1. Analyse der Eigenschaften hoher Reinräume
(1) Hohe Reinräume weisen spezifische Merkmale auf. Sie werden hauptsächlich in der Nachbearbeitung eingesetzt und dienen in der Regel der Montage großer Anlagen. Hohe Reinheitsanforderungen sind nicht erforderlich, und die Genauigkeit der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung ist weniger wichtig. Die Anlagen erzeugen während der Produktion nur wenig Wärme, und es befinden sich relativ wenige Personen im Reinraum.
(2) Hohe Reinräume weisen üblicherweise große Rahmenkonstruktionen auf und bestehen oft aus leichten Materialien. Die obere Platte ist im Allgemeinen nicht für hohe Lasten ausgelegt.
(3) Entstehung und Verteilung von Staubpartikeln. In hohen Reinräumen unterscheidet sich die Hauptverschmutzungsquelle von der in herkömmlichen Reinräumen. Neben dem von Personen und Sportgeräten erzeugten Staub trägt Oberflächenstaub maßgeblich zur Verschmutzung bei. Laut Literaturangaben beträgt die Stauberzeugung einer ruhenden Person 10⁵ Partikel/(min·Person). Die Stauberzeugung bei Bewegung ist fünfmal so hoch. In Reinräumen üblicher Höhe entspricht die Oberflächenstauberzeugung der Stauberzeugung einer ruhenden Person auf einer Fläche von 8 m². In hohen Reinräumen ist die Reinigungsbelastung im unteren Bereich, in dem sich die Personen aufhalten, höher als im oberen Bereich. Aufgrund der Projektmerkmale ist ein angemessener Sicherheitsfaktor erforderlich, der auch unvorhergesehene Staubbelastungen berücksichtigt. Die Berechnung der Oberflächenstauberzeugung in diesem Projekt basiert auf der Stauberzeugung einer ruhenden Person auf einer Fläche von 6 m², entsprechend der Stauberzeugung einer ruhenden Person. Bei diesem Projekt wird von 20 Personen pro Schicht ausgegangen, wobei die Stauberzeugung durch das Personal nur 20 % der gesamten Stauberzeugung ausmacht. In einem allgemeinen Reinraum hingegen beträgt die Stauberzeugung durch das Personal etwa 90 % der gesamten Stauberzeugung.
2. Saubere Raumgestaltung in hohen Werkstätten
Die Reinraumausstattung umfasst im Allgemeinen Reinraumböden, Wandverkleidungen, Decken sowie die dazugehörige Klimatisierung, Beleuchtung, Brandschutz, Wasserversorgung und -entsorgung und weitere Reinraumkomponenten. Gemäß den Anforderungen müssen für die Gebäudehülle und die Innenausstattung von Reinräumen Materialien mit guter Luftdichtheit und geringer Verformung bei Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen verwendet werden. Die Wand- und Deckengestaltung in Reinräumen muss folgende Anforderungen erfüllen:
(1) Die Oberflächen von Wänden und Decken in Reinräumen sollten eben, glatt, staubfrei, blendfrei und leicht zu entstauben sein und möglichst wenige Unebenheiten aufweisen.
(2) Reinräume sollten keine Mauerwerks- oder Putzwände aufweisen. Ist deren Verwendung unumgänglich, sind Trockenbauarbeiten durchzuführen und hochwertige Putzstandards einzuhalten. Nach dem Verputzen ist die Oberfläche zu streichen. Hierfür ist eine schwer entflammbare, rissfreie, abwaschbare, glatte Farbe zu wählen, die nicht leicht Wasser aufnimmt, blättert nicht ab und ist schimmelresistent. Im Allgemeinen werden für die Innenausstattung von Reinräumen vorwiegend pulverbeschichtete Metallwandpaneele verwendet. In großen Fabrikhallen gestaltet sich die Installation von Metallwandpaneelen aufgrund der hohen Geschosshöhe jedoch schwierig, da sie weniger stabil, teuer und nicht tragfähig sind. In diesem Projekt wurden die Staubentwicklungseigenschaften von Reinräumen in großen Fabrikhallen sowie die Anforderungen an die Reinheit analysiert. Auf herkömmliche Methoden der Innenausstattung mit Metallwandpaneelen wurde verzichtet. Stattdessen wurde die ursprüngliche Bausubstanz der Wände mit Epoxidharz beschichtet. Um die Nutzfläche zu maximieren, wurde auf eine Decke verzichtet.
3. Luftstromorganisation in hohen Reinräumen
Laut Fachliteratur kann der Einsatz von Reinraumklimaanlagen in hohen Reinräumen das Gesamtluftvolumen des Systems erheblich reduzieren. Mit der Reduzierung des Luftvolumens ist eine optimierte Luftstromführung besonders wichtig, um eine bessere Klimatisierung zu erzielen. Es gilt, die Gleichmäßigkeit der Zu- und Abluft zu gewährleisten, Wirbel und Luftverwirbelungen im Reinraum zu minimieren und die Diffusionseigenschaften des Zuluftstroms zu verbessern, um dessen Verdünnungseffekt optimal zu nutzen. In hohen Reinräumen der Reinheitsklassen 10.000 oder 100.000 können Konzepte für die Komfortklimatisierung großer Räume, wie beispielsweise der Einsatz von Düsen in Flughäfen und Messehallen, als Vorbild dienen. Durch Düsen und seitliche Luftzufuhr lässt sich der Luftstrom über große Entfernungen verteilen. Die Düsenluftzufuhr basiert auf Hochgeschwindigkeitsstrahlen, die aus den Düsen austreten. Es wird hauptsächlich zur Klimatisierung hoher Reinräume oder öffentlicher Gebäude mit großen Geschosshöhen eingesetzt. Die Düse arbeitet mit seitlicher Luftzufuhr, wobei Düse und Abluftauslass auf derselben Seite angeordnet sind. Die Luft wird mit hoher Geschwindigkeit und großem Volumen aus mehreren im Raum verteilten Düsen konzentriert ausgestoßen. Der Luftstrahl strömt nach einer gewissen Strecke zurück, sodass der gesamte klimatisierte Bereich im Reflow-Bereich liegt. Anschließend wird die Luft über den unten angebrachten Abluftauslass zurück zum Klimagerät geleitet. Das System zeichnet sich durch hohe Luftzufuhrgeschwindigkeit und große Reichweite aus. Der Luftstrahl sorgt für eine intensive Durchmischung der Raumluft, wobei die Geschwindigkeit allmählich abnimmt. Dadurch entsteht eine große, rotierende Luftströmung im Innenraum, die ein gleichmäßigeres Temperatur- und Strömungsfeld im klimatisierten Bereich gewährleistet.
4. Beispiel für eine technische Konstruktion
Eine hohe Reinraumwerkstatt (40 m lang, 30 m breit, 12 m hoch) benötigt einen Reinraumarbeitsbereich von weniger als 5 m Höhe mit einem Reinheitsgrad von statisch 10.000 und dynamisch 100.000, einer Temperatur tn = 22℃±3℃ und einer relativen Luftfeuchtigkeit fn = 30%~60%.
(1) Bestimmung der Luftstromorganisation und der Lüftungsfrequenz
Aufgrund der besonderen Anforderungen dieses über 30 m breiten, deckenlosen Reinraums ist die herkömmliche Luftzufuhr in Reinräumen nicht ausreichend. Um Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Reinheit des Reinraumarbeitsbereichs (unter 5 m) zu gewährleisten, wird daher ein mehrstufiges Düsenluftsystem eingesetzt. Die Zuluftdüsen sind gleichmäßig an der Seitenwand angeordnet, während die Abluftauslässe mit Dämpfungsschicht in 0,25 m Höhe am unteren Rand der Seitenwand angebracht sind. Dadurch entsteht eine Luftstromführung, bei der die Luft sowohl von den Düsen als auch von der konzentrierten Seite in den Reinraum zurückgeführt wird. Um gleichzeitig zu verhindern, dass sich im nicht reinen Arbeitsbereich oberhalb von 5 m eine Totzone hinsichtlich Reinheit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit bildet, den Einfluss der Kälte- und Wärmestrahlung von der Decke nach außen auf den Arbeitsbereich zu reduzieren und die vom oberen Kran während des Betriebs erzeugten Staubpartikel rechtzeitig abzuführen sowie die in mehr als 5 m Entfernung verteilte saubere Luft optimal zu nutzen, ist im nicht reinen Klimatisierungsbereich eine Reihe kleiner, streifenförmiger Rückluftauslässe angeordnet, die ein kleines zirkulierendes Rückluftsystem bilden. Dadurch kann die Verschmutzung des unteren reinen Arbeitsbereichs aus dem oberen, nicht reinen Bereich erheblich reduziert werden.
Entsprechend dem Reinheitsgrad und den Schadstoffemissionen sieht dieses Projekt für den klimatisierten Reinraumbereich unter 6 m eine Lüftungsfrequenz von 16 h⁻¹ vor. Für den darüber liegenden, nicht reinen Bereich wird eine entsprechende Abluftführung mit einer Lüftungsfrequenz von unter 4 h⁻¹ eingesetzt. Tatsächlich beträgt die durchschnittliche Lüftungsfrequenz der gesamten Anlage 10 h⁻¹. Im Vergleich zur Reinraumklimatisierung des gesamten Raumes gewährleistet die gestaffelte Luftzufuhr mit Düsen nicht nur eine höhere Lüftungsfrequenz im Reinraumbereich und eine optimale Luftstromführung in der weitläufigen Anlage, sondern reduziert auch erheblich das Luftvolumen, die Kühlleistung und den Lüfterenergiebedarf des Systems.
(2) Berechnung der Luftzufuhr für die Seitendüse
Zulufttemperaturdifferenz
Die für die Klimatisierung von Reinräumen erforderliche Lüftungsfrequenz ist deutlich höher als bei herkömmlichen Klimaanlagen. Durch die optimale Nutzung des großen Luftvolumens in Reinräumen und die Reduzierung der Zulufttemperaturdifferenz lassen sich daher nicht nur Anlagenkapazität und Betriebskosten einsparen, sondern auch die Klimatisierungsgenauigkeit im Reinraumbereich verbessern. Die in diesem Projekt berechnete Zulufttemperaturdifferenz beträgt ts = 6 °C.
Der Reinraum hat eine relativ große Spannweite von 30 m. Die Überlappungsanforderungen im mittleren Bereich müssen erfüllt und der Prozessarbeitsbereich im Rückluftbereich positioniert werden. Gleichzeitig sind die Lärmschutzbestimmungen zu beachten. Die Luftzufuhrgeschwindigkeit beträgt 5 m/s, die Düsenhöhe 6 m und der Luftstrom tritt horizontal aus der Düse aus. Der Düsendurchmesser beträgt 0,36 m. Laut Literaturangaben ergibt sich eine Archimedes-Zahl von 0,0035. Die Düsenzufuhrgeschwindigkeit beträgt 4,8 m/s, die axiale Geschwindigkeit am Düsenende 0,8 m/s, die mittlere Geschwindigkeit 0,4 m/s und die mittlere Rückluftgeschwindigkeit unter 0,4 m/s. Damit werden die Prozessanforderungen erfüllt.
Da das Luftvolumen des Zuluftstroms groß und die Zulufttemperaturdifferenz gering ist, entspricht es nahezu einem isothermen Strahl, wodurch die Strahllänge leicht gewährleistet werden kann. Gemäß der Archimedischen Zahl lässt sich die relative Reichweite x/ds = 37 m berechnen, womit die Anforderung einer 15 m langen Überlappung des gegenüberliegenden Zuluftstroms erfüllt ist.
(3). Behandlung der Klimaanlage
Aufgrund der Merkmale großer Zuluftmengen und geringer Zulufttemperaturdifferenzen in Reinräumen wird die Rückluft optimal genutzt und die primäre Rückluft im Rahmen der Klimatisierung im Sommer eliminiert. Stattdessen wird ein maximaler Anteil sekundärer Rückluft verwendet. Die Frischluft wird nur einmal aufbereitet und anschließend mit einer großen Menge sekundärer Rückluft vermischt. Dadurch wird eine erneute Erwärmung vermieden und der Leistungsbedarf sowie der Energieverbrauch der Anlage reduziert.
(4). Ergebnisse der technischen Messung
Nach Abschluss dieses Projekts wurde eine umfassende technische Prüfung durchgeführt. Insgesamt wurden 20 horizontale und vertikale Messpunkte in der gesamten Anlage eingerichtet. Das Geschwindigkeitsfeld, das Temperaturfeld, die Reinheit, der Geräuschpegel usw. der Reinraumanlage wurden unter statischen Bedingungen geprüft, und die Messergebnisse waren zufriedenstellend. Die Messergebnisse unter den Auslegungsbetriebsbedingungen lauten wie folgt:
Die mittlere Luftgeschwindigkeit am Luftauslass beträgt 3,0–4,3 m/s, die Geschwindigkeit am Zusammenfluss der beiden entgegengesetzten Luftströme 0,3–0,45 m/s. Die Belüftungsfrequenz des Reinraumbereichs beträgt garantiert 15 Mal pro Stunde, und seine Reinheit entspricht der Klasse 10.000, womit die Konstruktionsanforderungen erfüllt werden.
Der Geräuschpegel in Innenräumen (A-Pegel) beträgt 56 dB am Abluftauslass, in allen anderen Arbeitsbereichen liegt er unter 54 dB.
5. Schlussfolgerung
(1) Für hohe Reinräume mit nicht sehr hohen Anforderungen kann eine vereinfachte Dekoration gewählt werden, um sowohl die Nutzungsanforderungen als auch die Reinheitsanforderungen zu erfüllen.
(2) Für hohe Reinräume, in denen nur der Bereich unterhalb einer bestimmten Höhe die Reinheitsklasse 10.000 oder 100.000 erfüllen muss, ist die Luftzufuhr mittels sauberer, mehrschichtiger Klimaanlagendüsen eine vergleichsweise wirtschaftliche, praktische und effektive Methode.
(3) Bei dieser Art von hohen Reinräumen ist im oberen, nicht reinen Arbeitsbereich eine Reihe von Streifen-Rückluftauslässen angebracht, um den in der Nähe der Kranschienen entstehenden Staub zu entfernen und die Auswirkungen der Kälte- und Wärmestrahlung von der Decke auf den Arbeitsbereich zu reduzieren. Dadurch können die Sauberkeit sowie die Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Arbeitsbereich besser gewährleistet werden.
(4) Die Höhe eines hohen Reinraums ist mehr als viermal so hoch wie die eines Standard-Reinraums. Unter normalen Staubproduktionsbedingungen ist die Reinigungslast pro Raumeinheit deutlich geringer als in einem Standard-Reinraum mit niedrigerer Höhe. Daher kann die Lüftungsfrequenz niedriger angesetzt werden als die in der nationalen Norm GB 73-84 empfohlene. Untersuchungen und Analysen zeigen, dass die Lüftungsfrequenz in hohen Reinräumen aufgrund der unterschiedlichen Raumhöhen variiert. Im Allgemeinen reichen 30 % bis 80 % der in der nationalen Norm empfohlenen Lüftungsfrequenz aus, um die Reinigungsanforderungen zu erfüllen.
Veröffentlichungsdatum: 18. Februar 2025