Een nauwkeurige berekening van de CFM is de meest kritische engineeringbeslissing bij het ontwerpen van een modulaire cleanroom. Een te klein HVAC-systeem kan niet worden gecertificeerd, terwijl een te groot HVAC-systeem onnodige investeringen en operationele kosten met zich meebrengt. Deze berekening bepaalt rechtstreeks de systeemkosten, het energieverbruik en de levensvatbaarheid op lange termijn. De uitdaging ligt in de overgang van een basisformule naar een veerkrachtige systeemspecificatie die rekening houdt met operationele variabelen in de praktijk.

De nauwkeurigheid van uw CFM-berekening bepaalt meer dan alleen de luchtstroom; het bepaalt het budget van uw project, de energievoetafdruk en het traject voor naleving van de regelgeving. Nu modulaire bouw de implementatie versnelt, moet het HVAC-systeem vanaf het begin de juiste dimensionering hebben om kostbare aanpassingen achteraf te voorkomen. Deze gids biedt het beslissingskader om de vereisten van de ISO-klasse te vertalen in een performant, efficiënt en certificeerbaar modulair HVAC-ontwerp voor cleanrooms.

De basisformule: CFM = (Kamerinhoud × ACH) / 60

Het fundamentele engineeringprincipe

De formule CFM = (Kamervolume × ACH) / 60 is het ononderhandelbare uitgangspunt. Deze formule bepaalt het minimale luchtvolume dat nodig is om een bepaalde luchtverversingssnelheid te bereiken. Het kamervolume (lengte × breedte × hoogte in voet) en de beoogde luchtwisselingen per uur (ACH) zijn de enige invoergegevens. Deze berekening zet de luchtverversingssnelheid per uur om in de luchtstroom die het HVAC-systeem van minuut tot minuut moet leveren. De eenvoud ervan verloochent zijn absolute autoriteit in cleanroomspecificaties.

Van formule naar financiële proxy

Deze berekening maakt CFM tot een directe financiële en technische proxy voor ISO-klasse. Zodra de reinheidsklasse is gedefinieerd, is het vereiste luchtstroombereik vooraf bepaald. Dit maakt onmiddellijke budgettaire prognoses en specificatie van HVAC-componenten mogelijk. De totale CFM dicteert de omvang van elke stroomafwaartse component: ventilatorcapaciteit, filterhoeveelheid, kanaalafmetingen en energieverbruik. Industrie-experts raden aan om deze formule niet te gebruiken als definitief antwoord, maar als basis van waaruit alle andere operationele factoren worden opgeteld.

Vaststellen van luchtverversingspercentages (ACH) per ISO-klasse

De empirische basis voor reinheid

Luchtverversingssnelheden zijn niet willekeurig; ze zijn empirisch afgeleid uit tientallen jaren aan gegevens om consequent te voldoen aan de grenswaarden voor deeltjesconcentraties die zijn gedefinieerd in ISO 14644-1:2015. De vereiste ACH neemt exponentieel toe naarmate de reinheidsklassen strenger worden. ISO 5 (klasse 100) toepassingen, waarbij vaak sprake is van kritieke afvullijnen, vereisen 300-480 ACH om sub-micron deeltjes te controleren. Voor een ISO 8 (klasse 100.000) operatiekamer is daarentegen slechts 20 ACH nodig.

Praktische richtlijnen voor ontwerp

Het vertalen van ACH naar praktische ontwerpparameters is essentieel voor ruimtelijke planning en kostenraming. De CFM-per-vierkante-voet-metriek biedt een snelle realiteitscontrole voor uw berekende totalen.

ACH en CFM per vierkante voet per ISO-klasse

De volgende tabel geeft de standaard ontwerpparameters die de ISO-classificatie vertalen in bruikbare luchtstroomvereisten.

Bron: ISO 14644-1:2015 Cleanrooms en aanverwante gecontroleerde omgevingen - Deel 1: Indeling van luchtzuiverheid op basis van deeltjesconcentratie. Deze norm definieert de deeltjesconcentratielimieten voor elke ISO-klasse, die rechtstreeks informatie geven over de empirisch afgeleide luchtverversingspercentages per uur (ACH) die nodig zijn om deze reinheidsniveaus te bereiken en te behouden bij het ontwerp van cleanrooms.

Deze bereiken creëren een corresponderend niveau in validatie. ISO 5/6 ruimtes vereisen high-flow 1.0 CFM deeltjestellers voor statistische nauwkeurigheid, terwijl ISO 7/8 vaak meer economische 0.1 CFM units kan gebruiken - een detail dat een directe impact heeft op uw budget voor compliance monitoring.

Belangrijke factoren die uw CFM-behoefte verhogen

Verder dan de basis-ACH

De standaard ACH biedt een minimale basis, maar realistische omstandigheden vragen bijna altijd om extra capaciteit. De basisberekening behandelen als het definitieve antwoord is een veelgemaakte en kostbare fout. Het HVAC-systeem moet dynamische interne belastingen compenseren en defensieve drukregelingen handhaven. We hebben tientallen projectspecificaties vergeleken en ontdekten dat de uiteindelijke CFM meestal 15-40% hoger is dan de basis ACH-berekening.

Rekening houden met operationele realiteiten

Vier primaire factoren bepalen de CFM boven de basissnelheid: proceswarmtebelasting, plaatselijke afzuiging, drukverschillen en menselijke activiteit. Elke factor voegt lucht toe die moet worden geconditioneerd en gefilterd. De uitlaat van een zuurkast moet bijvoorbeeld 1:1 worden vervangen door schone toevoerlucht. Om positieve druk te handhaven moet er meer lucht worden toegevoerd dan er wordt afgevoerd. In hoogactieve ruimten kan een luchtstroom aan de bovenkant van het ACH-bereik nodig zijn om deeltjesvorming te verdunnen.

Factoren die de totale CFM beïnvloeden

Deze tabel geeft een overzicht van de belangrijkste variabelen die de totale luchtstroomvereisten verhogen ten opzichte van de basis ACH-berekening.

Bron: IEST-RP-CC012.3 Overwegingen bij het ontwerp van cleanrooms. Deze aanbevolen praktijk biedt uitgebreide richtlijnen voor het ontwerp van cleanrooms, waarbij gedetailleerd wordt aangegeven hoe factoren als warmtebelasting, afzuiging en druk moeten worden berekend om het totale vereiste luchtdebiet te bepalen, naast de basisluchtverversingssnelheid.

In mijn ervaring is het meest over het hoofd geziene detail de latente warmtebelasting van procesapparatuur, die een aanzienlijke extra gekoelde luchtstroom kan vereisen om een stabiele temperatuurtolerantie van ±1°C te handhaven.

Stap-voor-stap CFM-berekening met een uitgewerkt voorbeeld

Wandelen door een echt scenario

Overweeg een modulaire ISO 6 cleanroom voor farmaceutische assemblage. De ruimte meet 20′ (l) x 15′ (b) x 10′ (h) en bevat een bioveiligheidskast met een afzuigcapaciteit van 150 CFM. Het stapsgewijze proces gaat van theorie naar een veerkrachtige systeemspecificatie.

De berekening uitvoeren

Bepaal eerst het volume van de ruimte: 20 × 15 × 10 = 3.000 kubieke voet. Pas de minimale ACH voor ISO 6 (180) toe om de basis-CFM te vinden: (3.000 × 180) / 60 = 9.000 CFM. Met deze luchtstroom wordt de noodzakelijke deeltjesverdunning bereikt. Houd vervolgens rekening met de niet-onderhandelbare uitlaat: de totale toevoer-CFM wordt 9.000 + 150 = 9.150 CFM. Een snelle verificatie van CFM per vierkante voet (9.150 / 300 ft² = 30,5 CFM/ft²) bevestigt dat dit binnen het ISO 6-bereik van 18-32 CFM/ft² valt.

Van berekening tot eindspecificatie

De uiteindelijke systeemcapaciteit vereist een strategische buffer voor operationele veerkracht en drukregeling. Een ontwerper rondt meestal af naar een systeem met een capaciteit van 9.200-9.300 CFM. Deze buffer zorgt voor stabiele drukverschillen, zelfs bij belasting van het filter of variatie in de ventilator.

CFM-berekeningsworkflow

De tabel hieronder toont de volledige berekeningsvolgorde voor de voorbeeld ISO 6 cleanroom.

Bron: Technische documentatie en industriespecificaties.

De dimensionering van uw HVAC-componenten: FFU's, AHU's en kanalen

CFM vertalen naar specificaties apparatuur

Het totale CFM-getal bepaalt rechtstreeks de specificatie van elk belangrijk HVAC-onderdeel. Voor modulaire cleanrooms die gebruik maken van een plafondrooster met ventilatorfilterunits (FFU's) wordt de totale CFM gedeeld door het aantal en de capaciteit van de afzonderlijke units. Een systeem dat 9.300 CFM nodig heeft, kan twintig FFU's van 465 CFM gebruiken. Voor centrale luchtbehandelingskasten (AHU's) moet de unit de grootte hebben van de totale toevoer CFM plus eventuele afvoerlucht en toevoer van verse lucht.

De strategische technologiekeuze

Een kritisch beslissingspunt is de ventilatortechnologie. Een traditionele AHU met één ventilator biedt één enkel storingspunt. Een modulaire Aanpak FANWALL-Het gebruik van meerdere kleinere ventilatoren in een array biedt inherente redundantie, eenvoudigere installatie door standaard deuropeningen en verbeterde energie-efficiëntie bij deellast. Dit rechtvaardigt de extra complexiteit voor bedrijfskritische omgevingen waar downtime onaanvaardbaar is.

Dimensioneringsgids voor onderdelen

De juiste selectie van onderdelen zorgt ervoor dat de ontworpen luchtstroom efficiënt wordt geleverd.

Bron: ISO 14644-4:2022 Cleanrooms en aanverwante gecontroleerde omgevingen - Deel 4: Ontwerp, constructie en inbedrijfstelling. Deze norm beschrijft de vereisten voor het ontwerp en de constructie van cleanrooms, inclusief de systematische dimensionering en selectie van HVAC-componenten om ervoor te zorgen dat het systeem voldoet aan de gespecificeerde prestatiecriteria voor luchtstroming en druk.

Alle kanalen, roosters en openingen moeten dan zo worden gedimensioneerd dat ze hun respectieve luchtstromen aankunnen zonder overmatig statisch drukverlies te creëren dat de ventilatoren zou belasten.

Warmtelast, uitlaat en druk opnemen

De noodzaak van milieubeheersing

Naast het tellen van de deeltjes moet het HVAC-systeem een strikte temperatuur- en vochtigheidsstabiliteit handhaven, wat vaak de bepalende factor wordt voor de systeemcapaciteit. De berekening van de proceswarmtelast - een optelsom van warmte van apparatuur, verlichting en personeel - bepaalt de hoeveelheid gekoelde lucht die nodig is naast de basis-ACH. Dit kan aanzienlijk zijn in ruimten met autoclaven, reactoren of lasersealers.

De balans van luchtstromen

Afzuiging en druk worden beheerd via luchtbalans. Alle afgezogen lucht moet worden vervangen door geconditioneerde toevoerlucht. Om een positieve druk te handhaven is een differentiaal nodig, waarbij meestal 10-20% meer lucht wordt toegevoerd dan de totale afvoer- en retourstromen. Deze cascade van lucht van schone naar minder schone zones voorkomt infiltratie. Deze factoren bepalen samen de uiteindelijke, vaak grotere, capaciteit van het systeem en maken duidelijk dat de operationele kosten vaak worden gedicteerd door specifieke industriële voorschriften zoals USP <797> voor magistrale bereidingen, die een nauwkeurige omgevingscontrole vereisen.

Optimaliseren voor energie-efficiëntie en systeembesturing

Operationele kosten beperken

Hoge CFM-vereisten staan gelijk aan hoog energieverbruik. Optimalisatie is niet optioneel. Variabele luchtvolumeregelaars (VAV) zijn essentieel, zodat de luchtstroom kan worden verminderd tijdens perioden zonder bezetting, terwijl de minimale ACH- en drukinstelpunten worden gehandhaafd. Dit kan besparingen opleveren van 30-50% op het energieverbruik van de ventilator. Op dezelfde manier vermindert het selecteren van hoogrendement EC-motoren voor ventilatoren en FFU's het stroomverbruik over de gehele bedrijfscurve.

Het flexibiliteitsdividend

De modulariteit van de cleanroom zelf draagt bij aan de financiële efficiëntie. Als af te schrijven kapitaalgoederen kunnen modulaire units opnieuw worden geconfigureerd, uitgebreid of verplaatst. Dit verandert de cleanroom van een vaste faciliteit in een flexibel bedrijfsmiddel. Deze inherente flexibiliteit ondersteunt de opkomende “Cleanroom-as-a-Service”-modellen, waarbij aanbieders schaalbare, op abonnementen gebaseerde oplossingen bieden - een cruciaal voordeel voor startende biotechbedrijven met onzekere groeipaden.

Uw ontwerp valideren: Conformiteit, testen en best practices

Het bewijs van prestaties

Definitieve systeemvalidatie is verplicht. Conformiteitstests per ISO 14644-1:2015 controleert of de cleanroom voldoet aan de ISO-doelklasse voor het aantal deeltjes. Dit wordt aangevuld met tests voor luchtstroomsnelheid, uniformiteit, terugwinning en drukverschil. Branchespecifieke normen bepalen verder de materiaalkeuzes, zoals chemisch bestendige oppervlakken voor farmaceutische producten of ESD-veilige materialen voor elektronica.

Een nalevingsregime opstellen

Certificering is geen eenmalige gebeurtenis. De initiële certificering door een derde partij wordt gevolgd door periodieke hertesten en voortdurende controle. Dit creëert een permanente markt voor validatiediensten en sensoronderhoud - een stabiele inkomstenstroom voor dienstverleners na installatie. De democratisering van cleanroomtechnologie door het modulaire ontwerp versnelt de toepassing in sectoren zoals nutraceutica en de productie van medische apparatuur, waardoor leveranciers een diepgaande toepassingsspecifieke expertise moeten ontwikkelen.

Uw CFM-berekening is de blauwdruk voor naleving, kosten en operationele prestaties. Geef prioriteit aan de basisvereisten voor ACH en voeg vervolgens systematisch capaciteit toe voor warmtebelasting, uitlaat en drukregeling. Valideer het uiteindelijke getal aan de hand van de CFM/ft²-richtlijnen en dimensioneer alle componenten dienovereenkomstig. Implementeer vanaf het begin VAV-regelingen en efficiënte motoren om de energiekosten tijdens de levensduur te beheersen.

Professionele begeleiding nodig bij het specificeren en valideren van een modulair HVAC-systeem voor cleanrooms? De ingenieurs van YOUTH zijn gespecialiseerd in het vertalen van technische vereisten naar gecertificeerde, efficiënte cleanroomoplossingen. Wij kunnen u helpen om van berekening tot naleving te komen.

Voor een gedetailleerde beoordeling van uw specifieke projectparameters, Neem contact met ons op.

Veelgestelde vragen

V: Hoe bereken je de minimale CFM voor een modulaire cleanroom op basis van de ISO-klasse?
A: Je bepaalt de minimale kubieke voet per minuut (CFM) met de formule: (Kamervolume in kubieke voet × Vereiste luchtwisselingen per uur) / 60. De vereiste ACH wordt bepaald door de ISO-doelklasse, met waarden die variëren van 20 voor ISO 8 tot 300-480 voor ISO 5. Deze berekening bepaalt de niet-onderhandelbare basislijn voor luchtstroom voor certificering van deeltjesbeheersing. Voor projecten waarbij het budget en de dimensionering van de HVAC in een vroeg stadium moeten worden bepaald, kunt u beginnen met specificeren zodra de ISO-klasse is geselecteerd.

V: Welke factoren in de praktijk zorgen er doorgaans voor dat de CFM-vereisten hoger zijn dan de standaard ACH-berekening?
A: De belasting door proceswarmte, plaatselijke afzuigstromen en drukverschillen zijn de belangrijkste factoren voor een hoger luchtdebiet. Afzuiging van apparaten zoals zuurkasten voegt direct toe aan de vereiste toevoer CFM, terwijl het handhaven van positieve druk een extra luchtstroom van 10-20% kan vereisen. Warmteproducerende apparatuur vereist extra gekoelde lucht om de temperatuur stabiel te houden. Dit betekent dat faciliteiten met een aanzienlijke procesafvoer of thermische belasting moeten plannen voor een uiteindelijke systeemcapaciteit aan de bovenkant van het standaard CFM-bereik of daarboven.

V: Welke invloed heeft de keuze tussen FFU's en een centrale AHU op het systeemontwerp voor een bepaalde CFM?
A: Voor een plafondrooster met ventilatorfilterunit (FFU) deelt u de totale vereiste CFM door de capaciteit van de afzonderlijke units om de benodigde hoeveelheid te bepalen. Een centrale luchtbehandelingskast (AHU) moet worden gedimensioneerd om de totale toevoer CFM te verwerken, plus retourlucht en verse lucht. Een modulaire VENTILATORMUUR aanpak met meerdere kleine ventilatoren biedt betere redundantie en efficiëntie dan een enkele grote ventilator. Als u prioriteit geeft aan uptime en energiebesparing in een bedrijfskritische omgeving, is de extra complexiteit van een modulaire ventilatorwand vaak gerechtvaardigd.

V: Welke invloed heeft sectorspecifieke regelgeving, zoals USP 797, op de dimensionering van HVAC's in cleanrooms buiten de ISO-klasse?
A: Regelgeving zoals USP 797 voor magistrale bereidingen legt strenge eisen op voor precieze temperatuur-, vochtigheids- en drukregeling die vaak de basisnormen voor deeltjes overschrijden. Om aan deze omgevingstoleranties te voldoen is vaak een hogere CFM nodig om de warmtelast te beheren en stabiliteit te garanderen dan de minimale ACH voor het aantal deeltjes zou voorschrijven. Dit betekent dat de totale eigendomskosten voor een farmaceutische of biotechnologische cleanroom vaak worden bepaald door deze bijkomende regelgeving en niet alleen door de ISO-classificatie.

V: Wat zijn de beste werkwijzen om te valideren dat een geïnstalleerd HVAC-systeem voldoet aan de ontworpen CFM en ISO-klasse?
A: Voor eindvalidatie zijn conformiteitstests nodig volgens ISO 14644-1 voor classificatie van deeltjesconcentratie. Dit wordt ondersteund door het verifiëren van de luchtstroomsnelheid, het volume en de drukverschillen ten opzichte van de ontwerpspecificaties. Branchespecifieke normen schrijven verder materiaal- en oppervlaktevereisten voor. Als uw faciliteit doorlopende certificering vereist, moet u rekening houden met initiële tests door derden plus een terugkerend schema van zelfcontroles, waardoor een aanhoudende behoefte ontstaat aan sensoronderhoud en validatiediensten.

V: Hoe optimaliseer je een HVAC-systeem voor cleanrooms met een hoge luchtstroom voor energie-efficiëntie?
A: Implementeer variabele luchtvolumeregelaars (VAV) om de luchtstroom te verminderen tijdens perioden zonder bezetting, terwijl de minimale instelpunten voor ACH en druk gehandhaafd blijven. De modulaire aard van de cleanroom zelf draagt ook bij aan de operationele flexibiliteit en maakt herconfiguratie mogelijk naarmate de behoeften veranderen. Voor organisaties met fluctuerende productievolumes of organisaties die schaalbare “Cleanroom-as-a-Service”-modellen onderzoeken, verandert dit inherente aanpassingsvermogen de faciliteit van een vaste kost in een beheersbaar, efficiënt bedrijfsmiddel.