in de cleanroom wordt opgewekt en dus op de koeling die nodig is.

Gewone kantoorverlichting van 300 lux versus zeer nauwkeurige verlichting van 1200 lux zal niet dezelfde hoeveelheid warmte genereren.

Het drukverschil
De druk moet groter zijn in strengere geclassificeerde ruimtes, dus de lucht lekt naar de minder schone ruimtes.

Positieve druk voorkomt dat vuile lucht de cleanroom binnenkomt. In een cleanroom met negatieve druk gebeurt het tegenovergestelde: de luchtstroom moet groter zijn in de aangrenzende ruimte.

De buitentemperatuur en luchtvochtigheid
Als de lucht in de cleanroom kan worden gerecirculeerd, heeft het weer buiten slechts een kleine invloed op het HVAC-systeem.

Voor cleanrooms die met gevaarlijke producten werken, kan de luchtaanvulling echter oplopen tot 100% verse lucht. In dit soort cleanrooms zijn de HVAC-systemen complexer.

In sommige regio's moeten de HVAC-systemen in de winter bijvoorbeeld de buitenlucht van -30°C (-22°F) nemen, deze opwarmen tot 20°C (68°F), de vochtigheid verwijderen en deze steeds opnieuw de kamer inbrengen.

Het vereiste nauwkeurigheidsniveau
Tot slot, maar zeker niet onbelangrijk, heeft de mate van precisie die u nodig hebt ook invloed op het ontwerp van het HVAC-systeem.

Zeer nauwkeurige temperatuurregelsystemen kunnen regelen tot ± 0,25°F (± 0,15°C) en tot ± 2% voor vochtigheid.

Cleanrooms hebben zelden zo'n hoge nauwkeurigheid nodig. In de meeste gevallen is een nauwkeurigheid van ± 2°F (± 1°C) voor de temperatuur en ± 10% voor de vochtigheid voldoende. De nauwkeurigheid hangt af van de werkzaamheden in de cleanroom.

Hoe bereken je de CFM voor een cleanroom?
Je kunt dit artikel lezen voor een voorbeeld van een vereenvoudigde CFM-berekening of de cleanroomontwerpcalculator proberen om een schatting te krijgen van de CFM, ACH per geclassificeerde ruimte en het aantal verlichtingsarmaturen.

De calculator voor cleanroomontwerp geeft je ook een schatting van het aantal HEPA-filters dat nodig is en het aantal lage luchtretours dat je nodig hebt voor je cleanroom.

Onthoud wel dat dit slechts schattingen zijn. De luchtstroom moet worden berekend door een HVAC-ingenieur. Veel van de bovenstaande elementen worden niet meegenomen in de calculator.