LabSystem Reinraumtechnik - Raumduckregelungenlabor-abzug.de/download/LabHandbuch_07_de.pdf · 2 Reinraumtechnik - Raumduckregelungen Kapitel 7.0 LabSystem Planungshandbuch Lufttechnik

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Reinraumtechnik - RaumduckregelungenKapitel 7.0

LabSystem Planungshandbuch ● Lufttechnik für Laboratorien

7.0LabSystem

Reinraumtechnik - Raumduckregelungen

Inhaltsverzeichnis

Abschnitt Titel Seite1.1 Was ist Reinraumtechnik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Good Manufacturing Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Mindestanforderungen an die Räumlichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Reinraumhirarchien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.5 Der Raumdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.6 Das Raumleck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.7 Druckdifferenz gegenüber der Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.8 Raumdruckverhältnis bei unterschiedlichem Zu- und Abluftvolumenstrom . 4

2.0 Luftaustausch und Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1 Laminar Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Turbulente Mischströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Prinzipieller Aufbau eines Reinraumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3.1 Berechnung des Volumenstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.1 Reinraumklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Klassifi zierung von Sicherheitslaboren nach GenTSV . . . . . . . . . . . . . 7

4.1 Raumdruck- und Volumenstromregler von SCHNEIDER . . . . . . . . . . . . 7

5.1 Raumdruckregler CRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.1.1 Regelgeschwindigkeit des CRP-Reglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.1.2 Regelgenauigkeit des CRP-Reglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.2 Raumdruckregelung mit CRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95.2.1 Raumschema 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95.2.2 Raumschema 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6.1 Regelung von dichten Räumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.2 Raumdruckverhältnisse eines volumenstromgeregelten dichten Raumes . . 116.2.1 Berechnung der Druckdifferenz ∆p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

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InhaltsverzeichnisAbschnitt Titel Seite6.2.2 Einfl uss der Regeltoleranz eines Volumenstromreglers . . . . . . . . . . . . . . 116.2.3 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,001 m² (10 cm²) bei gleichem Zuluft-

und Abluftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126.2.4 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,01 m² (100 cm²) bei gleichem Zuluft-

und Abluftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126.2.5 Rechenbeispiel für einen defi nierten Raumüberdruck von 10 Pa mit einem

Raumleck von 0,01 m² (100 cm²) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136.2.6 Fazit Raumdruckregelung mit Volumenstromreglern . . . . . . . . . . . . . . . . 136.3 Raumdruckregelung eines dichten Raumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136.3.1 Einfl uss der Regeltoleranz eines Raumdruckreglers . . . . . . . . . . . . . . . . 146.3.2 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,001 m² (10 cm²) bei konstantem

Zuluftvolumenstrom und Raumdruckregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146.3.3 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,01 m² (100 cm²) bei konstantem

Zuluftvolumenstrom und Raumdruckregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146.4 Raumdruckregler CRP mit doppelter Regelgenauigkeit . . . . . . . . . . . . 146.5 Betrachtung der Regelgeschwindigkeit des Raumdruckreglers CRP . . . . . 156.6 Regelung von dichten Räumen mit dem volumenstrompriorisierten

Raumdruckregler VCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166.6.1 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,001 m² (10 cm²) bei konstantem

Zuluftvolumenstrom und volumenstrompriorisiertem Raumdruckregler VCP . . . . 16

7.1 Volumenstrompriorisierter Raumdruckregler VCP . . . . . . . . . . . . . . . 177.1.1 Regelgeschwindigkeit des VCP-Reglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177.1.2 Regelgenauigkeit des VCP-Reglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177.1.3 Raumschema VCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

8.1 Raumdrucküberwachung PM100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

9.1 Volumenstromregler VAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219.1.1 Regelgeschwindigkeit des VAV-Reglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219.1.2 Regelgenauigkeit des VAV-Reglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

10.1 Leistungsmerkmale Raumdruckregler CRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2310.2 Leistungsmerkmale volumenstrompriorisierter Raumdruckregler VCP . . . 2410.3 Leistungsmerkmale Raumdrucküberwachung PM100 . . . . . . . . . . . . . 2510.4 Leistungsmerkmale Volumenstromregler VAV . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

11.1 Produktübersicht Raumdruckregler, Volumenstromregler,Raumdrucküberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

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1.1 Was ist Reinraumtechnik?

Zunehmend höhere industrielle Anforderungen führen in vielen Produktionszweigen zu einer außerordentlichen Verfeinerung der angewandten Technologien und Verfah-renstechniken, wobei die eingesetzten Methoden hierbei stetig präziser und wirkungsvoller gestaltet werden. Um dem marktbedingten Anspruch gerecht zu werden, Spit-zenqualität bei gleichzeitiger Massenfertigung herzustel-len, sind jedoch wesentlich genauere Rahmenbedingun-gen der Fertigung einzuhalten, wie beispielsweise die Produktionsstätte staub- und keimfrei zu halten.

Reinraumtechnik als Kette aller Maßnahmen zur Vermei-dung oder Verminderung schädlicher Einfl üsse auf das Produkt oder den Menschen ist als Produktionsvorausset-zung aus keinem der heutigen High-Tech-Industrieberei-che mehr wegzudenken.

Reinraumtechnik

� hält Partikel aus der Umgebungsluft vom Arbeits- bereich fern� gewährleistet Luftfi lterung und Strömungsführung� bietet Unter- und Überdruckabstufung zwischen Räumen und Raumarten� hält bestimmte Luftzustände wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit ein� ermöglicht, dem Prozess hochreine Medien zu- zuführen� gewährleistet eine reinraumkompatible Produktions- technik und Prozessführung� garantiert eine Oberfl ächenreinheit der Produkte, Arbeitsfl ächen und Packmittel� führt die Prozessabluft ab und entsorgt diese� fördert prozess- und produktangepasste Verhaltens- weisen des Personals und vermittelt die dazu not- wendige Motivation und Schulung

Die internationalen Normen ISO 14644-1 und die VDI 2083 defi nieren die Klassifi zierung der Luftreinheit. Die US Federal Standard 209b wurde durch die Normen DIN ISO 14644-1 und DIN ISO 14644-2 abgelöst. In der Tabel-le 7.1 ist für jede ISO-Klasse der Höchstwert der Partikel-konzentration (Partikel je m³) aufgelistet.

In der Reinraumtechnik müssen für Pharma-, Gen- und Biotechnologie, Apotheken und Labore Lüftungsanlagen gemäß GMP-Anforderungen (Richtlinien zur Qualitäts-sicherung der Produktionsabläufe und -umgebung in der Produktion von Arzneimitteln, Wirkstoffen und Medizin-produkten sowie bei Lebens- und Futtermitteln) geplant und installiert werden. Dies erfordert ein großes Maß an Wissen und Know-how.

In Tabelle 7.2 sind die Korrelationen der US-, VDI und ISO-Klassen aufgelistet.

US-FS 209b VDI-2083 DIN ISO 14644Class 0,01 -- ISO Class 1Class 0,1 -- ISO Class 2Class 1 VDI Class 1 ISO Class 3Class 10 VDI Class 2 ISO Class 4Class 100 VDI Class 3 ISO Class 5Class 1.000 VDI Class 4 ISO Class 6Class 10.000 VDI Class 5 ISO Class 7

Tabelle 7.2 Korrelation der US-, VDI Und ISO-Klassen

Die US-Class 100 entspricht der VDI Class 3 und defi nie-ren eine Partikelkonzentration von max. 100 Partikel mit einer Größe über 0,5 µm je foot³, während die DIN ISO Class 5 eine Partikelkonzentration von max. 3520 Partikel mit einer Größe über 0,5 µm je m³ definiert.

1.2 Good Manufacturing Practice

Unter GMP (Good Manufacturing Practice = gute Her-stellungspraxis) versteht man Richtlinien zur Qualitätssi-cherung der Produktionsabläufe und - umgebung in der Produktion von Arzneimitteln, Wirkstoffen und Medizinpro-dukten, aber auch bei Lebens- und Futtermitteln.

In der pharmazeutischen Herstellung spielt die Qualitäts-sicherung eine zentrale Rolle, da hier Qualitätsabwei-chungen direkte Auswirkungen auf die Gesundheit der Verbraucher haben können.

Höchstwert der Partikelkonzentration [Partikel je m³]Klasse 0,1 µm 0,2 µm 0,3 µm 0,5 µm 1 µm 5 µmISO 1 10 2ISO 2 100 24 10 4ISO 3 1.000 237 102 35 8ISO 4 10.000 2.370 1.020 352 83ISO 5 100.000 23.700 10.200 3.520 832 29ISO 6 1.000.000 237.000 102.000 35.200 8.320 293ISO 7 352.000 83.200 2.930ISO 8 3.520.000 832.000 29.300ISO 9 35.200.000 8.320.000 293.000

Tabelle 7.1 ISO-Klassifi zierung der Luftreinheit

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Ein GMP-gerechtes Qualitätsmanagementsystem dient der Gewährleistung der Produktqualität und der Erfüllung der für die Vermarktung verbindlichen Anforderungen der Gesundheitsbehörden.

1.3 Mindestanforderungen an die Räumlich- keiten

Reinraumklassen orientieren sich an der ergänzenden Leitlinie zur Herstellung steriler Arzneimittel zum EU-GMP-Leitfaden. Kritische Arbeitsschritte müssen in einem Bereich der Reinraumklasse A (höchste Anforderung) durchgeführt werden.

Der kontrollierte Bereich sollte vorzugsweise die Kriteri-en der Klasse B erfüllen, bei entsprechendem Nachweis kann ein Raum der Klasse C ausreichend sein. Bei der Verwendung eines Isolators ist die Reinraumklasse D aus-reichend.

Der Zugang in den kontrollierten Bereich sollte über einen Raum mit Schleusenfunktion erfolgen, die Türen müssen dabei gegeneinander verriegelt sein. Material sollte ge-trennt vom Personal eingeschleust werden (z. B. Materi-alschleuse).

1.4 Reinraumhirarchien

Der Reinstraumzugang erfolgt meist über eine Folge ver-schiedener Reinraumbereiche mit fallender Reinraum-klasse. Zwischen diesen Bereichen erfolgt in der Regel ein Kleidungswechsel. Um Verschmutzungen von Gegen-ständen, die mit dem Fußboden in Berührung kommen (z.B. Schuhsohlen), zu minimieren, befi nden sich an den jeweiligen Zugängen spezielle klebrige Fußmatten. Der Zugang zum Reinstraum selbst folgt zusätzlich über Per-sonal- und Materialschleusen, in denen wiederum starke Luftströmungen und Filtersyteme vorhandene Partikel aufwirbeln und absaugen, so dass keine zusätzliche Ver-unreinigung von außerhalb eingetragen wird.

1.5 Der Raumdruck

Um aus Umwelt-, Hygiene- oder Sicherheitsgründen den Luftaustausch eines Labores mit der Umwelt zu verhin-dern, werden Türen, Fenster und Maueröffnungen ab-gedichtet. Dadurch wird neben dem Luftaustausch aber auch der Druckausgleich zur Umgebung verhindert, was zu unzulässig hohen Druckdifferenzen führen kann.

Die Verhältnisse gegenüber der Umgebung bleiben nur konstant, wenn die Zu- und Abluftvolumenströme gleich groß sind. Ausgehend von einer typischen, maximalen Ab-weichung der Volumenstromregler von +/-5% Prozent im Regelbetrieb sind die üblichen Raumdichtheiten im heu-tigen Baustandard noch kein Problem. Sobald jedoch im verstärkten Maße auf die Dichtheit der Bauhülle geachtet wird, treten unerwünscht hohe Druckdifferenzen auf.

Der resultierende Raumdruck hängt von folgenden Para-metern ab:

� Größe der Raumleckfl äche� Fläche der Überströmöffnung� Eingestelltes Verhältnis des Zu- und Abluft- volumenstroms� Regelgenauigkeit der Volumenstromregler bzw. Volumenstromdifferenz (Zuluft - Abluft)� Laufzeit und mögliche Hysterese der eingesetzten Stellantriebe

1.6 Das Raumleck

In der Regel wird das Raumleck hauptsächlich von Tür-spalten und Durchführungen von Rohren in Wänden, Undichtheiten der Fenster und im Rauminneren von Un-terputzleitungen (z.B. Elektroinstallation im Rohr verlegt) verursacht.

Mit der zunehmend dichteren Bauweise fehlen diese „na-türlichen“ Ausgleichsöffnungen immer mehr. Zunehmend dichtere Räume sind in Bezug auf ihre Raumdruckhaltung sehr schwierig zu regeln (siehe hierzu Abschnitt 6.1 ff). Um dies zu verhindern, werden bewusst defi nierte Über-strömöffnungen eingebaut, welche aber nicht zu schmal und scharfkantig sein dürfen, da dies zu Pfeifgeräuschen führen würde.

Muss bei abgeschalteter Anlage ein Luftwechsel in die fal-sche Richtung verhindert werden, so ist die Öffnung mit einer gewichts- oder federbelasteten Rückschlagklappe zu versehen.

1.7 Druckdifferenz gegenüber der Umgebung

In Anwendung der Strömungslehre verhält sich der Druck-abfall über das Raumleck nahezu quadratisch zum Durch-fl uss. Daher kann die resultierende Druckdifferenz ge-genüber der Umgebung infolge einer unausgeglichenen Volumenstrombilanz bestimmt werden. Erfolgt ein Aus-gleich über eine defi nierte Überströmöffnung, so ist der Widerstand des Überströmelementes mit dieser Druckdif-ferenz gleichzusetzen (siehe hierzu Bernoulli-Formel, Ab-schnitt 6.1 ff)

1.8 Raumdruckverhältnis bei unterschiedlichem Zu- und Abluftvolumenstrom

Soll z.B. ein permanenter Überdruck zur Umgebung auf-recht erhalten werden, so ist dementsprechend ein Luftü-berschuss einzuplanen. Der Abluftvolumenstromregler muss gegenüber dem Zuluftvolumenstromregler um den abströmenden Teil geringer ausgelegt werden. Die Volu-menstromdifferenz errechnet sich wie folgt:

Volumenstromdifferenz = Zuluft - Abluft

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Die Raumdruckregelung mit Volumenstromreglern ist nur bei ausreichend großem Raumleck geeignet, was durch das folgende Beispiel verdeutlicht wird:

Annahmen: Raumzuluft 1500 m³/hRaumbaluft 1360 m³/hVolumenstromdifferenz 140 m³/hRaumleckfl äche 0,01 m²Regelabweichung eines Reglers ± 5 %Konsolidierte Regelabweichungbeider Regler ± 7,5 %

Bei diesem Beispiel wird ersichtlich, dass nun ein Volu-menstrom von 140 m³/h durch „Undichtigkeiten“ entwei-chen muss. Die Größe der Öffnung bestimmt die resul-tierende Druckdifferenz gegenüber der Umgebung (ohne Berücksichtigung der Regelabweichung).

Berücksichtigt man die Regelungenauigkeit der Volumen-stromregler, so ist mit einer Schwankungsbreite (Differenz-Volumenstrom) von 140 m³/h +/- 112,5 m³/h zu rechnen. Daraus resultieren z.B. bei einer Öffnungsfl äche von 0,01 m² die in der Tabelle 7.1 aufgelisteten Druckschwankun-gen (siehe Diagramm 7.1 in Abschnitt 6).

Der Druckdifferenzbereich von 0,67 bis 56,9 Pa ist für eine stabile Raumdruckregelung nicht akzeptabel. Mögli-che Maßnahmen sind Vergrößerung des Raumlecks oder Regelung der Raumdruckhaltung über Raumdruckregler CRP (siehe Abschnitt 5.1 ff) bzw. bei kritischen Raum-druckregelungen mit sehr kleiner Raumleckfl äche über den patentierten volumenstrompriorisierten Raumdruck-regler VCP von SCHNEIDER.

2.0 Luftaustausch und Luftführung

Tabelle 7.2 zeigt den Luftwechsel bei verschiedenen Rein-raumklassen.

Ein Laborraum benötigt im Tagbetrieb typischerweise ei-nen 8-fachen Raumluftwechsel mit 25m³/(h x m²). Man er-kennt hier sofort die hohen Anforderungen der Reinräume mit Raumluftwechselraten von 20 bis 600, d.h. 2,5 bis 75 mal höheren Luftdurchsatz als bei Laborräumen.

Reinraumklassenach US-FS-209b

Volumenstrom[m³/(hxm²)]

Luftwechsel[Anzahl/h]

10 1.600-1.800 500-600100 1.600-1.800 500-600

1.000 700-1.100 200-30010.000 60-120 20-40

100.000 60 20

Alle Angaben sind grobe Richtwerte

Tabelle 7.2: Luftwechsel bei verschiedenen Reinraum- klassen

Je geringer die Partikelbelastung sein darf, desto häu-fi ger muss die Luft ausgetauscht werden!

2.1 Laminar Flow

Die grundliegende Idee der turbulenzarmen Verdrän-gungsströmung (Laminarströmung, engl. laminar fl ow) ist, dass Partikel mit den Strömungslinien mittransportiert werden. Da alle Strömungslinien von oben nach unten gerichtet sind, ist eine Querausbreitung der Partikel nicht möglich und Verunreinigungen werden sofort aus der Luft entfernt.

Zusammen mit einer in der Regel mehrstufi gen Filterung und großem Luftdurchsatz soll die Reinheit der Luft si-chergestellt werden.

� Die partikelbelastete Luft wird von der partikelarmen Luft verdrängt und durch den gelochten Boden ent-lang der Stromlinien abgeführt

� Die Strömungsgeschwindigkeit wird mit ca. 0,45 m/s ± 0,05 m/s möglichst hoch gewählt� Dadurch hohe Raumluftqualität möglich� Sehr kostenintensiv� Laminare Verdrängungsströmung und turbulente Mischströmung werden aus Kostengründen häufi g miteinander kombiniert

Volumen-strom Zuluft

[m³/h]

Differenz-Volumenstrom

[m³/h]

Druck-differenz

[Pa]VMIN 1500-112,5 27,5 0,67VMED 1500 140 17,5VMAX 1500+112,5 252,5 56,9

Tabelle 7.1: Druckschwankungen bei einem Raumleck von 0,01 m² und den gegebenen Werten

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2.2 Turbulente Mischströmung

Die grundliegende Idee der turbulenten Verdünnungs- oder Mischströmung basiert darauf, dass die gefi lterte Reinluft turbulent (verwirbelnd) in den Reinraum einge-führt wird und eine stetige Verdünnung der Partikelkon-zentration bewirkt.

� Die verdünnte Luft wird durch einen gelochten Boden abgeführt

� Turbulente Strömung führt zu einer höheren Verweil-dauer der partikelbelasteten Luft

� Daher ist die erzielte Reinheitsklasse im Vergleich zur laminaren Strömung schlechter

� Turbulente Mischströmung ist aber preiswerter als La-minarströmung

2.3 Prinzipieller Aufbau eines Reinraumes

Ein Überdruck von ca. 30 Pa im Reinraum verhindert das Eindringen von Partikeln. Personen- und Materialverkehr erfolgen über separate Schleusen. Dies ist notwendig, da das Personal sonst unnötigen Schmutz in den Reinraum bringt beziehungsweise durch Öffnen der Türen Schmutz „eingeweht“ werden kann.

Zudem muss der Raum aus Sicherheitsgründen von min-destens zwei, besser noch von drei Seiten von außen ein-zusehen sein.

Folgende Informationen müssen für die Planung eines Reinraumes defi niert sein:

� Reinraumklasse� Abmaße des Reinraumes� Anzahl der Personen die dauerhaft im Rein- raumbereich arbeiten� Zugangsmöglichkeit� Beleuchtung

Diese Angaben kommen vorwiegend vom Nutzer und wer-den vom Planer spezifi ziert.

Aus der Reinraumklasse ergibt sich die benötigte Filterde-ckenfl äche, zum Beispiel bei Reinraumklasse 7 nach DIN ISO 14644-1 eine Fläche von 10 - 20 % und eine Luft-wechselzahl von 133.

Mit dem Raumvolumen, der Personenanzahl und der Luft-wechselzahl wird der Zuluft- und Abluftvuftvolumenstrom errechnet.

2.3.1 Berechnung des Volumenstroms

Zur Berechnung des benötigten Volumenstroms für einen Reinraum der Klasse 7 gemäß DIN ISO 14644 werden folgende Annahmen getroffen:

Annahmen:Raumfl äche: 60 m²Raumvolumen: 210 m³ Der Norm entsprechend ergeben sich folgende Anforde-rungen:

Filterdeckenfl äche: 10…20%Luftwechselzahl: 133/h

Nach der Berechnungsformel:

ergibt sich

210 m³ x 133/h = 27.930 m³/h

Dass heisst, ein Reinraum mit der Raumfl äche von 60 m²und einer Raumhöhe von 3,50 m benötigt in der gefor-derten Reinraumklasse 7 gemäß DIN ISO 14644 einen Volumenstrom von 27.930 m³/h. Auf Grund des geforder-ten Überdrucks von 30 Pa ergibt sich bei einer bekannten Raumleckfl äche der Differenzvolumenstrom (siehe Dia-gramm 7.1 in Abschnitt 6) und der erforderliche Raumab-luftvolumenstrom.

Man erkennt jetzt schon, dass es schwierig ist, eine stabile Raumdruckhaltung von 30 Pa bei diesen hohen Volumen-strömen stabil auszuregeln.

Volumenstrom = Raumvolumen x Luftwechselzahl

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� S2- Labor In einem Labor mit der Sicherheitsstufe 2 werden gen-

technische Arbeiten verrichtet, bei denen nach dem Stand der Wissenschaft von einem geringen Risiko für die menschliche Gesundheit oder Umwelt auszu-gehen ist.

� S3- Labor In einem Labor mit der Sicherheitsstufe 3 ist von ei-

nem mäßigen Risiko für die menschliche Gesundheit oder Umwelt auszugehen. Bei der Sicherheitsstufe 3, also S3-Labor, handelt es sich beispielsweise um Ar-beiten, bei denen mit Erregern von Krankheiten mit mäßigem Risikopotenzial der Ansteckung zu rechnen ist.

� S4- Labor (hohes Risiko) S4-Labore sind gentechnische Arbeiten zuzuordnen,

es ist nach dem Stand der Wissenschaft von einem hohen Risiko oder dem begründeten Verdacht eines solchen Risikos für die menschliche Gesundheit oder Umwelt auszugehen. Im Bereich eines Gentechnikla-bors mit der Sicherheitsstufe S4 ist mit Erregern von Krankheiten (z.B. Ebola-Virus) zu rechnen, von denen ein hohes Ansteckungsrisiko ausgeht.

4.1 Raumdruck- und Volumenstromregler von SCHNEIDER

SCHNEIDER bietet komplette Systemlösungen zur Vo-lumenstrom- und Raumdruckregelung in Labor- und Reinraumanwendungen. Der Vorteil für den Anwender ist ein funktionierendes, sicheres, fl exibles und robustes Gesamtsystem ohne Kompatibilitätsprobleme. Auf Grund der hohen Anforderungen an die Raumdichtigkeit sollten generell auf der Zu- und Abluftseite Systeme mit Raum-druck- und Volumenstromreglern eingesetzt werden. So-mit ist eine sichere Einhaltung von Druckstufen, auch über mehrere Zonen, möglich.

Zur Raumdruck- und Volumenstromregelung werden fol-gende LabSystem-Produkte eingesetzt:

� Raumdruckregler CRP� Volumenstrompriorisierter Raumdruckregler VCP� Raumdrucküberwachung PM100� Variabler Volumenstromregler VAV

3.1 Reinraumklassen

Die Reinraumklassen A (hohes Risiko) bis D gelten für die Herstellung steriler Arzneimittelprodukte in Reinräumen.

Für die Herstellung steriler Produkte gelten besondere Anforderungen, um das Risiko einer Kontamination mit Mi-kroorganismen, Partikeln und Pyrogenen möglichst gering zu halten. Vieles hängt von der Fertigkeit, Schulung und dem Verhalten des betreffenden Personals ab. Die Quali-tätssicherung ist hier von besonderer Bedeutung und die Herstellung muss streng nach sorgfältig festgelegten und validierten Methoden und Verfahren erfolgen. Die Sterilität oder andere Qualitätsaspekte dürfen sich nicht alleine auf den letzten Herstellungsschritt oder die Prüfung des End-produktes stützen.

� Klasse A (hohes Risiko) Die lokale Zone für Arbeitsvorgänge mit hohem Risi-

ko, zum Beispiel Abfüllbereich, Stopfenbehälter, offe-ne Ampullen und Fläschchen, Herstellung aseptischer Verbindungen. Normalerweise werden solche Bedin-gungen durch ein laminares Luftströmungssystem si-chergestellt. Laminare Luftströmungssysteme sollten für eine gleichmäßige Luftströmungsgeschwindigkeit von 0,36-0,54 m/s (Richtwert) am Arbeitsplatz sorgen. Die Aufrechterhaltung der Laminarität sollte nachge-wiesen und validiert sein. Gerichtete Luftströmung und geringere Geschwindigkeiten können in geschlosse-nen Isolatoren und Handschuhboxen verwendet wer-den.

� Klasse B für aseptische Zubereitung und Abfüllung; dies ist die

Hintergrundumgebung für eine Zone der Klasse A.

� Klassen C und D Reine Bereiche für die weniger kritischen Schritte bei

der Herstellung steriler Produkte.

3.2 Klassifi zierung von Sicherheitslaboren nach GenTSV

Die GenTSV (Gentechnik-Sicherheitsverordnung) gilt für gentechnische Anlagen, d.h. für Einrichtungen, in denen gentechnische Arbeiten im geschlossenen System durch-geführt werden. Dabei werden physikalische Schranken verwendet, um den Kontakt der verwendeten Organismen mit Menschen und Umwelt zu begrenzen. Sicheres gen-technisches Arbeiten in Laboratorien wird durch geeigne-te biologische, technische und organisatorische Sicher-heitsmaßnahmen gewährleistet. Hierfür sind bauliche und technische Voraussetzungen für Laboratorien mit den Si-cherheitsstufen S1 bis S4 (hohes Risiko) vorgeschrieben. Im Speziellen wird auf die sichere Einhaltung von Druck-stufen über mehrere Zonen Wert gelegt.

� S1- Labor Im Gentechniklabor der Sicherheitsstufe 1 sind Ar-

beiten zuzuordnen, welche nach dem Stand der Wis-senschaft kein Risiko für die menschliche Gesundheit oder für die Umwelt sind.

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5.1 Raumdruckregler CRP

Raumdruckregler werden zur konstanten Druckhaltung eingesetzt, d.h. ein defi nierter Raumüber- oder Raumun-terdruck wird mittels Drosselabsperrklappe mit Stellantrieb autark ausgeregelt. Je nach Anwendungsfall vermeidet man dadurch das Eindringen bzw. Austreten von schad-stoffhaltiger oder ungereinigter Luft mit zu hohen Staub-anteilen. Laborräume werden daher standardmäßig im Unterdruck, Reinräume im Überdruck gehalten.

Es handelt sich dabei um ein mikroprozessor gesteuertes, schnelles Regelsystem für die konstante Druckregelung von Räumen. Ein schneller Regelalgorithmus vergleicht den konstanten Sollwert mit dem gemessenen Raumdruck des statischen Differenzdrucksensors und regelt schnell, präzise und stabil aus. Der konstante Raumunterdruck ist frei parametrierbar und wird spannungsausfallsicher im EEPROM gespeichert. Die Regelkurve wird, bezogen auf die Sollwertvorgabe, selbsttätig berechnet.

Bild 7.1: Raumdruckregler mit Drosselklappe aus Stahlblech

5.1.1 Regelgeschwindigkeit des CRP-Reglers

Bei der gesamten Anlagenplanung steht der Schutz für das Personal und für die Umwelt stets im Vordergrund. Raumdruckänderungen müssen dazu schnell erkannt und durch die erforderliche Zu- oder Abluft ausgeregelt wer-den, daher setzt SCHNEIDER permanent auf eine hohe Regelgeschwindigkeit. Die Ausregelzeit beträgt < 3 sec. Motorlaufzeit für einen Drehwinkel von 90° und ist von 3 s bis 24 s frei parametrierbar (Laufzeitverzögerung). Somit können die strengen Anforderungen des Anwenders und die gesetzlichen Bestimmungen erfüllt werden.

Der Raumdruckregler CRP erkennt automatisch das Öff-nen von Türen und Fenstern und verzögert selbsttätig die Ausregelung des geforderten Raumdrucks um eine para-metrierbare Zeit (0...240 s). Wird z.B. die Tür innerhalb dieser Zeit wieder geschlossen, fi ndet die Ausregelung erst nach dem Schließen der Tür wieder statt. Dieses neuartige Regelungskonzept von SCHNEIDER verringert unnötige Regelungszyklen und erhöht somit die Standzeit und Betriebssicherheit signifi kant. Auf Türkontakte kann bei langsamen Regelzeiten verzichtet werden.

5.1.2 Regelgenauigkeit des CRP-Reglers

Die Regelgenauigkeit eines Raumdruckreglers hängt im Wesentlichen vom Messbereich und von der Messgenauigkeit des statischen Differenzdrucksensors sowie von der Positionieraufl ösung des Stellmotors ab.

Um eine Positionieraufl ösung von < 0,5 ° zu erreichen, setzt SCHNEIDER konsequent auf die direkte Ansteuerung des Stellmotors (Fast-Direct-Drive) aus der Reglerelektronik. Neben der sehr guten Positionieraufl ösung wird zusätzlich ein schnelles und stabiles Regelverhalten erreicht.

Die Fast-Direct-Drive Ansteuerung hat wesentliche Vorteile gegenüber der analogen Motoransteuerung (0...10V DC), da die interne Steuerelektronik des analog (stetig) angesteuerten Stellmotors über eine Hysterese verfügt, die dazu führen kann, dass bei kleinen auszuregelnden Volumenstrom- oder Druckdifferenzen die Regelung schwingt.

Ein im Stellmotor (Fast-Direct-Drive) integriertes Rück-führungspotentiometer meldet den Istwert der aktuellen Drosselklappenstellung an die Regelelektronik und ein spezieller Regelalgorithmus “fährt” die benötigte Raumdruckhaltung ohne Überschwingen schnell und direkt an.

Bei Ansteuerung des Stellmotors wird gleichzeitig geprüft, ob auch eine tatsächliche Stellklappenverstellung (Damper-control) erfolgt. Dieses Regelkonzept mit integrierter Überwachungsfunktion des Stellmotors übertrifft die hohen Sicherheitskriterien, die an Raumdruckregelungen gestellt werden.

Die Positioniergenauigkeit eines stetig angesteuerten Stellmotors (0...10V DC) liegt bei ca. ± 1,0° was im Ver-gleich zum Fast-Direct-Drive Stellmotor von SCHNEIDER (Positioniergenauigkeit < 0,5°) eine wesentliche Ver-schlechterung der Positionieraufl ösung darstellt, d.h. bei einem stetig angesteuerten Stellmotor ist die Regelgenau-igkeit geringer und die Schwingungsneigung größer. Die-ses Verhalten wirkt sich natürlich bei der Raumdruckhal-tung von dichten Räumen negativ aus.

9



5.2 Raumdruckregelung mit CRP

5.2.1 Raumschema 1

Das in Bild 7.2 dargestellte Raumschema 1 zeigt eine Applikation mit jeweils konstanten Volumenstromreglern (CAV) für die Raumabluft der verschiedenen Räume.

Die Raumdruckregler CRP regeln selbsttätig den parame-trierbaren Raumüberdruck (+) für jeden Raum autark aus. In Tabelle 7.3 sind die parametrierten Werte und die Be-zugsmessung des statischen Differenz-Drucktransmitters dargestellt.

Der CRP der Schleuse misst und regelt die Druckdifferenz zwischen dem Flur (-) und der Schleuse (+), der CRP des Raums 1 misst und regelt die Druckdifferenz zwischen der Schleuse und dem Raum 1. Der Überdruck des Raums 1 folgt somit dem Überdruck der Schleuse mit einer Druck-differenz von +10 Pa. Der CRP des Raums 2 bezieht sich wieder direkt auf den Flur und hält einen konstanten Über-druck von +30 Pa.

Diese Ausführung ist nicht zu empfehlen, da die Raum-

druckhaltung sehr instabil ist, weil es bei einer Messung der Räume gegeneinander (z.B. Raum 1 gegen Schleuse) zu verstärkten Schwingungsneigungen kommt. Raum-druckänderungen z.B. der Schleuse wirken sich auf den Raum 1 aus.

Beliebige Bezugsmessungen und CRP-Konfi gurationen (Raumzuluft oder Raumabluft) sind, je nach Applikation, realisierbar, wobei aber immer die Regelstabilität (geringe Schwingungsneigung) in Betracht gezogen werden sollte.

Raum Bezugs-messung

gegen

parame- trierter

Wert [Pas-cal]

Druckdifferenz gegen Flur

(Atmosphäre) [Pascal]

Schleuse Flur +10 +10Raum 1 Schleuse +10 +20Raum 2 Flur +30 +30

Tabelle 7.3: Beispielwerte und Bezugsmessung Raumschema 1

Bild 7.2: Raumschema 1 Raumdruckregelung

Flur(-) = Unterdruck

Schleuse(+) = Überdruck

Rau

mab

luft

(kon

stan

t)

CAV

Rau

mab

luft

(kon

stan

t)

Raumzuluft(variabel)

CRP

- +dP

24V AC


CRP

- +dP

24V AC


CRP

- +dP

24V AC

CAV

CAV Rau

mab

luft

(kon

stan

t)

Raum 1(+) = Überdruckgegen Schleuse

Raum 2(+++) = Überdruck

gegen Flur

Instabile Raumdruckrege-lung von Raum 1 durch Messung gegen Schleuse

10



5.2.2 Raumschema 2

Das in Bild 7.3 dargestellte Raumschema 2 zeigt eine Applikation mit jeweils konstanten Volumenstromreglern (CAV) für die Raumabluft der verschiedenen Räume.

Die Raumdruckregler CRP regeln selbsttätig den parame-trierbaren Raumüberdruck (+) für jeden Raum autark aus. In Tabelle 7.4 sind die parametrierten Werte und die Be-zugsmessung des statischen Differenz-Drucktransmitters dargestellt.

Alle Raumdruckregler CRP sind auf der (-) = Unterdruck-Seite zusammengefasst und messen gegen einen ge-meinsamen Referenzpunkt. Diese bevorzugte Messart gewährleistet die beste Stabilität, wenn der Referenzraum bzw. Referenzpunkt folgende Bedingungen erfüllt:

� Druckstabiler, unbelüfteter Raum, ohne Volumen-strom- bzw. Druckregelung, ohne Windlast und ohne Verbindungen (z.B. Kabelkanäle, Elektrorohrleitungen etc.) zu ventilierten Räumen.

� Bei Referenzpunkten gegenüber der Aussenatmo-sphäre muß dieser frei vom dynamischen Winddruck und über ein pneumatisches RC-Glied ausreichend gedämpft sein.

Diese Ausführung ist aus der bereits erwähnten Rege-lungsstabilität dem Raumschema 1 vorzuziehen.

In beiden Raumschemata können die Konstantvolumen-stromregler (CAV) durch variable Volumenstromregler ersetzt werden, wenn variable Raumluftwechselraten ge-fordert sind. So werden z.B. in Räumen mit Tierbelegung, je nach Nutzung, 12 bis 30-fache Raumluftwechselraten benötigt.

Die Raumluftwechselrate wird z.B. über die GLT (analog oder über den Feldbus) vorgegeben und die Raumzuluft folgt autark, um die geforderte Raumdruckhaltung zu ge-währleisten. Ebenso ist eine umschaltbare Raumdruck-haltung (z.B. von 10 Pa auf 25 Pa) denkbar.

SCHNEIDER verfügt auf diesem Anwendungsgebiet über ein umfangreiches Know how und erstklassige Referen-zen.

Raum Bezugsmes-sung gegen gemeinsame

Referenz

parame- trierter Wert

[Pascal]



Schleuse Ja +10 +10Raum 1 Ja +20 +20Raum 2 Ja +30 +30

Schleuse(+) = Überdruck

gegen gemeinsamenReferenzpunkt

Rau

mab

luft

(kon

stan

t)

CAV

Rau

mab

luft

(kon

stan

t)


CRP

- +dP

24V AC


CRP

- +dP

24V AC


CRP

- +dP

24V AC

CAV

CAV Rau

mab

luft

(kon

stan

t)

Raum 1(++) = Überdruck


Gemeinsamer(-) = Referenzpunkt

Raum 2(+++) = Überdruck


Bild 7.3: Raumschema 2 Raumdruckregelung

Tabelle 7.4: Beispielwerte und Bezugsmessung Raumschema 2

11



6.2.1 Berechnung der Druckdifferenz ∆p

Mit der Bernoulli-Formel wird die Druckdifferenz gegenü-ber der Umgebung berechnet:

Bernoulli-Formel:

Δp = Druckdifferenz [Pa] ρ = Spezifische Dichte [kg/m³]

= Volumenstromdifferenz Zuluft - Abluft [m³/h] A = Raumleckfläche [m²] μ = Ausflussbeiwert = 0,72 (scharfkantige Öffnung)

Die Formel zeigt sehr anschaulich die Einflüsse der Vo-lumenstromdifferenz und des Raumlecks auf den Druck-abfall ∆p. Der Druckabfall über das Raumleck verhält sich quadratisch zur Volumenstromdifferenz (Zuluft - Abluft). Je ungenauer die Volumenstromdifferenz ausgeregelt wird oder je kleiner das Raumleck ist, umso größer wird der Druckabfall und kann sehr schnell dramatische Werte an-nehmen (bei Raumleck → 0 folgt Δp → ∞).

Bei einem sehr kleinen Raumleck (Raumleck eines ideal dichten Raumes = 0 m²) ergeben sich sehr hohe Druck-werte, die maximal bis zu den Kanaldruckwerten reichen können (z.B. 400 Pa), da der ideal dichte Raum wie ein Kanal betrachtet werden muss.

Das bedeutet, dass bei einer Druckdifferenz von 400 Pa z.B. auf eine Tür eine Kraft von ca. 80 kg wirken können, d.h. sie kann nicht mehr geöffnet werden oder hält nicht mehr in der Türrahmenverankerung (je nach Über- oder Unterdruck).

6.2.2 Einfluss der Regeltoleranz eines Volumen- stromreglers

Die Regelabweichung (Genauigkeit) eines Volumenstrom-reglers liegt bei typisch ± 5 %. Bei überdimensionierten Volumenstromreglern und/oder ungünstiger Einbausitu-ation (ungünstige oder zu geringe Anströmstrecke des Messsystems) kann die Regelabweichung noch größere Werte annehmen. Es soll nun der Zusammenhang zwi-schen Regeltoleranz, Raumleckfläche und dem Raum-druck berechnet werden.

6.1 Regelung von dichten Räumen

Dichte Räume (Reinräume) und Sicherheitslabors unter-liegen, je nach Sicherheitsklasse und damit der Raum-dichtheit, bestimmten Anforderungen in Bezug auf die Re-gelungstechnik. Dazu gehören:

� Schnelle Raumdruckhaltung bei ev. auftretenden Störgrößen, wie z.B. Kanaldruckschwankungen oder das Öffnen bzw. Schließen von Türen.

� Stabile Raumdruckhaltung ohne Über- und Unter-schwingungen.

� Stellmotor mit möglichst kleiner Hysterese oder bes-ser ohne Hysterese und hoher Positioniergenauigkeit(Fast-Direct-Drive von SCHNEIDER).

� Präzise und genaue Raumdruckregelung.

� Auswahl eines geeigneten Referenzraumes bzw. Re-ferenzpunktes (wie unter 5.2.2 beschrieben).

� Kurze Raumdruckmessleitungen, um die Ausregelzeit des Reglers nicht durch unerwünschte RC-Glieder zu verlangsamen.

� Die Raumdruckhaltung in dichten Räumen muß mit einer Raumdruckregelung erfolgen.

� Volumenstromregelungen (bei Raumüberdruck gilt: Zuluftvolumenstrom > Abluftvolumenstrom) sind un-geeignet.

6.2 Raumdruckverhältnisse eines volumenstromgeregelten dichten Raumes

Die Raumdruckhaltung eines dichten Raumes (ohne Le-ckagen) über Volumenstromregler führt zu gravierenden Problemen, da die erforderliche Regelgenauigkeit nicht erreicht werden kann.

Das nachfolgende Berechnungsbeispiel zeigt den Zu-sammenhang zwischen Volumenstromregelung und dem Druckanstieg in einem dichten Raum.

7,00

m

VAV oder CAV

Reinraum(+) = Überdruck

VAV oder CAV

7,00 m

Raumhöhe = 3,06 mRaumvolumen = 150 m3

Raumzuluft 1.500 m3/h Raumabluft 1.300 m3/h

Raumleck200 m3/h

Eine Druckdifferenz von 400 Pa entspricht einer Kraft von 40 kg/m²

Bild 7.4: Raumdruckregelung mit Volumenstromreglern

Δp =ρ

2

2 VDIFFERENZ

A μ 3600

•

VDIFFERENZ•

12



6.2.3 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,001 m² (10 cm²) bei gleichem Zuluft- und Abluftvolumenstrom

Die Fläche von 10 cm² entspricht einem quadratischen Raumleck mit einer Seitenlänge von 3,16 x 3,16 cm oder einem rechteckigen Raumleck von 1 mm x 1 m, was ei-nem Türspalt von ca. 1mm entspricht.

Gegeben:

Raumvolumen: 150 m³Kanaldruck Zuluft/Abluft: 400 PaRaumleckfläche: 0,001 m² (10 cm²)Raumluftwechsel 10-fach: 1500 m³/hVolumenstrom Zuluft: 1500 m³/hVolumenstrom Abluft: 1500 m³/hRegeltoleranz eines Reglers: ± 5 %Regeltoleranz beider Regler: < ± 7,5 %

Berechnung des maximalen Fehlers (Volumenstromdiffe-renz):

Nach der Bernoulli-Formel ergibt sich eine theoretische Druckdifferenz (Raum zur Umgebung) von:

Da die errechnete Druckdifferenz (1.130,28 Pa) den tat-sächlichen Kanaldruck nicht überschreiten kann, ist hier als Maximalwert 400 Pa anzusetzen.

Dieses Beispiel zeigt sehr deutlich, dass eine Druckrege-lung mit Volumenstromreglern und den gegebenen Regel-toleranzen (± 5 %) sowie der gegebenen Raumleckfläche (10 cm²) nicht möglich ist.

6.2.4 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,01 m² (100 cm²) bei gleichem Zuluft- und Abluftvolumenstrom

Wird die Raumleckfläche um das 10-fache auf 100 cm² vergrößert, so entspricht dies einem quadratischen Raum-leck mit einer Seitenlänge von 10 x 10 cm oder einem rechteckigen Raumleck von 1 cm x 1 m, was einem Tür-spalt von ca. 1 cm entspricht.

Mit den unter 6.2.3 gegebenen Werten ergibt sich nach der Bernoulli-Formel folgende Druckdifferenz:

Die errechnete Druckdifferenz von ± 11,3 Pa bedeutet, dass allein auf Grund der Fehlertoleranz der Volumen-stromregler der Raumdruck nicht zuverlässig auf z.B. 10 Pa gehalten werden kann.

Das Diagramm 7.1 ist die graphische Darstellung der Bernoulli-Formel und beschreibt den Raumdruck = f (Vo-lumenstrom). Hier erkennt man sehr anschaulich den Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz (Raum zur Umgebung), der Volumenstromdifferenz (Zuluft-Abluft) und der Raumleckfläche.

7,5 1500 • —— = ± 112,5 m³/h 100

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

20 40 60 80 100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

0,00

1 m

2

0,00

2 m

2

0,00

5 m

2

0,01

m2

0,02 m2

VDIFFERENZ [m3/h]

Dru

ckdi

ffere

nz[P

a]

Δp =1,2

2112,5

0,001 0,72 3600

2

= 1.130,28 Pa

Δp =1,2

2112,5

0,01 0,72 3600

2

= 11,30 Pa

Diagramm 7.1: Raumdruck = f(Volumenstrom)

13



6.2.5 Rechenbeispiel für einen definierten Raum- überdruck von 10 Pa mit einem Raumleck von 0,01 m² (100 cm²)

Soll ein Raumüberdruck von 10 Pa nicht unterschritten werden, so ergibt sich bei der gegebenen Raumleckflä-che von 100 cm² aus dem Diagramm 7.1 ein Differenzvo-lumenstrom von:

Zuluft - Abluft = 107 m³/h

Unter Berücksichtigung der maximalen Regeltoleranz von ± 112,5 m³/h ergibt sich ein praktisch auszuregelnder Wert für den Zuluft-Volumenstromregler von:

Gegeben:

Raumvolumen: 150 m³Kanaldruck Zuluft/Abluft: 400 PaRaumleckfläche: 0,01 m² (100 cm²)Raumluftwechsel 10-fach: 1500 m³/hVolumenstrom Zuluft: 1719,5 m³/hVolumenstrom Abluft: 1500 m³/hRegeltoleranz eines Reglers: ± 5 %Regeltoleranz beider Regler: < ± 7,5 %

Unter Berücksichtigung des maximalen Fehlers können sich folgende Werte einstellen:

Volumen-strom Zuluft

[m³/h]

Differenz-Volumenstrom

[m³/h]

Druck-differenz

[Pa]VMIN 1607 107 10VMAX 1832 332 98

Dieses Beispiel zeigt sehr deutlich, dass eine Druckrege-lung mit Volumenstromreglern und den gegebenen Regel-toleranzen (± 5 %) sowie der gegebenen Raumleckfläche (100 cm²) nicht möglich ist, da hier der Raumdruck zwischen 10 bis 98 Pa liegen würde, was natürlich nicht akzeptabel wäre.

Erst bei einer Raumleckfläche von 0,1 m² (1000 cm²), was einem quadratischen Raumleck mit einer Seitenlänge von 31,6 x 31,6 cm oder einem rechteckigen Raumleck von 10 cm x 1 m stellt sich bei einem Differenz-Volumenstrom von 332 m³/h bei den gegebenen Werten eine Druckdifferenz von ca. 1 Pa ein, was zu vernachlässigen ist.

6.2.6 Fazit Raumdruckregelung mit Volumen- stromreglern

Eine Raumdruckregelung mit Volumenstromreglern ist erst ab einer ausreichend großen Raumleckfl äche im Verhält-nis zu einem kleinen Differenz-Volumenstrom möglich.

Bei einem 20- oder 30 fachen Raumluftwechsel wird das Problem der Raumdruckhaltung noch gravierender.

Bei einer kleinen Raumleckfl äche muss der Raumdruck unbedingt mit einer Raumdruckregelung konstant ausge-regelt werden.

SCHNEIDER bietet hier die Produkte CRP (konstanter Raumdruckregler) für die einfachen Raumdruckhaltungs-anwendungen und den patentierten volumenstromprio-risierten Raumdruckregler VCP für die anspruchsvollen Anwendungen in dichten Räumen mit sehr kleinen Raum-leckfl ächen.

6.3 Raumdruckregelung eines dichten Raumes

Die Raumdruckregelung in einfachen Raumdruckhal-tungsanwendungen efolgt mit dem CRP (konstanter Raumdruckregler). Allerdings erreicht man hier sehr schnell seine Grenzen, wenn dichte Räume mit kleinen Raumleckfl ächen geregelt werden sollen.

Entscheidend für die Regelgenauigkeit ist der benötigte Volumenstrom (Raumluftwechselrate), die richtige Dimen-sionierung und die Regelgenauigkeit des Raumdruckreg-lers sowie die Positioniergenauigkeit des Stellklappenmo-tors

Der Zuluft-Volumenstrom, d.h. die Raumluftwechselra-te wird in diesem Beispiel über den Volumenstromregler geregelt (z.B. 20-facher Raumluftwechsel). Für diese Be-trachtung gelten die bereits bekannten Raumdaten. Der Raumdruckregler CRP folgt der Zuluft und soll einen kon-stante Raumüberdruck von 10 Pa ausregeln.

VZULUFT = 1500 + 107 + 112,5 = 1719,5 m³/h•

CRP-ARaumzuluft

(Volumenstrom) Raumabluft(druckgeregelt)



VAV-A

-+ dP

24V AC

24V AC

Legende:

CRP-A = Raumdruckregelung VAV-A = Volumenstromregler Zuluft

2 4V AC = 24V AC bauseitige Versor- gungsspannung für Raum- druckregler CRP-A und Volumenstromregler VAV-A

Bild 7.5: Raumdruckregelung mit Raumdruckregler

14



6.3.1 Einfluss der Regeltoleranz eines Raum- druckreglers

Die Regelabweichung (Genauigkeit) eines Raumdruckreg-lers hängt im Wesentlichen von der Positioniergenauigkeit des Stellklappemotors (Auflösung) und des auszuregeln-den Volumenstromes ab.

Die Auflösung eines elektrischen Stellklappenmotors liegt bei typisch ± 1 °. Bei ungenauen Differenz-Drucktrans-mittern oder ungünstiger Referenzpunktmessung kann die Regelabweichung noch größere Werte annehmen. Es soll nun der Zusammenhang zwischen Regeltoleranz, Raum-leckfläche und dem Raumdruck berechnet werden.

6.3.2 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,001 m² (10 cm²) bei konstantem Zuluft- volumenstrom und Raumdruckregler

Die Fläche von 10 cm² entspricht einem quadratischen Raumleck mit einer Seitenlänge von 3,16 x 3,16 cm oder einem rechteckigen Raumleck von 1 mm x 1 m, was ei-nem Türspalt von ca. 1mm entspricht.

Gegeben:

Raumvolumen: 150 m³Kanaldruck Zuluft/Abluft: 400 PaRaumleckfläche: 0,001 m² (10 cm²)Raumluftwechsel 20-fach: 3000 m³/hVolumenstrom Zuluft: 3000 m³/hRaumüberdruck: 10 PaVolumenstrom Abluft: 3000 m³/h - xRegeltoleranz des Raumdruck-reglers: ± 1 °

Berechnung des maximalen Fehlers:

Für die vereinfachte Betrachtung wird hier ein linearer Fehler von 90 Schritten mit jeweils 1° angenommen. Bei genauer Betrachtung muss hier noch der Sinus für die je-weilige Klappenstellung mit einbezogen werden.

Nach der Bernoulli-Formel ergibt sich eine theoretische Druckdifferenz von:

Die errechnete Druckdifferenz (± 99 Pa) zeigt den ma-ximal möglichen Fehler und verdeutlicht zugleich, dass eine Druckregelung mit dem Raumdruckregler und den gegebenen Regeltoleranzen (± 1 °) sowie der gegebenen Raumleckfläche (10 cm²) bei einer 20-fachen Raumluft-wechselrate nicht möglich ist.

6.3.3 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,01 m² (100 cm²) bei konstantem Zuluft- volumenstrom und Raumdruckregler

Wird die Raumleckfläche um das 10-fache auf 100 cm² vergrößert, so entspricht dies einem quadratischen Raum-leck mit einer Seitenlänge von 10 x 10 cm oder einem rechteckigen Raumleck von 1 cm x 1 m, was einem Tür-spalt von ca. 1 cm entspricht.

Mit den unter 6.3.2 gegebenen Werten ergibt sich nach der Bernoulli-Formel folgende Druckdifferenz:

Die errechnete Druckdifferenz von ± 0,99 Pa bedeutet, dass bei der gegebenen Raumleckfläche eine Raumdruck-regelung mit einer Fehlertoleranz von ± 0,99 Pa möglich ist. Bei Verkleinerung der Raumleckfläche auf z.B. 50 cm² ist mit einer Fehlertoleranz von ± 4 Pa zu rechnen und somit nicht mehr geeignet einen Raumdruck von 10 Pa mit ausreichender Genauigkeit auszuregeln.

6.4 Raumdruckregler CRP mit doppelter Regelgenauigkeit

Durch die einzigartige direkte Ansteuerung des Stellmotors (Fast-Direct-Drive) aus der Reglerelektronik erreicht SCHNEIDER mit dem Raumdruckregler CRP eine Positionieraufl ösung des Stellmotors < 0,5 °. Neben der sehr guten Positionieraufl ösung wird zusätzlich ein schnelles, stabiles und hysteresefreies Regelverhalten erreicht.

Die Berechnung des maximalen Fehlers bei Einsatz eines CRP ergibt sich wie folgt:

Mit dem Raumdruckregler CRP wird bei der unter 6.3.3 auf 50 cm² reduzierten Raumleckfläche die Fehlertoleranz von ± 4 Pa auf ± 1 Pa reduziert. Somit wird bei den gegebenen Bedingungen und bei Einsatz eines CRP-Raumdruckreg-lers von SCHNEIDER der gewünschte Raumdruck von 10 Pa mit ausreichender Genauigkeit ausgeregelt.

3000 ——— = ± 33,3 m³/h 90°/1°

3000 ——— = ± 16,67 m³/h 90°/0,5°

Δp =1,2

2 33,3

0,001 0,72 3600

2

= 99 Pa

Δp =1,2

2 33,3

0,01 0,72 3600

2

= 0,99 Pa

15



Dieses Berechnungsbeispiel zeigt sehr deutlich, dass die Positioniergenauigkeit des Stellklappenmotors die Regel-genauigkeit und Stabilität des Systems wesentlich beein-fl usst.

6.5 Betrachtung der Regelgeschwindigkeit des Raumdruckreglers CRP

Für die Betrachung des Druckanstiegs über die Zeit in einem absolut dichten Raum werden wieder die bereits bekannten Annahmen getroffen.

Gegeben:

Raumvolumen: 150 m³Kanaldruck Zuluft: 400 PaKanaldruck Abluft: 300 PaRaumleckfläche: 0 (absolut dicht)Raumluftwechsel 20-fach: 3000 m³/hVolumenstrom Zuluft: 3000 m³/hRegeltoleranz des Raumdruck-reglers CRP: ± 0,5 °Regelabweichung CRP: ± 16,67 m³/h

Der Druckanstieg = f(Zeit) wird mit folgender Formel berechnet:

Bei einer Regelabweichung von 16,67 m³/h erfolgt ein Druckanstieg von 3,1 Pa/s (siehe Diagramm Druckanstieg = f (Zeit), Diagramm 7.2).

Damit ist der Zusammenhang der Regelgeschwindigkeit auf die Regelgenauigkeit sehr deutlich dargestellt. Benö-tigt der Regler z.B. eine Ausregelzeit von 10 s, beträgt die Regelabweichung bereits 31 Pa, was natürlich nicht ak-zeptabel wäre.

Die Raumdruckregler CRP von SCHNEIDER benötigen eine Regelzeit < 1 s um die Regelabweichung auszure-geln. Es ist bei der Planung einer Raumdruckregelung unbedingt darauf zu achten, dass dieser Wert nicht we-sentlich überschritten wird.

Bei langsamen Raumdruckreglern würde nach 129 s der Raumdruck den Kanaldruck von 400 Pa (400/3,1 = 129) erreichen, was nochmals die Wichtigkeit eines schnellen Raumdruckreglers verdeutlicht.

pATMOSPHÄRE • (VRAUM+V)pDRUCKANSTIEG = —————————— – pATMOSPHÄRE

VRAUM

•

101325 Pa • (150 m³ + 0,0046 m³/s)pDRUCKANSTIEG = ————————————————— – 101325 Pa 150 m³

= 3,1 Pa/s ========

16,67 m³/h / 3600 = 0,0046 m³/s

Diagramm 7.2: Druckanstieg = f (Zeit)

5

10

15

20

25

30

2 4 6 8 10

Zeit [s]

Dru

ckdi

ffere

nz[P

a]

16



6.6 Regelung von dichten Räumen mit dem volumenstrompriorisierten Raumdruck- regler VCP

Wie bereits in den vorhergehenden Berechnungsbeispiel (siehe 6.3.2) aufgezeigt, kann selbst mit dem Raumdruck-regler CRP ein sehr dichter Raum mit einer Raumleckflä-che von 0,001 m² (10 cm²) nicht ausreichend genau aus-geregelt werden.

Der maximal mögliche Fehler beträgt hier ± 24,8 Pa bei den gegebenen Regeltoleranzen (± 0,5 ° = ± 16,67 m³/h bei einer 20-fachen Raumluftwechselrate vom 3000 m³) sowie der gegebenen Raumleckfläche (10 cm²).

SCHNEIDER bietet für derart anspruchsvolle Anwendun-gen den patentierten volumenstrompriorisierten Raum-druckregler VCP an.

Das Prinzip ist hierbei, dass die Regelung des Abluftvo-lumenstromes über einen eigenen Regelkreis und die Raumdruckregelung über einen zweiten Bypassregelkreis erfolgt. Beide Regelkreise kommunizieren miteinander und werden in Abhängigkeit des erforderlichen Drucks und des Volumenstroms vom VCP optimal miteinander verknüpft. Ein gegeneinander Regeln, wie bei voneinander unabhän-gigen Reglern üblich, wird hier vermieden. Ein gegenseiti-ges Schwingen und instabiles Regelverhalten wird durch dieses neuartige Konzept sehr effektiv vermieden.

6.6.1 Rechenbeispiel mit einem Raumleck von 0,001 m² (10 cm²) bei konstantem Zuluft- volumenstrom und volumenstrompriorisierten Raumdruckregler VCP

Für die Raumdruckregelung eines dichten Raumes gelten wieder die bereits bekannten Annahmen:

Gegeben:

Raumvolumen: 150 m³Kanaldruck Zuluft: 400 PaKanaldruck Abluft: 300 PaRaumleckfläche: 0,001 m² (10 cm²)Raumluftwechsel 20-fach: 3000 m³/hVolumenstrom Zuluft: 3000 m³/hVolumenstrom Abluft: 3000 m³/hRegeltoleranz eines Volumenstromreglers: ± 4 %Regeltoleranz beider Volumenstromregler: < ± 6 %Raumüberdruck: 10 PaVolumenstrom Abluft: 3000 m³/h - xRegeltoleranz des Raumdruck-reglers VCP (Bypass): ± 0,5 °Regelabweichung VCP Bypass): ± 1 m³/h

Berechnung des maximalen Fehlers: Die Regelabweichung des Zuluftvolumenstromreglers und des Abluftvolumenstromreglers des VCP (1. Regel-kreis) beträgt zusammen ± 5 % oder ± 150 m³/h. Daraus folgt, dass der Raumdruckregelkreis des VCP (2. Regel-kreis) max. 150 m³ regeln muss, um den Raumdruck von 10 Pa auszuregeln.

Nach der Bernoulli-Formel ergibt sich nun eine theoreti-sche Druckdifferenz von:

Die Regelabweichung von 0,09 Pa ist mar-ginal und bedeutet, dass bei dem Volumen-strom von 3000 m³/h und der Raumleck-fläche von 10 cm² die Raumdruckregelung eine Fehlertoleranz von nur ± 0.09 Pa hat. Dies ist ein hervorragender Wert und mit ei-nem elektronischem Regler derzeit nur mit dem VCP realisierbar.

VCP-A


Raumabluft(druckgeregelt)



VAV-A

-+ dP

24V AC

Gebäudeleittechnik

Kabeltyp: IY(St)Y 4x2x0,8

24V AC


Legende:

VCP-A = Volumenstrompriorisierte Raum- druckregelung, Analogeingang 0(2)...10V DC für Volumenstromsollwert

VAV-A = Volumenstromregler Zuluft, variabel, Analogeingang 0(2)...10V DC für Volumenstromsollwert

24V AC = 24V AC bauseitige Versorgungs- spannung für Raumdruckregler VCP-A und Volumenstromregler VAV-ARaumabluft

(volumenstromgeregelt)

Bild 7.6: Volumenstrompriorisierter Raumdruck- regler VCP

180 ——— = ± 1 m³/h 90°/0,5°

Δp =1,2

2 1

0,001 0,72 3600

2

= 0,09 Pa

17



7.1 Volumenstrompriorisierter Raumdruck- regler VCP

Die Bypassregelung für dichte Laboratorien und Reinräu-me Typ VCP ist ein schnelles Regelsystem für eine pri-orisierte Regelung von Raumzuluft- und Raumabluftvo-lumenströmen mit internem zweitem Regelkreis für eine konstante Druckregelung. Dieses volumenstrompriorisier-te Regelsystem in runder Bauform sorgt mikroprozessor-gesteuert für einen gleichmäßigen Raumdruck in Labora-torien (S1-S3), Reinräumen (Klasse A-D), Tierställen und Schleusen.

Ein schneller Regelalgorithmus vergleicht den Sollwert mit dem gemessenen Istwert eines statischen Differenz-Drucktransmitters und regelt den Volumenstrom unabhän-gig gegenüber Druckschwankungen im Kanalnetz, aus.

Ein zweiter interner Regelkreis sorgt gleichzeitig dafür, dass der vorgegebene Raumdruck über eine im Bypass angeordnete weitere Stellklappe mit Stellantrieb ausgere-gelt wird. Der Volumenstrom wird solange innerhalb para-metrierbarer Grenzen (VMIN und VMAX) geschoben, bis der gewünschte Raumdruck ausgeregelt werden kann. Der externe Raumdrucktransmitter misst kontinuierlich den Raumdruck und stellt dem Regler das Analogsignal zur Verfügung. Der parametrierte, konstante Raumunter- oder Raumüberdruck wird somit eingehalten. Die Regelkurve wird, bezogen auf die externe Sollwertvorgabe (0)2…10 V DC selbsttätig berechnet. Störungen (z.B. Sollvolumen-strom wird nicht erreicht) werden erkannt und mit dem Störmelderelais signalisiert.

Alle parametrierten Werte werden spannungsausfallsicher im EEPROM gespeichert.

Die beiden 3-Punkt-Antriebe ohne Hysterese sind als schnelllaufende Stellantriebe mit direkter Ansteuerung (Direct Drive Modus) und integrierter Stellwinkelerfassung der Klappenposition ausgeführt und benötigen für 90 ° Drehwinkel nur 3 Sekunden. Die schnelle und stabile Re-gelung wird durch die Verwendung von nur einem Regler für zwei miteinander optimal betriebene Regelkreise und

die direkte Ansteuerungn der beiden Stellmotoren unter-stützt.Die verwendeten wartungsarmen Stellklappen sind nach DIN 1946 T4 und EN 1751 T2 luftdicht schließend und mit alterungsbeständigem, silikonfreiem Dichtungsgummi ausgeführt.

Optional kann der volumenstrompriorisierte Raumdruck-regler VCP mittels eines Feldbusmoduls vernetzt wer-den, um einen direkten Zugriff der Gebäudeleittechnik zu ermöglichen. Es sind die Feldbusse BACnet, LON oder Modbus nachrüstbar.

7.1.1 Regelgeschwindigkeit des VCP-Reglers


Der volumenstrompriorisierte Raumdruckregler VCP er-kennt automatisch das Öffnen von Türen und Fenstern und verzögert selbsttätig die Ausregelung des geforder-ten Raumdrucks um eine parametrierbare Zeit (0...240 s). Wird z.B. die Tür innerhalb dieser Zeit wieder geschlos-sen, fi ndet die Ausregelung erst nach dem Schließen der Tür wieder statt. Dieses neuartige Regelungskonzept von SCHNEIDER verringert unnötige Regelungszyklen und erhöht somit die Standzeit und Betriebssicherheit signi-fi kant. Auf Türkontakte kann bei langsamen Regelzeiten verzichtet werden.

7.1.2 Regelgenauigkeit des VCP-Reglers

Die Regelgenauigkeit eines Raumdruckreglers hängt im Wesentlichen vom Messbereich und von der Messgenauigkeit des statischen Differenzdrucksensors sowie von der Positionieraufl ösung des Stellmotors ab.


Die Regelgenauigkeit ist in diesem Kapitel, Abschnitt 6.1 bis 6.6.1 detailliert beschrieben und kann dort nachvollzo-gen werden.

Bild 7.7: Volumenstrompriorisierter Raumdruck- regler VCP mit Drosselklappen aus Stahlblech

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7.1.3 Raumschema VCP

Das in Bild 7.8 dargestellte Raumschema VCP zeigt eine Applikation mit variablen Volumenstromreglern (VAV) für die Raumzuluft der verschiedenen Räume.

Der Raumdruckregler CRP-L regelt selbsttätig den para-metrierbaren Raumüberdruck (+) für den nicht kritischen Raum (Schleuse) autark aus. Der CRP sollte aber nur ein-gesetzt werde, wenn eine entsprechend große Raumleck-fl äche vorhanden ist.

Der volumenstrompriorisierte Raumdruckregler VCP wird in den Räumen 1 und 2 eingesetzt, da diese nur über eine sehr kleine Raumleckfl äche verfügen (z.B. Raumleck-fl äche = 0,001 m ²) und eine hohe Raumluftwechselrate

gefordert ist. In Tabelle 7.5 sind die parametrierten Werte und die Bezugsmessung des statischen Differenz-Druck-transmitters dargestellt.

Alle Raumdruckregler CRP und die Raumdruckregler des VCP sind auf der (-) = Unterdruck-Seite zusammengefasst und messen gegen einen gemeinsamen Referenzpunkt, der die in Abschnitt 5.2.2 bereits aufgelisteten Bedingun-gen erfüllen muss, um eine stabile Regelung zu gewähr-leisten.

Um variable Raumluftwechselraten zu realisieren, sind in diesem Raumschema komplett variable Volumenstrom-regler eingeplant,. So werden z.B. in Räumen mit Tierbe-legung, je nach Nutzung, 12 bis 30-fache Raumluftwech-selraten benötigt.


Schleuse(+) = Überdruck gegen Flur

Raum 1(++) = Überdruck gegen Flur

Raum 2(+++) = Überdruck gegen Flur


VAV-L

24V AC

VCP-L


-+ dP

24V AC

Raumabluft(volumenstromgeregelt)

CRP-L


-+

dP24V AC


VAV-L

24V AC


VAV-L

24V ACVCP-L


-+ dP

24V AC

Raumabluft(volumenstromgeregelt)

Gebäudeleittechnik

R


LON-NETZWERK, FTT-10A, LON A/B

Legende:

CRP-L = Raumdruckregelung, LONVAV-L = Volumenstromregler Zuluft, variabel,

LONR = Abschlusswiderstand, LON-Netzwerk24V AC = 24V AC bauseitige Versorgungs-

spannung für Raumdruckregler CRP-L und Volumenstromregler VAV-L

Achtung! Leitungen für LON A/B müssen paarig miteinander verdrillt sein.

Bild 7.8: Raumschema VCP Raumdruckregelung

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Diese nutzungsabhängigen Volumenströme (Raum-luftwechsel) und Raumdruckhaltung werden in diesem Schema von der GLT über das LON-Netzwerk an die ent-sprechenden Regler vorgegeben und der druckgeregelte Anteil der Raumabluft wird autark ausgeregelt, um die ge-forderte Raumdruckhaltung zu gewährleisten. Ebenso ist eine umschaltbare Raumdruckhaltung (z.B. von 10 Pa auf 25 Pa) denkbar.

Der patentierte volumenstrompriorisierte Raumdruckregler VCP von SCHNEIDER kann auf Grund der Regelstrategie von zwei miteinander kommunizierenden Regelkreisen selbst bei hohen Raumluftwechselraten und sehr kleiner Raumleckfl äche den Raumdruck präzise und stabil aus-regeln.

Die beiden Regelkreise (Volumenstrom und Raumdruck) werden von einem gemeinsamen Mikroprocessor im Multitasking-Betrieb angesteuert. Sie sind aufeinander abgestimmt und suchen sich selbsttätig den optimierten Regel- und Betriebsbereich. Da die beiden Regelkrei-se miteinander kommunizieren, wird ein gegeneinander Regeln, wie bei zwei voneinander unabhängigen Regel-kreisen üblich, vermieden. Ein gegenseitiges Schwingen und instabiles Regelverhalten wird durch dieses neuartige Konzept sehr effektiv vermieden.

SCHNEIDER verfügt auf diesem Anwendungsgebiet über ein umfangreiches Know how und erstklassige Referen-zen.

Das Bild 7.9 zeigt verschiedene verschiedene Duchmes-ser des volumenstrompriorisierten Raumdruckreglers VCP mit den mechanischen Abmessungen. Der Volumenstrom-regler (erster Regelkreis) befi ndet sich auf dem Hauptrohr und der Raumdruckregler (zweiter Regelkreis) befi ndet sich auf dem Bypassregler.

Raum Bezugsmes-sung gegen gemeinsame

Referenz

parame- trierter Wert

[Pascal]



Schleuse Ja +10 +10Raum 1 Ja +20 +20Raum 2 Ja +30 +30

Tabelle 7.5: Beispielwerte und Bezugsmessung Raumschema VCP

Bild 7.9: Mechanische Abmessungen des volumenstrompriorisierten Raumdruckreglers VCP

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PM100-L-1-W-2

DIS220

8.1 Raumdrucküberwachung PM100

Einsatz als Raumdrucküberwachung für Räume die eine konstante Raumdruckhaltung erfordern. Reinräume oder Laborräume müssen in einem konstanten Überdruck oder Unterdruck gegenüber benachbarten Räumen (z.B. Flur) gehalten werden. Je nach Anwendungsfall vermeidet man dadurch das Eindringen bzw. Ausdringen von schadstoffhaltiger oder ungereinigter Luft mit zu hohen Staubanteilen.

PM100 ist geeignet, den erforderlichen Raumunter- bzw. Raumüberdruck zu überwachen und signalisiert ein Überschreiten bzw. Unterschreiten des zu überwachenden Sollwertes. Die Sollwertvorgabe erfolgt über die digitalen Eingänge, durch Parametrierung über das Servicemodul SVM100 oder optional über den Feldbus.

Folgende Ausbaustufen sind verfügbar:

� Differenzdruckmessung mit Statusanzeige (rot/grün) und Alarmquittierung sowie zwei potenzialfreien Kontakten für Grenzwertüberwachung (optional)

� Differenzdruckmessung mit Statusanzeige (rot/grün) und Alarmquittierung und numerischer Digitalanzeige des Raumdrucks sowie zwei potenzialfreien Kontakten für Grenzwertüberwachung (optional)

Zusätzlich zur Digitalanzeige ist noch ein externes Display als Zweitanzeige anschließbar.

Ein schneller Regelalgorithmus vergleicht den Sollwert mit dem gemessenen Raumdruck des statischen Differenzdrucksensors und alarmiert eine Über- bzw. Unterschreitung.

Die zu überwachenden Sollwerte sind frei parametrierbar und werden spannungsausfallsicher im EEPROM ge-speichert.

Dieses neuartige Überwachungskonzept von SCHNEIDER minimiert Fehlalarme, die durch Fremdstörungen (Türen, Fenster etc.) verursacht werden und erhöht somit die Betriebssicherheit signifi kant.

VAV-A

Raumzuluft(variabel) Raumabluft

(variabel)

VAV-A

Flur(+) = Überdruck

Laborraum(-) = Unterdruck

TMaster/Slave

PM

-

+

dP

Die Raumdrucküberwachung PM100 von SCHNEIDER ist als redundante Überwachung zu einer vorhandenen Raumdruckregelung (z.B. Raumdruckregelung CRP/VCP von SCHNEIDER) einsetzbar. Die potenzialfreien Kontakte signalisieren bei der Grenzwertüberwachung den oberen und unteren Grenzwert.

Über die optionale Feldbus-Schnittstelle kann die Raumdrucküberwachung PM an die Gebäudeleittechnik (GLT) angeschlossen werden, wodurch alle relevanten Daten und Informationen verfügbar sind.

Alarmverzögerungszeit

Die Alarmverzögerungszeit ist von 0...240 s frei paramet-rierbar. Der Alarmzustand muss mindestens für diese ein-gestellte Zeit anstehen, damit eine Alarmierung ausgelöst wird. Diese Zeit reduziert Fehlalarmauslösungen z.B. bei instabilem Luftnetz.

Türkontakterkennung für RaumdrucküberwachungPM, Raumdruckregelung CRP und volumenstrom-proirisierte Raumdruckregelung VCP

Eine zusätzliche interne Verzögerungszeit von 0...240 s wird gestartet, wenn der Differenz-Drucktransmitter einen plötzlichen Druckeinbruch (z.B. Öffnen einer Tür oder ei-nes Fensters) feststellt. Die Überwachung bzw. Regelung des Raumdrucks wird ausgesetzt und erst nach Ablauf dieses Timers wieder aufgenommen.

Dies verhindert Fehlalarme bzw. das Regeln durch Raum-druckeinbruch bei Betreten eines Raumes. Das Öffnen und Schließen einer Tür bei zügigem Betreten eines Rau-mes liegt unter 10 s. D.h. bei einer parametrierten Verzö-gerungszeit PM/CRP/VCP von z.B. 15 s werden plötzliche Druckeinbruche innerhalb dieser Zeit nicht alarmiert bzw. ausgeregelt.

Bild 7.10: Raumdrucküberwachung PM100 mit Zweit- anzeige (Tochterdisplay für zweiten Raum)

Bild 7.11: Raumschema PM100 Raumdrucküberwa- chung eines üner Volumenstromregler druck- geregelten Raumes

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9.1 Volumenstromregler VAV

Microprozessor gesteuertes schnelles adaptives Regel-system für die variable Regelung von Raumzuluft- und Raumabluftvolumenströmen, speziell geeignet für Rein-räume und Laboratorien. Ein schneller Regelalgorithmus vergleicht den Sollwert mit dem gemessenen Istwert eines statischen Differenz-Drucktransmitters und regelt, unab-hängig gegenüber Druckschwankungen im Kanalnetz, schnell, präzise und stabil aus. Der minimale und maxima-le Volumenstromsollwert ist frei parametrierbar und wird spannungsausfallsicher im EEPROM gespeichert.

Sollwertvorgabe Analog oder LON

Der variable Volumenstromregler VAV ist in zwei Aus-führungen lieferbar, wobei das Hauptunterscheidungs-merkmal in der Sollwertvorgabe besteht.

Tabelle 7.5 veranschaulicht die Produktvarianten mit der entsprechenden Ansteuerart.

VAV-A-250-P-0-0-MM

VAV-A-250-S-0-0-MM

VAV-A-318-400-S-0

Tabelle 7.7:Betriebsart

Ansteuerart variabel (VAV) konstant (CAV)Analog 0(2)...10V Ja NeinDigital (Relaiskontakt) Nein Ja (1-3-Punkt)

Tabelle 7.6:Produkt

Ansteuerart VAV-A VAV-LAnalog 0(2)...10V Ja NeinDigital (Relaiskontakt) Ja JaLON, FTT-10A Nein Ja

Alle Soll- und Istwerte sind als analoge Ein– bzw. Ausgän-ge 0(2)...10V DC (Ausführung VAV-A) oder über das LON-Netzwerk (Ausführung VAV-L) als Standard Variablen (SNVT) verfügbar. Die LonMark-Spezifi kationen nach der Masterliste werden eingehalten. Die LON-Variante VAV-L ist in der Technischen Dokumentation VAV-L separat be-schrieben.

Bauformen

Die von SCHNEIDER angebotenen Volumenstromregler VAV-A und VAV-L sind in runder und eckiger Bauform verfügbar und zeichnen sich durch die schnelle Regelge-schwindigkeit (Ausregelzeit ≤ 3 sec für 90 ° Stellwinkel) und stabile Regelung aus.

Betriebsarten und Sollwertvorgabe

Folgende Ansteuer- und Betriebsarten werden, je nach Ausführung, unterstützt:

9.1.1 Regelgeschwindigkeit des VAV-Reglers


9.1.2 Regelgenauigkeit des VAV-Reglers

Die Regelgenauigkeit eines Volumenstromreglers hängt im Wesentlichen vom Messsystem und von der Messgenauigkeit des statischen Differenzdrucksensors sowie von der Positionieraufl ösung des Stellmotors ab.

Beim Messsystem setzt SCHNEIDER konsequent auf die patentierte Messdüse und optional auf die Venturidüse. Beide Messsysteme verfügen über das Ringkammermessprinzip und mitteln den zu messenden Wert über die im Luftstrom angeordneten Messlöcher. Dadurch ist ein sehr stabiles und reproduzierbares Messsignal verfügbar, wodurch der Volumenstrom mit einer sehr großen Messgenauigkeit ausgeregelt werden kann

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LON-NETZWERK, FT-X1 (FTT-10A), LON A/B

FC

ABZUG #1

VAV-A

Raumzuluft-Volumen-

stromregler

Raumabluft-Volumen-

stromregler

FC

ABZUG #2

Mdp

FC

ABZUG #9

VAV-A

Mdp


GruppencontrollerGC10

Ain1Sin1T/N

Ain2Sin2T/N

Ain3Sin3T/N

Aout124V AC

Aout224V AC

Kabeltyp: IY(St)Y 4x2x0,8 Kabeltyp: IY(St)Y 4x2x0,8

Optional:LON300

LON-FeldbusmodulFT-X1 (FTT-10A)freie Topologie

Gebäudeleittechnik


Ain9Sin9T/N

……...

Optional:RaumbediengerätRBG100

LED-NachtbetriebTaste-Aufhebung Nachtbetrieb

Din1K2

Optional:Transformator

T = 24V AC/ 30 VA

Netzeinspeisung230V AC +-10%

Legende:

FC = Laborabzugsregelung, vollvariabel, Analog- ausgang 0(2)...10V DC

GC10 = Gruppencontroller, 10 AnalogeingängeLON300 = LON-Modul, FTT-10A (optional)RBG100 = Raumbediengerät zur Aufhebung des

Nachtbetriebs (optional)VAV-A = schneller variabler Volumenstromregler mit Analogansteuerung 0...10V DCAin1 … Ain10 = 10 Analogeingänge 0...10V DCSin1 … Sin10 = 10 Störmeldeeingänge, verschaltet als

Sammelstörmeldung über Zusatz- klemmenplatine

T/N = Tag/Nachtbetrieb Digestorien (raumweise) verschaltet als parallele Tag/Nacht- Ansteuerung über Zusatzklemmenplatine

Din1 = Digitaleingang Taste Aufhebung- Nachtbetrieb

K2 = Relaiskontakt zur Ansteuerung LED-Tag/Nacht

Aout1 … Aout4 = Analogausgänge 0...10V DC24V AC = 24V AC Versorgungsspannung für

Volumenstromregler VAV-A

Achtung! Kabeladern für LON A/B müssen paarig miteinander verdrillt sein. Maximale Kabellänge nicht überschreiten.


ABZUG#3 bis #8

Raumsammelstörmeldung

Umschaltung Tag/Nacht-Betrieb(raumweise)

Ain10

Das Messsystem von SCHNEIDER ist selbstreinigend und damit wartungsfrei und unempfi ndlich gegen schlechte Anströmbedingungen.


Volumenstrommessung mit statischem Differenz-Drucktransmitter

Über eine geeignete Messeinrichtung (Venturidüse, Mess-blende, Messdüse oder Messkreuz) wird der Wirkdruck mittels eines statischen Differenzdruck-Transmitters er-fasst. Über den gesamten Messbereich 3...300 Pa (opti-onal 8...800 Pa) wird mit sehr hoher Genauigkeit und Sta-bilität gemessen. Dadurch kann ein Volumenstrombereich von 10:1 ausgeregelt werden.

Der statische Differenzdruck-Transmitter wird, im Gegen-satz zum thermo-anemometrischen Messprinzip, nicht von der Luft durchströmt und eignet sich daher besonders zum Messen in staubhaltigen und schadstoffhaltigen (korrosi-ven) Medien (die Tauglichkeit muss im Einzelfall geprüft werden). Das thermo-anemometrische Messprinzip eig-net sich nur sehr eingeschränkt für derartige Medien, da der Sensor verschmutzt oder von der korrosiven Luft an-gegriffen wird und somit die Messung sehr ungenau oder fehlerhaft werden kann.

Volumenstromeinstellung VMIN, VMED, VMAX

Die Volumenstromeinstellung (Parametrierung) erfolgt mit dem Servicemodul SVM100. Der gewünschte Volumen-strom wird dabei als numerischer Wert in m3/h eingege-ben. Dabei bedeutet:Hinweise zur Reglerdimensionierung (Abmessungen und Volumenstrom)

Wegen der Regelgenauigkeit ist darauf zu achten, dass bei minimalem Volumenstrom VMIN die Strömungsge-schwindigkeit im Volumenstromregler von 2 m/s nicht un-terschritten wird.

In Laborraumanwendungen ist wegen der Geräuschent-wicklung darauf zu achten, dass bei maximalem Volumen-strom VMAX die Strömungsgeschwindigkeit im Volumen-stromregler von 7,5 m/s nicht überschritten wird.

Die Volumenströme VMIN, VMED und VMAX lassen sich im Bereich von 50...25.000 m3/h frei parametrieren, wobei auf geeignete Abmessungen der Volumenstromregler in Bezug auf den Volumenstrombereich unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeiten zu achten ist.

Zwangssteuerung über digitale Eingänge

Über eine geeignete Beschaltung der digitalen Eingänge Eingang 1 und Eingang 2 lassen sich die Funktionen VMAX und Klappenstellung ZU direkt ausführen.

Die Beschaltung der digitalen Eingänge ist wie folgt: 0 = Kontakt offen (keine Spannung) 1 = Kontakt geschlossen (Spannung liegt an)Bild 7.x: Raumschema VAV-A mit Ansteuerung vom

Raumgruppencontroller GC10

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10.1 Leistungsmerkmale Raumdruckregler CRP

� Microprozessorgesteuerte Raumdruckregelung � Digitale Raumdruckanzeige in Pascal (optional)� Zusätzliche externe digitale Raumdruckanzeige in

Pascal (optionale Zweitanzeige)� Externes Bedientableau mit Statusanzeige und

Alarm-quittierung� Integrierte optionale Grenzwertüberwachung des

Raumunter-/Raumüberdrucks mit akustischer Alarmierung

� Konstante Druckhaltung frei programmierbar� Alle Systemdaten werden netzspannungsausfall-

sicher im EEPROM gespeichert� Laufzeit des Stellmotors <= 3s für 90°, Laufzeitver-

zögerung frei programmierbar� Freie Parametrierbarkeit der Systemdaten über das

Servicemodul SVM-100, wie z.B. Regelzeit, Über- oder Unterdruck

� Abruf aller Istwerte über das LON-Netzwerk (optional)� Statischer Differenzdrucksensor mit hoher Langzeit-

stabilität zur kontinuierlichen Messung des Istwertes im Bereich von 5 Pa bis 100 Pa oder ± 50 Pa (extern)

� Schneller prädiktiver Regelalgorithmus� Schnelle, stabile und präzise Regelung durch direkte

Ansteuerung des Stellmotors mit Rückführungspoti� Geschlossener Regelkreis (closed loop) � Überwachung des bauseitigen Lüftungssytems � Geeignet als Raumzuluft- oder Raumabluftregler � Analoger Istwertausgang 0(2)...10V DC / 10mA)� Zwei digitale Eingänge für bis zu drei verschiedene

Raumdruck-Sollwertvorgaben (z. B. Schleusen, Tag/Nachtbetrieb)

� Relaiskontakt 1 x A für obere Grenzwertüberwachung� Relaiskontakt 1 x A für untere Grenzwertüberwa-

chung� Programmierbuchse auf der Platine� Externe bauseitige Versorgungsspannung 24V AC

DIS220

DA-250-S-MM-1

LON, FTT-10A

CRP-L-1-W-2

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10.2 Leistungsmerkmale volumenstrompriorisierter Raum- druckregler VCP

� Microprozessorgesteuerte volumenstrompriorisierte Raumdruckregelung

� Optionale digitale Raumdruckanzeige in Pa und Volumenstromanzeige in m³/h

� Zusätzliche externe digitale Raumdruck- und Volumenstromanzeige (optionale Zweitanzeige)

� Optionales externes Bedientableau mit Statusanzeige und Alarmquittierung

� Integrierte optionale Grenzwertüberwachung des Raumunter-/Raumüberdrucks mit akustischer Alarmierung

� Konstante Druckhaltung und Volumenstrom (Raumwechsel) frei programmierbar

� Alle Systemdaten werden netzspannungsausfall-sicher im EEPROM gespeichert

� Laufzeit der Stellmotore <= 3s für 90°, Laufzeitver-zögerung frei programmierbar

� Freie Parametrierbarkeit der Systemdaten über das Servicemodul SVM-100, wie z.B. Regelzeit, Über- oder Unterdruck

� Abruf aller Istwerte über das Feldbusmodul (optional)� Statischer Differenzdrucksensor zur Raumdruck-

regelung mit hoher Langzeitstabilität zur kontinuierlichen Messung des Istwertes im Bereich von 5 Pa bis

100 Pa oder ± 50 Pa (extern)� Statischer Differenzdrucksensor zur Volumenstrom-

regelung mit hoher Langzeitstabilität zur kontinuier-lichen Messung des Istwertes im Bereich von 3 Pa bis 300 Pa oder 8 bis 800 Pa (optional)

� Schneller prädiktiver Regelalgorithmus� Schnelle, stabile und präzise Regelung durch direkte

Ansteuerung der Stellmotore mit Rückführungspoti� Zwei miteinander kommunizierende im Multitasking-

Betrieb angesteuerte Regelkreise � Kein gegenseitiges Schwingen der Regelkreise� Zwei geschlossene Regelkreise (closed loop) � Überwachung des bauseitigen Lüftungssytems � Geeignet als Raumzuluft- oder Raumabluftregler � Analoger Istwertausgang 0(2)...10V DC / 10mA)� Zwei digitale Eingänge für bis zu drei verschiedene

Raumdruck-Sollwertvorgaben (z. B. Schleusen, Tag/Nachtbetrieb)

� Relaiskontakt 1 x A für obere Grenzwertüberwachung (Volumenstrom, Raumdruck bzw. Volumenstrom und

Raumdruck)� Relaiskontakt 1 x A für untere Grenzwertüberwa-

chung (Volumenstrom, Raumdruck bzw. Volumenstrom und

Raumdruck)� Programmierbuchse auf der Platine� Externe bauseitige Versorgungsspannung 24V AC� Optionales nachrüstbares Feldbusmodul für BACnet,

LON und Modbus

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PM100-L-1-W-2

DIS220LON, FTT-10A

10.3 Leistungsmerkmale Raumdrucküberwachung PM100

� Microprozessorgesteuertes Überwachungssystem� Digitale Raumdruckanzeige in Pascal (optional)� Zusätzliche externe digitale Raumdruckanzeige in

Pascal (optionale Zweitanzeige)� Grenzwertüberwachung des Raumunter-/Raumüber-

drucks mit akustischer Alarmierung und Quittiertaste� Alle Systemdaten werden netzspannungsausfall- sicher im EEPROM gespeichert� Freie Parametrierbarkeit der Systemdaten über das

Servicemodul SVM-100, wie z.B. Alarmverzögerungs-zeit, Raumunter-/Raumüberdruck

� Abruf aller Istwerte über das optionale LON-Netzwerk� Statischer Differenzdrucksensor mit hoher Langzeit-

stabilität zur kontinuierlichen Messung des Istwertes im Bereich von 5 Pa bis 100 Pa oder ± 50 Pa (extern)

� Überwachung des bauseitigen Lüftungssytems � Geeignet als redundante Raumunter-/Raumüber-

drucküberwachung � Analoger Istwertausgang 0(2)...10V DC / 10mA)� Zwei digitale Eingänge für Sollwertumschaltung� Relaiskontakt 1 x A für oberen Grenzwert� Relaiskontakt 1 x A für unteren Grenzwert� Programmierbuchse auf der Platine� Externe bauseitige Versorgungsspannung 24V AC� Internes Netzteil 230V AC (optional)

PM100-L-1-A-2

10.4 Leistungsmerkmale VAV

� Schneller adaptiver Regelalgorithmus für präzise und stabile Regelung

� Regelzeit ≤ 3 sec für 90 ° Stellwinkel� Geeignet für Zuluft- und Abluftvolumenstromregelung

in Laboratorien und Reinräumen� Alle Systemdaten werden netzspannungsausfall- sicher im EEPROM gespeichert� Freie Parametrierbarkeit der Systemdaten sowie

Abruf aller Istwerte � Überwachung des bauseitigen Lüftungssytems

durch integrierte Überwachungsfunktion des auszuregelnden Zuluft-/ Abluftsollwertes

� Geschlossener Regelkreis (closed loop) � Statischer Differenz-Drucktransmitter nach dem Wirk-

druckverfahren zur kontinuierlichen Messung des Ist-wertes im Bereich von 3...300 Pa (optional 8...800 Pa) mit hoher Langzeitstabilität.

� Analoger Sollwerteingang 0(2)...10V DC/1mA � Analoger Istwertausgang 0(2)...10V DC/10mA � Schnelle, stabile und präzise Regelung durch direkte

Ansteuerung des Stellmotors mit Rückführungspoti� Regelparameter werden online adaptiv optimiert � Reaktionszeit und Ausregelung des Abluftvolumen-

stroms ≤ 3 sec � Störmelderelais mit potenzialfreiem Kontakt� Zwei digitale Eingänge für BSK/RK-Kontakte oder

Zwangssteuerung (z.B. Klappe Zu, Ein/Aus) � Direkte Zwangssteuerung über digitale Eingänge für

Funktionen VMIN, VMED, VMAX und Stellklappe = ZU (CAV-Betrieb). Über VMIN kann z.B. eine Nachtab-

senkung (reduzierter Betrieb) realisiert werden

VAV-A-250-P-0-0-MM

VAV-A-250-S-0-0-MM

VAV-A-318-400-S-0

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11.1 Produktübersicht Raumdruckregler, Volumenstromregler, Raumdruck- überwachung

Die Tabelle zeigt die Übersicht der von SCHNEIDER verfügbaren Produkte in der Produktgruppe Raumdruck-regelung, Raumdrucküberwachung und volummenstrom-priorisierter Raumdruckregler.

Die Gesamtproduktübersicht LabSystem fi nden Sie in Kapitel 1, Abschnitt 6.1

Technische Datenblätter, weiterführende Informationen und Ausschreibungstexte über die Produkte VAV, CAV, CRP, VCP und PM100 fi nden Sie als Download im Internet unter www.schneider-elektronik.de.

Produktgruppe Produkt Kurzbeschreibung KapitelSchnelllaufende Raumzu-/Raumab-luftregler

VAV Volumenstromregler für Laborraumzu- bzw. Laborraumabluft, Analog-eingang 0(2)...10V DC für Sollwert, optionales Feldbusmodul, Regelge-schwindigkeit < 3 s

5.07.0

Mechanische selbsttätige Volu-menstromregler

CAV Volumenstromregler für Bodenabsaugungen und Sicherheitsschränke, mechanisch, selbsttätig, ohne Hilfsenergie

5.0

Schnelllaufende Raumdruckregler

CRP Raumdruckregler für undichte Räume, Analogeingang 0(2)...10V DC für Sollwert, optionales Feldbusmodul, Regelgeschwindigkeit < 3 s

7.0

VCP Volumenstrompriorisierter Raumdruckregler für dichte Räume 7.0

Raumdruck-überwachung

PM100 Raumdrucküberwachung mit internem statischen Differenzdrucktranmitter 3...100 Pa oder externem Sensor ± 50 Pa, -20...+80 Pa

7.0

Documents

LabSystem Reinraumtechnik - Raumduckregelungenlabor-abzug.de/download/LabHandbuch_07_de.pdf · 2 Reinraumtechnik - Raumduckregelungen Kapitel 7.0 LabSystem Planungshandbuch Lufttechnik