Die genaue Berechnung der CFM ist die wichtigste technische Entscheidung bei der Konstruktion von modularen Reinräumen. Ein unterdimensioniertes HLK-System wird die Zertifizierung nicht bestehen, während ein überdimensioniertes System unnötige Kapital- und Betriebskosten verursacht. Diese Berechnung wirkt sich direkt auf die Systemkosten, den Energieverbrauch und die langfristige Einhaltung von Vorschriften aus. Die Herausforderung besteht darin, von einer grundlegenden Formel zu einer belastbaren Systemspezifikation überzugehen, die die realen Betriebsvariablen berücksichtigt.

Die Genauigkeit Ihrer CFM-Berechnung bestimmt nicht nur den Luftstrom, sondern auch das Budget Ihres Projekts, den Energiebedarf und die Einhaltung von Vorschriften. Da die modulare Bauweise den Einsatz beschleunigt, muss das HLK-System von Anfang an richtig dimensioniert sein, um kostspielige Nachrüstungen zu vermeiden. Dieser Leitfaden bietet den Entscheidungsrahmen, um die Anforderungen der ISO-Klassen in ein leistungsfähiges, effizientes und zertifizierbares modulares Reinraum-HLK-Konzept umzusetzen.

Die Kernformel: CFM = (Raumvolumen × ACH) / 60

Das grundlegende technische Prinzip

Die Formel CFM = (Raumvolumen × ACH) / 60 ist der nicht verhandelbare Ausgangspunkt. Sie legt den Mindestluftvolumenstrom fest, der erforderlich ist, um eine bestimmte Luftwechselrate zu erreichen. Das Raumvolumen (Länge × Breite × Höhe in Fuß) und der angestrebte Luftwechsel pro Stunde (ACH) sind die einzigen Eingaben. Diese Berechnung wandelt die stündliche Luftwechselrate in den minütlichen Luftstrom um, den das HLK-System liefern muss. Ihre Einfachheit täuscht über ihre absolute Autorität bei der Spezifikation von Reinräumen hinweg.

Von der Formel zur Finanziellen Vorsorgevollmacht

Diese Berechnung macht CFM zu einem direkten finanziellen und technischen Proxy für die ISO-Klasse. Sobald die Reinheitsklasse definiert ist, ist der erforderliche Luftstrombereich vorgegeben. Dies ermöglicht eine unmittelbare Budgetprognose und Spezifikation von HLK-Komponenten. Die Gesamt-CFM diktiert die Größenordnung jeder nachgelagerten Komponente: Ventilatorleistung, Filtermenge, Größe des Kanalsystems und Energieverbrauch. Branchenexperten empfehlen, diese Formel nicht als endgültige Antwort zu verwenden, sondern als Grundlinie, zu der alle anderen Betriebsfaktoren addiert werden.

Festlegung von Luftwechselraten (ACH) nach ISO-Klassen

Die empirische Grundlage für Sauberkeit

Die Luftaustauschraten sind nicht willkürlich; sie wurden empirisch aus jahrzehntelangen Daten abgeleitet, um die in der Richtlinie über die Partikelkonzentration festgelegten Grenzwerte durchgängig einzuhalten. ISO 14644-1:2015. Die erforderliche ACH steigt exponentiell mit strengeren Reinheitsklassen. Bei ISO 5 (Klasse 100), die oft kritische Abfülllinien umfasst, sind 300-480 ACH erforderlich, um Submikronpartikel zu kontrollieren. Im Gegensatz dazu benötigt ein ISO 8 (Klasse 100.000) Umkleideraum nur 20 ACH.

Praktische Leitlinien für die Gestaltung

Die Übersetzung von ACH in praktische Entwurfsparameter ist für die Raumplanung und die Kostenabschätzung unerlässlich. Die CFM-pro-Quadratfuß-Metrik bietet einen schnellen Realitätscheck für Ihre berechneten Gesamtwerte.

ACH und CFM pro Quadratfuß nach ISO-Klasse

Die folgende Tabelle enthält die Standard-Konstruktionsparameter, die die ISO-Klassifizierung in umsetzbare Luftstromanforderungen umsetzen.

Quelle: ISO 14644-1:2015 Reinräume und zugehörige kontrollierte Umgebungen - Teil 1: Klassifizierung der Luftreinheit durch Partikelkonzentration. In dieser Norm werden die Grenzwerte für die Partikelkonzentration in den einzelnen ISO-Klassen festgelegt, die sich direkt auf die empirisch abgeleiteten Luftwechselraten pro Stunde (ACH) auswirken, die zur Erreichung und Aufrechterhaltung dieser Reinheitsgrade in der Reinraumgestaltung erforderlich sind.

Diese Bereiche schaffen eine entsprechende Stufe in der Validierung. In ISO 5/6-Räumen sind für die statistische Genauigkeit Partikelzähler mit hohem Durchfluss von 1,0 CFM erforderlich, während in ISO 7/8-Räumen oft sparsamere Geräte mit 0,1 CFM verwendet werden können - ein Detail, das sich direkt auf Ihr Budget für die Überwachung der Einhaltung von Vorschriften auswirkt.

Schlüsselfaktoren, die Ihren CFM-Bedarf erhöhen

Über die Basis-ACH hinaus

Der Standard-ACH bietet eine Mindestgrundlage, aber die realen Bedingungen erfordern fast immer zusätzliche Kapazitäten. Die Basisberechnung als endgültige Antwort zu betrachten, ist ein häufiger und kostspieliger Fehler. Das HLK-System muss dynamische interne Lasten kompensieren und defensive Druckschemata beibehalten. Wir haben Dutzende von Projektspezifikationen verglichen und festgestellt, dass die endgültige CFM in der Regel 15-40% höher ist als die Basis-ACH-Berechnung.

Berücksichtigung betrieblicher Realitäten

Vier Hauptfaktoren treiben die CFM über die Basisrate hinaus an: Prozesswärmebelastung, lokale Abluft, Druckunterschiede und menschliche Aktivitäten. Jeder dieser Faktoren führt zu einem zusätzlichen Luftstrom, der aufbereitet und gefiltert werden muss. Die Abluft einer Dunstabzugshaube zum Beispiel muss 1:1 durch saubere Zuluft ersetzt werden. Die Aufrechterhaltung des Überdrucks erfordert die Zufuhr von 10-20% mehr Luft als abgeführt wird. In Bereichen mit hoher Aktivität kann ein Luftstrom am oberen Ende des ACH-Bereichs erforderlich sein, um die Partikelerzeugung zu verdünnen.

Faktoren, die die Gesamt-CFM beeinflussen

Diese Tabelle fasst die wichtigsten Variablen zusammen, die Ihren Gesamtluftstrombedarf über die Basis-ACH-Berechnung hinaus erhöhen.

Quelle: IEST-RP-CC012.3 Überlegungen zur Reinraumgestaltung. Diese empfohlene Praxis bietet eine umfassende Anleitung für die Gestaltung von Reinräumen und zeigt auf, wie Faktoren wie Wärmebelastung, Abluft und Druckbeaufschlagung berechnet werden müssen, um den gesamten erforderlichen Luftstrom über die Basisluftwechselrate hinaus zu bestimmen.

Meiner Erfahrung nach ist das am häufigsten übersehene Detail die latente Wärmelast von Prozessanlagen, die einen erheblichen zusätzlichen gekühlten Luftstrom erfordern kann, um eine stabile Temperaturtoleranz von ±1°C aufrechtzuerhalten.

Schritt-für-Schritt-CFM-Berechnung mit einem Arbeitsbeispiel

Gehen Sie durch ein reales Szenario

Nehmen wir einen modularen Reinraum nach ISO 6 für die pharmazeutische Montage. Der Raum misst 20′ (L) x 15′ (B) x 10′ (H) und umfasst eine Biosicherheitswerkbank mit einer Abluftanforderung von 150 CFM. Der schrittweise Prozess führt von der Theorie zu einer belastbaren Systemspezifikation.

Ausführen der Kalkulation

Ermitteln Sie zunächst das Raumvolumen: 20 × 15 × 10 = 3.000 Kubikfuß. Wenden Sie den Mindest-ACH-Wert für ISO 6 (180) an, um die Basis-CFM zu ermitteln: (3.000 × 180) / 60 = 9.000 CFM. Mit diesem Luftstrom wird die erforderliche Partikelverdünnung erreicht. Als Nächstes muss die nicht verhandelbare Abluft berücksichtigt werden: Die gesamte Zuluft-CFM beträgt 9.000 + 150 = 9.150 CFM. Eine schnelle Überprüfung der CFM pro Quadratfuß (9.150 / 300 ft² = 30,5 CFM/ft²) bestätigt, dass der Wert innerhalb des ISO 6-Bereichs von 18-32 CFM/ft² liegt.

Von der Kalkulation zur endgültigen Spezifikation

Die endgültige Systemkapazität erfordert einen strategischen Puffer für die betriebliche Ausfallsicherheit und die Druckregelung. Ein Konstrukteur würde in der Regel auf ein System mit einer Kapazität von 9.200-9.300 CFM aufrunden. Dieser Puffer sorgt für stabile Druckdifferenzen auch bei Filterbeladung oder Ventilatorschwankungen.

CFM-Berechnungsablauf

Die nachstehende Tabelle zeigt den vollständigen Berechnungsablauf für das Beispiel eines ISO 6-Reinraums.

Quelle: Technische Dokumentation und Industriespezifikationen.

Dimensionierung Ihrer HVAC-Komponenten: FFUs, AHUs und Rohrleitungen

CFM in Gerätespezifikationen übersetzen

Die Gesamt-CFM-Zahl wirkt sich direkt auf die Spezifikation jeder wichtigen HLK-Komponente aus. Bei modularen Reinräumen, die ein Fan Filter Unit (FFU)-Deckengitter verwenden, wird die Gesamt-CFM durch die Anzahl und Kapazität der einzelnen Einheiten geteilt. Ein System, das 9.300 CFM benötigt, könnte zwanzig FFUs mit 465 CFM verwenden. Bei zentralen Lüftungsanlagen (Air Handling Unit, AHU) muss die Einheit so dimensioniert sein, dass sie die gesamte Zuluft-CFM plus Rückluft und Frischluftzufuhr verarbeiten kann.

Die strategische Wahl der Technologie

Ein kritischer Entscheidungspunkt ist die Ventilatortechnologie. Ein herkömmliches RLT-Gerät mit nur einem Ventilator stellt eine einzige Fehlerquelle dar. Ein modulares FANWALL-Ansatz-Verwendung mehrerer kleinerer Lüfter in einem Array - bietet inhärente Redundanz, eine einfachere Installation durch Standardtüren und eine verbesserte Energieeffizienz bei Teillast. Dies rechtfertigt die zusätzliche Komplexität für unternehmenskritische Umgebungen, in denen Ausfallzeiten inakzeptabel sind.

Leitfaden zur Dimensionierung von Komponenten

Die richtige Auswahl der Komponenten stellt sicher, dass der vorgesehene Luftstrom effizient erzeugt wird.

Quelle: ISO 14644-4:2022 Reinräume und zugehörige kontrollierte Umgebungen - Teil 4: Planung, Bau und Inbetriebnahme. Diese Norm beschreibt die Anforderungen für die Planung und den Bau von Reinräumen, einschließlich der systematischen Dimensionierung und Auswahl von HLK-Komponenten, um sicherzustellen, dass das System die festgelegten Leistungskriterien für Luftstrom und Druck erfüllt.

Alle Kanäle, Gitter und Öffnungen müssen dann so dimensioniert sein, dass sie den jeweiligen Luftstrom bewältigen können, ohne dass ein übermäßiger statischer Druckverlust entsteht, der die Ventilatoren belasten würde.

Berücksichtigung von Wärmelast, Abgasen und Druckbeaufschlagung

Das Gebot der Umweltkontrolle

Abgesehen von der Partikelzahl muss das HLK-System eine strenge Temperatur- und Feuchtigkeitsstabilität aufrechterhalten, die oft zum entscheidenden Faktor für die Systemkapazität wird. Die Berechnung der Prozesswärmebelastung - die Summe der Wärme von Geräten, Beleuchtung und Personal - bestimmt die Menge des gekühlten Luftstroms, die über den Basis-ACH-Wert hinaus benötigt wird. Dies kann in Räumen mit Autoklaven, Reaktoren oder Laserversiegelungsgeräten erheblich sein.

Das Gleichgewicht der Luftströme

Abluft und Überdruck werden über die Luftbilanz gesteuert. Die gesamte abgesaugte Luft muss durch konditionierte Zuluft ersetzt werden. Die Aufrechterhaltung eines positiven Drucks erfordert ein Differenzial, das in der Regel 10-20% mehr Luft zuführt als die gesamten Ab- und Rückluftströme. Diese Kaskade von Luft aus sauberen in weniger saubere Zonen verhindert die Infiltration. Diese Faktoren bestimmen zusammen die endgültige, oft größere Systemkapazität und machen deutlich, dass die Betriebskosten häufig von spezifischen Branchenvorschriften wie USP <797> für die Herstellung von Arzneimitteln, die eine genaue Kontrolle der Umgebung erfordert.

Optimierung für Energieeffizienz und Systemsteuerung

Minderung der Betriebskosten

Hohe CFM-Anforderungen sind gleichbedeutend mit einem hohen Energieverbrauch. Eine Optimierung ist nicht optional. VAV-Regelungen (Variable Air Volume) sind von entscheidender Bedeutung, da sie es ermöglichen, den Luftstrom in unbesetzten Zeiten zu reduzieren und gleichzeitig minimale ACH- und Drucksollwerte beizubehalten. Dies kann zu Einsparungen von 30-50% beim Ventilatorstrom führen. Auch die Auswahl hocheffizienter EC-Motoren für Ventilatoren und FFUs reduziert die Leistungsaufnahme über die gesamte Betriebskurve.

Die Flexibilitätsdividende

Die Modularität des Reinraums selbst trägt zur finanziellen Effizienz bei. Als abschreibungsfähige Investitionsgüter können modulare Einheiten neu konfiguriert, erweitert oder verlagert werden. Dadurch wird der Reinraum von einer festen Einrichtung zu einem flexiblen Vermögenswert. Diese inhärente Flexibilität unterstützt aufkommende “Cleanroom-as-a-Service”-Modelle, bei denen Anbieter skalierbare, abonnementbasierte Lösungen anbieten - ein entscheidender Vorteil für Biotech-Startups mit ungewissem Wachstumspfad.

Validierung Ihres Entwurfs: Konformität, Tests und bewährte Praktiken

Der Leistungsnachweis

Die abschließende Systemvalidierung ist obligatorisch. Konformitätsprüfung per ISO 14644-1:2015 prüft, ob der Reinraum im Ist-Zustand die ISO-Zielklasse für die Partikelanzahl erfüllt. Ergänzt wird dies durch Tests für Luftstromgeschwindigkeit, Gleichmäßigkeit, Rückgewinnung und Druckdifferenz. Branchenspezifische Normen diktieren darüber hinaus die Materialauswahl, z. B. chemikalienbeständige Oberflächen für die Pharmazie oder ESD-sichere Materialien für die Elektronik.

Einrichtung einer Compliance-Regelung

Die Zertifizierung ist kein einmaliges Ereignis. Auf die Erstzertifizierung durch eine Drittpartei folgen regelmäßige Wiederholungstests und kontinuierliche Überwachung. So entsteht ein dauerhafter Markt für Validierungsdienste und Sensorwartung - eine stabile Einnahmequelle für Dienstleister nach der Installation. Die Demokratisierung der Reinraumtechnologie durch das modulare Design beschleunigt die Einführung in Sektoren wie der Nahrungsmittelindustrie und der Herstellung medizinischer Geräte, was von den Anbietern eine umfassende anwendungsspezifische Expertise erfordert.

Ihre CFM-Berechnung ist die Blaupause für die Einhaltung der Vorschriften, die Kosten und die Betriebsleistung. Priorisieren Sie den Basis-ACH-Bedarf und fügen Sie dann systematisch die Kapazität für Wärmebelastung, Abluft und Druckbeaufschlagung hinzu. Überprüfen Sie die endgültige Zahl anhand der CFM/ft²-Richtlinien und dimensionieren Sie alle Komponenten entsprechend. Implementieren Sie von Anfang an VAV-Steuerungen und effiziente Motoren, um die Energiekosten über die gesamte Lebensdauer zu senken.

Benötigen Sie professionelle Unterstützung bei der Spezifikation und Validierung eines modularen HVAC-Systems für Reinräume? Die Ingenieure von YOUTH sind darauf spezialisiert, technische Anforderungen in zertifizierte, effiziente Reinraumlösungen zu übersetzen. Wir können Ihnen helfen, von der Berechnung bis zur Einhaltung der Vorschriften zu navigieren.

Für eine detaillierte Überprüfung Ihrer spezifischen Projektparameter, Kontakt.

Häufig gestellte Fragen

F: Wie berechnet man die Mindest-CFM für einen modularen Reinraum auf der Grundlage seiner ISO-Klasse?
A: Sie bestimmen die Mindestkubikfuß pro Minute (CFM) anhand der Formel: (Raumvolumen in Kubikfuß × erforderlicher Luftwechsel pro Stunde) / 60. Der vorgeschriebene Luftwechsel pro Stunde wird durch die ISO-Zielklasse definiert, wobei die Werte von 20 für ISO 8 bis zu 300-480 für ISO 5 reichen. Diese Berechnung legt die nicht verhandelbare Luftstrom-Basislinie für die Zertifizierung der Partikelkontrolle fest. Bei Projekten, bei denen Budget und HLK-Dimensionierung frühzeitig festgelegt werden müssen, können Sie mit der Spezifikation beginnen, sobald die ISO-Klasse ausgewählt ist.

F: Welche realen Faktoren erhöhen typischerweise die CFM-Anforderungen über die Basis-ACH-Berechnung hinaus?
A: Prozesswärmebelastung, lokale Abluftströme und Druckunterschiede sind die Hauptgründe für einen erhöhten Luftstrom. Die Abluft von Geräten wie Abzugshauben trägt direkt zur erforderlichen CFM-Zufuhr bei, während die Aufrechterhaltung des Überdrucks einen zusätzlichen Luftstrom von 10-20% erfordern kann. Wärmeerzeugende Geräte erfordern zusätzliche gekühlte Luft, um eine hohe Temperaturstabilität zu gewährleisten. Das bedeutet, dass Einrichtungen mit erheblichen Prozessabluft- oder Wärmelasten eine endgültige Systemkapazität am oberen Ende des Standard-CFM-Bereichs oder darüber hinaus einplanen sollten.

F: Wie wirkt sich die Wahl zwischen FFUs und einem zentralen RLT-Gerät auf die Systemauslegung für eine bestimmte CFM aus?
A: Bei einem Deckengitter mit Ventilator-Filter-Einheit (FFU) teilen Sie die erforderliche Gesamt-CFM durch die Kapazität der einzelnen Einheiten, um die benötigte Menge zu ermitteln. Ein zentrales Lüftungsgerät (Air Handling Unit, AHU) muss so bemessen sein, dass es die gesamte Zuluft-CFM plus Rück- und Außenluft bewältigen kann. Ein modulares FANWALL Ansatz mit mehreren kleinen Lüftern bietet eine bessere Redundanz und Effizienz als ein einzelner großer Lüfter. Wenn in Ihrem Betrieb die Betriebszeit und Energieeinsparungen in einer unternehmenskritischen Umgebung Priorität haben, ist die zusätzliche Komplexität einer modularen Lüfterwand oft gerechtfertigt.

F: Welchen Einfluss haben branchenspezifische Vorschriften wie USP 797 auf die Dimensionierung von Reinraum-HLK-Anlagen über die ISO-Klasse hinaus?
A: Vorschriften wie USP 797 für die pharmazeutische Herstellung von Arzneimitteln stellen strenge Anforderungen an eine präzise Temperatur-, Feuchtigkeits- und Druckregelung, die oft über die grundlegenden Partikelnormen hinausgehen. Die Einhaltung dieser Umwelttoleranzen erfordert häufig einen höheren CFM-Wert, um die Wärmelast zu bewältigen und die Stabilität zu gewährleisten, als es der Mindest-ACH-Wert für die Partikelzahl vorschreiben würde. Das bedeutet, dass die Gesamtbetriebskosten für einen Pharma- oder Biotech-Reinraum oft von diesen zusätzlichen Vorschriften bestimmt werden und nicht allein von der ISO-Klassifizierung.

F: Wie lässt sich am besten überprüfen, ob ein installiertes HLK-System den vorgesehenen CFM- und ISO-Klassen entspricht?
A: Die endgültige Validierung erfordert Konformitätsprüfungen gemäß ISO 14644-1 für die Klassifizierung der Partikelkonzentration. Dies wird durch die Überprüfung der Luftstromgeschwindigkeit, des Volumens und der Druckunterschiede anhand der Konstruktionsspezifikationen unterstützt. Branchenspezifische Normen schreiben darüber hinaus Material- und Oberflächenanforderungen vor. Wenn Ihre Einrichtung eine fortlaufende Zertifizierung benötigt, sollten Sie eine anfängliche Prüfung durch einen Drittanbieter sowie einen wiederkehrenden Zeitplan für Selbstkontrollen einplanen, wodurch ein dauerhafter Bedarf an Sensorwartungs- und Validierungsdiensten entsteht.

F: Wie kann man ein HLK-System für Reinräume mit hohem CFM-Wert hinsichtlich der Energieeffizienz optimieren?
A: Implementierung von VAV-Steuerungen (Variable Air Volume) zur Reduzierung des Luftstroms in nicht belegten Zeiten unter Beibehaltung der minimalen ACH- und Drucksollwerte. Die modulare Bauweise des Reinraums selbst trägt ebenfalls zur betrieblichen Flexibilität bei und ermöglicht eine Neukonfiguration, wenn sich die Anforderungen ändern. Für Unternehmen mit schwankenden Produktionsvolumina oder solche, die skalierbare “Cleanroom-as-a-Service”-Modelle anstreben, verwandelt diese inhärente Anpassungsfähigkeit die Anlage von einem Fixkostenfaktor in eine überschaubare, effiziente Anlage.