Het ontwerpen van een cleanroom om te voldoen aan een specifieke ISO-classificatie vereist nauwkeurige engineering, maar een fundamentele berekening brengt zelfs ervaren professionals vaak in de war. De luchtverversingssnelheid (ACH) is geen vast getal uit een tabel, maar een flexibele ontwerpparameter met aanzienlijke gevolgen voor de kosten. Het selecteren en berekenen van het vereiste aantal ventilator-filterunits (FFU's) is de kritische stap die een reinheidsdoel vertaalt in een functioneel, efficiënt en conform systeem.

Dit proces vereist meer dan het invoeren van getallen in een formule. Het vereist inzicht in de wisselwerking tussen luchtstroming, verontreinigingsbeheersing en het totale systeemontwerp. Een verkeerde berekening kan leiden tot niet-naleving van de regelgeving, energieverspilling of onnodige investeringen. Deze gids biedt het gezaghebbende, stapsgewijze kader voor een nauwkeurige berekening van de luchtverversingssnelheid van FFU's, van basisrekenen tot geavanceerde implementatiestrategieën.

Inzicht in luchtverversingssnelheid (ACH) voor cleanrooms

De kernmetriek definiëren

De Air Change Rate (ACH) geeft aan hoeveel keer per uur het totale luchtvolume in een cleanroom wordt vervangen. Het is de primaire ontwerpdrijfveer voor cleanrooms met een niet-unidirectionele (gemengde/turbulente) luchtstroom, zoals ISO 7- en ISO 8-classificaties. De ACH bepaalt rechtstreeks de verdunnings- en verwijderingssnelheid van zwevende deeltjes in de lucht en vormt de basis voor het bereiken en handhaven van het vereiste reinheidsniveau. Industriestandaarden bieden echter brede bereiken voor elke klasse, geen eenduidige prescriptieve waarden.

De afweging tussen ontwerpflexibiliteit en kosten

Dit bereik zorgt voor een cruciale engineeringbeslissing. Voor een ISO 7 cleanroom kan de ACH variëren van 60 tot 480. Door een lagere waarde te kiezen worden de initiële kapitaalkosten en het energieverbruik op lange termijn geminimaliseerd, maar blijft er een minimale operationele buffer over. De keuze voor een hogere ACH verhoogt de veiligheidsmarge en de efficiëntie van de contaminatieverwijdering tegen aanzienlijke levensduurkosten. Volgens onderzoek van vervuilingscontrole-instanties moet de gekozen ACH expliciet worden gerechtvaardigd door een formele risicobeoordeling van interne processen, bezetting en vervuilingsrisico. Deze ene parameter bepaalt de schaal voor het hele HVAC- en filtratiesysteem.

Navigeren door standaarden en bereiken

De brede ACH bereiken gedefinieerd in standaarden zoals ISO 14644-4 zijn opzettelijk, waardoor een toepassingsspecifiek ontwerp mogelijk is. Een cleanroom voor verpakkingen met minimaal personeel kan functioneren aan de lage kant van een ISO 8-bereik, terwijl een ruimte voor magistrale bereidingen met meer activiteit een hogere waarde vereist. Dit onderstreept dat het ontwerpen van cleanrooms geen kwestie is van kopiëren en plakken, maar een op prestaties gebaseerde technische uitdaging waarbij de ACH een belangrijke variabele is die moet worden geoptimaliseerd.

Bron: ISO 14644-4: Cleanrooms en aanverwante gecontroleerde omgevingen - Deel 4: Ontwerp, constructie en inbedrijfstelling. Deze norm stelt het kader vast voor cleanroomontwerp, waarbij ACH een belangrijke parameter is die wordt bepaald om aan specifieke ISO-klassen te voldoen. Het vormt de basis voor de grote bandbreedtes en de noodzaak van een op risico's gebaseerde rechtvaardiging.

De kernformule voor FFU-berekening uitgelegd

De essentiële vergelijking

De basisformule voor de dimensionering van een FFU systeem is eenvoudig: Aantal FFU's = (ACH × cleanroomvolume) / FFU-debiet. Deze berekening bepaalt het aantal units dat nodig is om het totale luchtdebiet per uur te leveren dat nodig is om de beoogde ACH te bereiken. Elke variabele in deze vergelijking moet nauwkeurig worden gedefinieerd; een fout in een van de variabelen leidt tot een te klein of te groot systeem.

Volume- vs. gebiedsgericht denken

Een veelgemaakte en kostbare fout is het gebruik van vloeroppervlak in plaats van volume. De formule is inherent driedimensionaal. De plafondhoogte werkt als een directe vermenigvuldiger op de vereiste luchtstroom. Een beslissing om de hoogte van een ruimte te vergroten voor bijvoorbeeld een utiliteitsruimte heeft een lineair effect op het aantal FFU's en de projectkosten. Dit benadrukt de noodzaak van vroegtijdige coördinatie tussen architectenteams en MEP-teams, aangezien de afmetingen van de ruimte al vastliggen tijdens het schematische ontwerp.

Toepassing per Cleanroomtype

Het is belangrijk op te merken dat deze formule specifiek van toepassing is op ruimtes met een niet-unidirectionele luchtstroom (ISO 6-9). Voor unidirectionele (laminaire) cleanrooms (ISO 1-5) verschuift de belangrijkste ontwerpmetriek van ACH naar het handhaven van een specifieke gemiddelde luchtsnelheid, zoals 0,45 m/s (90 fpm), zoals beschreven in richtlijnen zoals IEST-RP-CC012.3. Het toepassen van een berekening op basis van ACH op een laminaire flow cleanroom zal resulteren in een fundamenteel verkeerd ontwerp.

Bron: IEST-RP-CC012.3: Overwegingen bij het ontwerp van cleanrooms. Deze aanbevolen praktijk biedt richtlijnen voor luchtstromingspatronen en ventilatie, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen de ontwerpprincipes voor gemengde/turbulente (op ACH gebaseerde) en laminaire (op snelheid gebaseerde) cleanrooms.

Stap-voor-stap FFU-berekening met voorbeeld

Invoerparameters verzamelen

Voor de berekening zijn drie definitieve gegevens nodig: het volume van de ruimte (lengte x breedte x hoogte in meters), de gewenste ACH (geselecteerd uit het gerechtvaardigde bereik) en het gecertificeerde debiet (Q_FFU in m³/h) van het specifieke FFU-model onder standaard bedrijfsomstandigheden. Gebruik geen theoretische of maximale waarden; gebruik het geteste, duurzame debiet.

De berekening uitvoeren

Voor een ISO 7 cleanroom van 10m (L) x 6m (B) x 2,8m (H) met een ACH van 70 is het volume 168 m³. De totale vereiste luchtstroom is 11.760 m³/h (70 ACH x 168 m³). Als het geselecteerde FFU-model een nominaal debiet van 1.000 m³/u heeft, is het aantal basiseenheden 11,76. Dit moet altijd naar boven worden afgerond op de dichtstbijzijnde hele eenheid, wat resulteert in een vereiste voor 12 FFU's om de minimumdoelstelling te halen.

Verder gaan dan simplistische regels

Dit berekende getal is een resultaat op basis van prestaties. Verouderde concepten zoals “dekkingspercentage van het FFU-plafond” (bijv. 25%, 50%) zijn vereenvoudigde hulpmiddelen voor voorlopige kostenramingen. Het zijn geen prestatieparameters waarnaar wordt verwezen in de huidige ISO-normen. Het uiteindelijke ontwerp moet worden gevalideerd aan de hand van de berekende prestatiecijfers van ACH of snelheid, niet aan de hand van vuistregels voor de dekking.

Opmerking: Het aantal FFU's moet altijd naar boven worden afgerond op de dichtstbijzijnde hele eenheid.
Bron: Technische documentatie en industriespecificaties.

Belangrijke ontwerpoverwegingen naast basisrekenen

Strategische plaatsing voor uniformiteit

De berekende FFU-hoeveelheid is een uitgangspunt voor de indeling. Voor een effectieve beheersing van besmetting is een strategische plaatsing nodig om een gelijkmatige luchtverdeling te garanderen en stilstaande zones te voorkomen. Hoewel een uniform rooster op een T-balk plafond standaard is, omvat optimale bescherming het in kaart brengen van verwachte besmettingsbronnen en werkstromen van personeel. Onderzoek in isolatiekamers in de gezondheidszorg toont aan dat de plaatsing van afzuigroosters ten opzichte van de bron een drastische invloed heeft op de efficiëntie van de verwijdering van verontreinigende stoffen, waardoor de lay-out net zo kritisch is als de ACH-waarde zelf.

Een ontwerpmarge inbouwen

Een berekend getal mag nooit het uiteindelijke geïnstalleerde getal zijn. Een ontwerpmarge van 10-20% is essentieel. Deze buffer houdt rekening met filterbelasting in de loop van de tijd, waardoor de drukval toeneemt en het debiet van individuele FFU's kan afnemen als deze niet goed wordt gecompenseerd. Het biedt ook flexibiliteit voor toekomstige procesveranderingen en biedt ruimte voor lekkage. Mijn ervaring is dat het weglaten van deze marge de meest voorkomende reden is waarom een nieuwe cleanroom niet voldoet aan de eerste kwalificatie na een paar maanden filtergebruik.

Integratie met plafondrooster en diensten

De fysieke lay-out moet worden afgestemd op het plafondrooster, de verlichting, sprinklers en andere voorzieningen. FFU's hebben specifieke afmetingen en hun plaatsing moet worden afgestemd op het structurele T-profielrooster. Deze coördinatie zorgt voor een mooie esthetiek, behoudt de integriteit van het plafond en maakt een goede afdichting mogelijk - een vereiste waar niet over onderhandeld kan worden om de druk te handhaven. Het niet op elkaar afstemmen leidt tot kostbare aanpassingen en mogelijke hiaten in de naleving.

FFU selectie: Prestatiefactoren en specificaties

Motortechnologie evalueren

De veronderstelde Q_FFU moet een betrouwbare waarde zijn, maar de technologie die deze stroom levert is van het grootste belang. De motortechnologie is de primaire onderscheidende factor: Elektronisch gecommuteerde (EC) motoren bieden een superieure energie-efficiëntie, een stabiele regeling van de luchtstroom via ingebouwde frequentieregelaars en een langere levensduur in vergelijking met traditionele AC-motoren. Voor systemen die 24/7 in bedrijf zijn, ligt de nadruk op de totale eigendomskosten, waardoor geavanceerde motortechnologie een kritieke selectiefactor is.

Inzicht in totale eigendomskosten (TCO)

Aankoopbeslissingen moeten de voorkeur geven aan FFU's met geavanceerde motor- en regeltechnologie. Hoewel de initiële meerprijs voor FFU's met EC-motor 15-30% hoger kan liggen, resulteren de energiebesparingen op lange termijn vaak in een terugverdientijd van minder dan twee jaar. Over een levensduur van 10 jaar kunnen de besparingen op energiekosten aanzienlijk opwegen tegen het initiële kapitaalverschil. Hierdoor verschuift de evaluatie van een eenvoudige materiaalkost naar een financiële levenscyclusanalyse.

Specificaties voor betrouwbaarheid

Naast het debiet zijn de belangrijkste specificaties de filterefficiëntie (meestal HEPA of ULPA), het geluidsdrukniveau (dBA) en de compatibiliteit van het regelsysteem. De unit moet het nominale debiet handhaven bij een gedefinieerd bereik van externe statische druk om de prestaties te garanderen als de filters worden belast. Units moeten worden geselecteerd met geïntegreerde bediening of compatibiliteit met gebouwbeheersystemen voor bewaking en aanpassing.

Bron: Technische documentatie en industriespecificaties.

FFU's integreren met HVAC voor drukregeling

De cruciale rol van make-up lucht

Een fundamenteel en vaak verkeerd begrepen principe is dat FFU's alleen de ruimtedruk niet regelen. FFU's zijn recirculatieapparaten die lucht in de ruimte verplaatsen en filteren. Het handhaven van de drukverschilcascade die essentieel is voor besmetting (bijv. schone gang > verwerkingsruimte > luchtsluis) is de functie van een apart, actief gebalanceerd centraal HVAC-systeem. Dit systeem levert geconditioneerde make-up lucht.

Luchtstroom balanceren voor drukregeling

Het HVAC-systeem moet het volume van de toegevoerde make-up lucht nauwkeurig afwegen tegen alle afzuigstromen - algemene ruimteafzuiging, procesafzuiging van apparatuur en lekkage. Een positieve druk wordt gecreëerd door iets meer lucht toe te voeren dan er wordt afgevoerd. Verwaarlozing van deze integratie is een garantie voor mislukking. Het FFU systeem en het centrale luchtbehandelingssysteem moeten worden ontworpen, gedimensioneerd en geregeld als één samenhangend pakket om deze kritische drukverschillen tot stand te brengen en te handhaven.

Coördinatie besturingssysteem

Moderne ontwerpen integreren de FFU snelheidsregeling met druksensoren en het gebouwbeheersysteem (BMS). Als er een deur opengaat, waardoor de druk daalt, kan het systeem de make-up luchtkleppen aanpassen of, in sommige configuraties, tijdelijk de snelheid van de FFU's moduleren om de drukcascade te herstellen. Dit integratieniveau vereist zorgvuldige planning vanaf het stadium van het besturingsverhaal om ervoor te zorgen dat alle componenten effectief communiceren.

Geavanceerde configuraties voor verbeterde vervuilingscontrole

Gelokaliseerde eenrichtingsstroomtoepassingen

Voor toepassingen die een extreme plaatselijke reinheid of een specifieke bestrijding van pathogenen vereisen, kunnen FFU's worden ingezet in gerichte, geavanceerde configuraties. Een op bewijs gebaseerde strategie omvat aan het plafond gemonteerde FFU's om een gelokaliseerde unidirectionele stromingszone boven een kritische werkbank of proces te creëren, in combinatie met lage wandafzuigroosters die in de buurt van de verontreinigingsbron worden geplaatst. Dit ontwerp verbetert de efficiëntie van de verwijdering van verontreinigende stoffen aanzienlijk door een schoon luchtgordijn te creëren en verontreinigende stoffen onmiddellijk op te vangen voordat ze worden verspreid.

De verschuiving naar prestatiegerichte modellering

Deze benadering betekent een verschuiving van voorschrijvend, op tabellen gebaseerd ontwerp naar prestatiegerichte, installatiespecifieke engineering. Toonaangevende exploitanten vragen steeds vaker om computational fluid dynamics (CFD) simulaties om luchtstromingspatronen en de verwijdering van verontreinigingen voor complexe lay-outs of kritieke zones te visualiseren en te optimaliseren. CFD zorgt ervoor dat het ontwerpproces verder gaat dan standaard benchmarks, zodat ingenieurs configuraties kunnen testen en valideren voordat ze worden geïnstalleerd, waardoor het project minder risicovol wordt.

Modulair en adaptief ontwerp

De modulaire opbouw van FFU-systemen maakt een gefaseerde investering en een adaptief cleanroomontwerp mogelijk. Een proeffaciliteit of R&D-lab kan beginnen met een lagere ACH-configuratie voor ISO 8. Naarmate de processen zich ontwikkelen en de reinheidseisen toenemen, kunnen extra FFU's worden toegevoegd aan het bestaande netwerk om ISO 7-prestaties te bereiken. Deze schaalbaarheid verlaagt de initiële kapitaaluitgaven en zorgt ervoor dat de besturing precies kan worden aangepast aan de procesbehoeften en de risicobeoordeling.

Uw berekening uitvoeren: Een praktisch kader

Van berekening naar gekwalificeerd systeem

Zie de FFU-berekening als de eerste stap in een dynamisch kwalificatieproces. Het berekende en geïnstalleerde systeem moet worden gevalideerd door middel van initiële deeltjestellingen en luchtstroomsnelheidsmetingen om aan te tonen dat het voldoet aan de beoogde ISO-klasse en ACH. Deze prestatiegegevens worden de basislijn voor doorlopende operationele kwalificatie.

Continue bewaking omarmen

De industrie stapt over van periodieke handmatige sampling naar continue, datagestuurde monitoring. De integratie van IoT-compatibele deeltjestellers, druksensoren en FFU-prestatiemonitoren creëert een “Intelligente Clean Room”. Dit maakt real-time prestatieanalyses, trendanalyses en voorspellend onderhoud voor filters en motoren mogelijk, waardoor het beheer verschuift van een reactieve compliance-activiteit naar een proactieve operationele intelligentiefunctie.

Een onderhouds- en reactieprotocol opstellen

De laatste stap is het opstellen van duidelijke protocollen. Dit omvat geplande filterintegriteitstests (DOP/PAO-tests), periodieke luchtstroomverificatie en gedefinieerde responsacties voor wanneer monitoringsgegevens een afwijking ten opzichte van de basislijn aangeven. Een goed ontworpen FFU-systeem met een robuuste gegevensbackbone is slechts zo goed als de operationele discipline die het ondersteunt.

De belangrijkste beslispunten zijn het selecteren van een gerechtvaardigde ACH, het uitvoeren van een nauwkeurige volumeberekening en het selecteren van FFU's op basis van totale eigendomskosten, niet alleen de prijs vooraf. Implementatie vereist het integreren van de lay-out van de FFU's met de HVAC-drukregeling en het valideren van de prestaties door middel van testen. Dit kader maakt van een eenvoudige formule een betrouwbare strategie voor verontreinigingsbeheersing.

Professionele begeleiding nodig bij het specificeren en implementeren van een high-performance Ventilator-filterunit (FFU) systeem voor uw bedrijf? De ingenieurs van YOUTH kan helpen met berekeningen, productselectie en systeemontwerp om ervoor te zorgen dat uw cleanroom efficiënt en betrouwbaar aan de classificatiedoelen voldoet.

Veelgestelde vragen

V: Hoe bepaal je de juiste luchtverversingssnelheid voor een ISO 7 cleanroom als de norm zo'n breed bereik aangeeft?
A: U moet een specifieke ACH-waarde selecteren binnen het brede ISO-bereik door middel van een formele risicobeoordeling, aangezien deze enkele parameter de schaal van uw hele systeem bepaalt. De ISO 14644-4 kader vereist deze rechtvaardiging op basis van het interne procesrisico, de bezettingsgraad en het besmettingspotentieel. Dit betekent dat faciliteiten met zeer variabele processen zich moeten richten op de bovenkant van het bereik voor een veiligheidsmarge, terwijl stabiele activiteiten met weinig bezetting kunnen kiezen voor een lagere ACH om de kapitaalkosten en de energiekosten gedurende de levensduur te minimaliseren.

V: Waarom is het volume van de ruimte, en niet alleen het vloeroppervlak, doorslaggevend bij het berekenen van het aantal FFU's dat nodig is?
A: De hoofdformule voor de hoeveelheid FFU is inherent driedimensionaal: (ACH × kamervolume) / FFU debiet. Door alleen het vloeroppervlak te gebruiken, wordt de plafondhoogte genegeerd, die als een directe vermenigvuldiger werkt op het totale luchtvolume dat je moet verwerken. Dit principe staat centraal in richtlijnen voor cleanroomontwerp zoals IEST-RP-CC012.3. Verwacht bij projecten waar de architectonische plannen nog niet vastliggen dat zelfs een bescheiden verhoging van het plafond een lineair, aanzienlijk effect zal hebben op het aantal benodigde FFU's en de HVAC-uitgaven.

V: Kunnen alleen FFU's de druk in de cleanroom regelen om besmetting tegen te gaan?
A: Nee, FFU's zorgen voornamelijk voor interne luchtrecirculatie en filtratie; ze beheren niet de drukverschilcascade. Voor het handhaven van kritische drukgradiënten is een apart, actief gebalanceerd HVAC-systeem nodig dat geconditioneerde make-up lucht levert en de afzuigstromen precies compenseert. Deze integratie is een fundamentele ontwerpeis. Als uw bedrijf een stabiele drukcascade vereist (bijv. schone gang > verwerkingsruimte), plan dan dat het FFU-systeem en de centrale luchtbehandelingskast vanaf het begin worden ontworpen en geregeld als één samenhangend pakket.

V: Wat zijn de belangrijkste factoren om te evalueren bij het kiezen van een specifiek model ventilatorfilterunit?
A: Kijk verder dan het nominale debiet (Q_FFU) voor motortechnologie en totale eigendomskosten. Elektronisch gecommuteerde (EC) motoren bieden een superieure energie-efficiëntie, een stabiele regeling van de luchtstroom en een langere levensduur in vergelijking met traditionele AC-motoren. Aangezien deze systemen continu draaien, kunnen de energiebesparingen op lange termijn van geavanceerde motoren aanzienlijk opwegen tegen de initiële prijspremies. Voor projecten waar operationele kosten een belangrijk punt van zorg zijn, moet je prioriteit geven aan FFU specificaties die EC motortechnologie en bewezen, betrouwbare prestatiegegevens bevatten.

V: Hoe moet het berekende basisaantal FFU's worden aangepast voor een robuust langetermijnontwerp?
Antwoord: De formule geeft een theoretisch minimum, dat u vervolgens moet verhogen met een ontwerpmarge van 10-20%. Deze buffer houdt rekening met filterbelasting in de loop van de tijd, toekomstige procesveranderingen en onvermijdelijke lekkage in de ruimte. Bovendien is een strategische plaatsing op een uniform rooster vereist om een gelijkmatige luchtverdeling te garanderen en stilstaande zones te voorkomen, een principe dat wordt ondersteund door IEST-RP-CC012.3. Dit betekent dat faciliteiten die plannen voor procesflexibiliteit of die zich in omgevingen met veel deeltjes bevinden, deze marge moeten inbouwen tijdens de initiële aankoop om de naleving van de classificatie op lange termijn te garanderen.

V: Wanneer moet je geavanceerde FFU-configuraties overwegen, zoals gelokaliseerde unidirectionele stroom?
A: Implementeer gerichte configuraties, zoals een plafond FFU in combinatie met lage wandafzuigingen, voor toepassingen die extreme reinheid of specifieke controle van pathogenen vereisen in een kritische zone. Dit ontwerp creëert een schoon luchtgordijn dat verontreinigingen onmiddellijk bij de bron afvangt, waardoor de verwijderingsefficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd. Als uw bedrijf bestaat uit processen met een hoog risico in gedefinieerde gebieden, moet u een prestatiegericht ontwerp plannen, mogelijk met behulp van CFD-simulatie (Computational Fluid Dynamics), in plaats van alleen te vertrouwen op voorgeschreven benchmarks voor de hele ruimte.

V: Is het concept “dekkingspercentage plafond FFU” een geldige parameter voor het uiteindelijke systeemontwerp?
A: Nee, percentages zoals 25% of 50% dekking zijn vereenvoudigde hulpmiddelen voor voorlopige kostenramingen en zijn geen prestatieparameters waarnaar wordt verwezen in de huidige ISO 14644-4 normen. Het uiteindelijke ontwerp moet gebaseerd zijn op de berekende prestatiecijfers van ACH voor ruimten met gemengde stroming of specifieke luchtsnelheid voor ruimten met laminaire stroming. Dit betekent dat uw aankoop- en validatiedocumenten de vereiste ACH of snelheid moeten specificeren, niet een plafonddekkingsdoelstelling, om ervoor te zorgen dat het geïnstalleerde systeem voldoet aan de beoogde ISO-classificatie.