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APV – Arbeitsgemeinschaft für Pharmazeutische Verfahrenstechnik e.V.

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Leistungsprüfung von Luftfiltern: Normen und Richtlinien für das 21. JahrhundertDr.-Ing. Thomas CaesarFreudenberg Filtration Technologies KG, Weinheim

Energiesparen mit LuftfilternRenate TapperFreudenberg Filtration Technologies SE & Co. KG, Weinheim

SonderdruckTechnoPharm 2, Nr. 4 (2012) (Caesar) bzw. TechnoPharm 3, Nr. 5 (2013) (Tapper)

Leistungsprüfung von Luftfiltern:Normen und Richtlinien für das21. JahrhundertDr.-Ing. Thomas Caesar . Freudenberg Filtration Technologies KG, Weinheim

Korrespondenz: Dr.-Ing. Thomas Caesar, Freudenberg Filtration Technologies KG, Weinheim;e-mail: [email protected]

1. Einleitung

Die Herstellung, Prüfung, Klassifizie-rung, Installation und der Betriebvon Luftfilter allgemein und ins-besondere in der Pharmaindustrieunterliegen verschiedenen Normenund Richtlinien. In der Reinraum-technik wird die Filterauswahl, In-stallation, Abnahmeprüfung und derBetrieb insbesondere der endständi-gen Schwebstofffilter durch die inter-nationale Normenreihe ISO 14644 [1]sowie in den relevanten GMPs der EUund der FDA geregelt. Dagegen istdie Herstellerprüfung und Klassifi-zierung von Luftfiltern bisher nichtweltweit einheitlich geregelt. In Eu-ropa werden Luftfilter nach den bei-den europäischen Normen EN 779 [2]für Staubfilter und EN 1822 [3] fürSchwebstofffilter geprüft und klassi-fiziert. In USA wird dies durch denANSI/ASHREA Standard 52.2 [4] ge-normt. Derzeit werden große An-strengungen unternommen, dieseNormen weltweit einheitlich zu re-geln und auch zusätzlich Aspekteaufzunehmen, die bisher in den be-stehenden Normen und Richtlinienkeine Berücksichtigung fanden. Al-lem voran ist hier das energetischeBetriebsverhalten von Luftfiltern zunennen.

2. Neue ISO-Norm fürSchwebstofffilter

Im Jahre 2006 wurde das ISO Tech-nical Committee (TC) 142 „CleaningEquipment for Air and other Gases“reaktiviert, mit dem Ziel, die Normen-welt rund um die Luft- und Gasfiltra-tion international einheitlich zu re-geln. Als erste internationale Normaus diesem Komitee wurde kürzlichdie ISO 29464 „Cleaning equipmentfor air and other gases – Terminology“veröffentlicht, in der die Begrifflich-keiten rund um die Filtration geregeltwerden. Als weiteres ist im Oktober2011 die Norm ISO 29463 „High-effi-ciency filters and filter media for re-moving particles in air“ [5] erschie-nen, die in fünf Teilen die Prüfungund Klassifizierung von Schwebstoff-filtern regelt. Diese neue internatio-nale Norm basiert in ihren wesentli-chen Elementen auf der europäischeNorm EN 1822 und wird diese voraus-sichtlich künftig ersetzen.

Analog zur EN 1822 unterteilt dieISO 29463 Schwebstofffilter in dreiGruppen (siehe Tab. 1):

EPA (Efficient Particulate Air) Fil-ter: Filter, die dieser Gruppe zugeord-net werden, können weder beim Her-steller noch beim Anwender einzelnauf Leckfreiheit überprüft werden.

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Autor

Dr. Thomas Caesar

Dr. Thomas Caesar studierte Chemieingenieur-wesen an der Universität Karlsruhe (TU) undpromovierte im Anschluss an der RWTH Aachen.Seit 1999 ist er bei der Freudenberg Vliesstoffe KGim Geschäftsbereich Filter in verschiedenenFunktionen in Technik und Vertrieb tätig. Seit 2007ist er Leiter der Filtertechnik bei der FreudenbergFiltration Technologies KG. Er betreibt nationaleund internationale Normen- und Richtlinienarbeitals Experte in verschiedensten Arbeitsgruppen beiVDI, DIN, CEN, ISO und bei EUROVENT, sowie alsdeutscher Delegierter bei CEN/TC 195 undISO/TC 142.

TechnoPharm 2, Nr. 4 (2012)© ECV . Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)2 Caesar . Leistungsprüfung Luftfilter

Prozesstechnik

Sie unterliegen beim Hersteller Prüf-methoden, welche die Abscheideleis-tung im Rahmen der Qualitätskon-trolle und basierend auf statistischenMethoden sicherstellen.

HEPA (High Efficient ParticulateAir) Filter: Filter dieser Gruppe wer-den beim Hersteller einzeln aufLeckfreiheit überprüft. Als Refe-renzmethode dient dazu das soge-nannte Scanverfahren, bei dem derFilter mit Partikelmeßsonden voll-flächig abgefahren und die lokalenAbscheidegrade gemessen werden.Alternativ dazu definiert die Normverschiedene andere Leckprüfver-fahren, wie beispielsweise den Ölfa-dentest.

ULPA (Ultra Low Penetration Air)Filter: Filter dieser Gruppe werdenbeim Hersteller einzeln auf Leckfrei-heit überprüft, wobei das Scanver-fahren für ULPA Filter die einzig zu-lässige Methode ist.

HEPA und ULPA Filter müssennach dem Einbau durch den Anwen-der auf Dichtsitz und Leckfreiheitbeispielsweise nach ISO 14644, Teil 3überprüft werden.

Wie bei der EN 1822, ist auch beider ISO 29463 das Scanverfahren dieReferenzmethode, bei der die loka-len und integralen Abscheidegradebei der Partikelgröße mit demhöchsten Durchlaßgrad (MPPS =Most Penetrating Particle Size) ge-messen werden. In Tabelle 1 sinddie Definitionen der ISO-Filterklas-sen und die zugehörigen Abscheide-bzw. Durchlaßgrade wiederge-geben. Insgesamt teilt sich das Prüf-verfahren in vier Einzelschritte: (1)Bestimmung der Partikelgröße mitdem höchsten Durchlaßgrad(MPPS) durch Messung derFraktionsabscheidegradkurve alsFunktion der Partikelgröße am pla-nen Filtermedium (siehe Teil 3 derNorm), (2) Bestimmung der Leck-freiheit am Filterelement (sieheTeil 4 der Norm), (3) Ermittlungdes integralen Abscheidegradesdes Filterelements (siehe Teil 5 derNorm) und (4) Klassifizierung nachTabelle 1 (siehe Teil 1 der Norm). ImTeil 3 der Norm werden die notwen-digen statistische Berechnungsver-fahren beschrieben.

3. Grob- undFeinstaubfilter

Grob- und Feinstaubfilter dienen inder pharmazeutischen Industrie meistals Vorfilter für die endständigenSchwebstofffilter; sichern aber aucheine ausreichende Innenraumluftqua-lität beispielsweise in den Büroräu-men außerhalb einer Reinraumpro-duktion. Sie werden in Europa nachder Norm EN 779 geprüft und klassi-fiziert. Im Gegensatz zur Prüfung vonSchwebstofffiltern handelt es sich beider Prüfung von Grob- und Feinstaub-filtern um eine zerstörende Prüfung,bei der der Prüfling mit einem synthe-tischen Prüfstaub beladen wird, demso genannte ASHRAE-Staub. Aus denüber die Staubbeladung gemitteltenAbscheide- bzw. Wirkungsgradenwird die Filterklasse ermittelt. DieseNorm wurde aktuell überarbeitet undals finaler Entwurf prEN779:2009 ver-öffentlicht (Tab. 2). Wesentliche Ände-rung in dieser Überarbeitung ist dieEinführung von Mindest-wirkungsgraden für die FilterklassenF7 bis F9, die dem Anwender eine hö-

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Tabelle 1

Klasseneinteilung nach ISO 29463-1.

Gruppe Klasse Klassenach

EN1822

Intergralwerte für MPPS Lokalwerte für MPPS

Abscheidegrad Penetration Abscheidegrad Penetration

EPA ISO 15 E E11 ≥ 95 % ≤ 5 % – –

ISO 20 E ≥ 99 % ≤ 1 % – –

ISO 25 E E12 ≥ 99,5 % ≤ 0,5 % – –

ISO 30 E ≥ 99,9 % ≤ 0,1 % – –

HEPA ISO 35 H H13 ≥ 99,95 % ≤ 0,05 % ≥ 99,75 % ≤ 0,25 %

ISO 40 H ≥ 99,99 % ≤ 0,01 % ≥ 99,95 % ≤ 0,05 %

ISO 45 H H14 ≥ 99,995 % ≤ 0,005 % ≥ 99,975 % ≤ 0,025 %

ULPA ISO 50 U ≥ 99,999 % ≤ 0,001 % ≥ 99,995 % ≤ 0,005 %

ISO 55 U U15 ≥ 99,9995 % ≤ 0,0005 % ≥ 99,9975 % ≤ 0,0025 %

ISO 60 U ≥ 99,9999 % ≤ 0,0001 % ≥ 99,9995 % ≤ 0,0005 %

ISO 65 U U16 ≥ 99,99995 % ≤ 0,00005 % ≥ 99,99975 % ≤ 0,00025 %

ISO 70 U ≥ 99,99999 % ≤ 0,00001 % ≥ 99,9999 % ≤ 0,0001 %

ISO 75 U U17 ≥ 99,999995 % ≤ 0,000005 % ≥ 99,9999 % ≤ 0,0001 %

TechnoPharm 2, Nr. 4 (2012)© ECV . Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) 3Caesar . Leistungsprüfung Luftfilter

here Betriebssicherheit in Bezug aufdie Abscheideleistung der Filter ge-ben.

Um dem Anwender zusätzliche Si-cherheit bezüglich der Qualität derverwendeten Feinfilter zu geben,wurde vor einigen Jahren von Eurovent(Europäisches Komitee der Herstellervon lufttechnischen und Trocknungs-anlagen) ein Zertifizierungsprogrammaufgesetzt, in dessen Rahmen sich dieTeilnehmer einer regelmäßigen undunabhängigen Kontrolle wichtiger Fil-terleistungsdaten unterziehen (sieheauch www.eurovent-certification.com). Durch unabhängige Laborewerden im jährlichen Turnus dieAnfangsdruckdifferenz, der Anfangs-und Mindestwirkungsgrad, die Filter-klasse sowie die Energieeffizienzklassean jeweils vier willkürlich ausgewähl-ten Feinfiltern aus dem Produkt-programm des jeweiligen Teilnehmersüberprüft. Es ist daher zu empfehlen,nur Luftfilter von Eurovent zertifizier-ten Herstellern einzusetzen.

4. Energetischer Betriebvon Luftfiltern

Bedingt durch steigende Energiekos-ten und die Notwendigkeit zur

Reduktion der CO2-Emissionen istder Energieverbrauch Raumlufttech-nischer Anlagen zunehmend in denFokus gerückt. In Europa werdenzwischen 10 und 20 % der elektri-schen Energie im industriellen undgewerblichen Bereich für den Betriebvon Ventilatoren in Raumlufttech-nischen Anlagen (RLT-Anlagen) ein-gesetzt. In Reinräumen der Pharma-produktion liegt dieser Prozentsatznoch deutlich höher. Ungefähr 1/3davon dient dazu, den Strömungs-widerstand (Druckverlust) der einge-setzten Luftfilter zu überwinden. Ne-ben Investitionsmaßnahmen wie dieUmrüstung oder der Einsatz fre-quenzgeregelter Lüfter mit hohemWirkungsgrad bietet die Optimie-rung der eingesetzten Filtereffizien-zen und der Einsatz qualitativ hoch-wertiger, energieeffizienter Luftfiltereine vergleichsweise einfache Mög-lichkeit, signifikante Energieeinspa-rungen zu erzielen. Dabei dürfen na-türlich die Schutzziele nicht außerAcht gelassen werden, so dass letzt-lich individuell stets das Optimumder notwendigen Filtereffizienz beimöglichst geringem Energiever-brauch gefunden werden muss. Umdem Anwender die Wahl möglichst

energieeffizienter Luftfilter zu er-leichtern, wurde jüngst durch das Eu-ropäisches Komitee der Herstellervon lufttechnischen und Trock-nungsanlagen (Eurovent) ein neuesDokument Eurovent 4/11 [6] ver-öffentlicht, das ein Energieeffizienz-Klassifizierungssystem für Luftfilterdefiniert.

Unter der Annahme, dass der Vo-lumenstrom, der durch den Lüftergefördert wird, konstant ist, alsonicht vom Filterdruckverlust ab-hängt, lässt sich der durch Luftfilterverursachte Energieverbrauch nachGl. (1) berechnen [7].

W = q

v · �p · t

� ·1000

Abb.: Gleichung 1.

Diese Voraussetzung ist dann ge-geben, wenn der Lüfter über einenFrequenzumrichter auf konstantenVolumenstrom geregelt wird. In Gl.(1) ist W (in kWh) die in der Zeit t(in h) verbrauchte Energie. Da derDruckverlust während der Betriebs-dauer eines Luftfilters mit der Staub-einlagerung zunimmt, wird in Gl. (1)der über den Zeitraum t integral ge-

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Tabelle 2

Filterklasseneinteilung nach FprEN 779:2010.

Gruppe Klasse Enddruck-differenz der

Prüfung

Mittlerer gravime-trischer Abscheide-

grad Am gegen-über ASHRAE-Prüf-

staub in %

Mittlerer Wir-kungsgrad Em

0,4 μm in %

Minimaler Wir-kungsgrad 0,4 μm

in %

Gro

bfilt

er

G G1 250 Pa 50 ≤ Am < 65 – –

G2 65 ≤ Am < 80

G3 80 ≤ Am < 90

G4 90 ≤ Am

Fein

filte

r

M M5 450 Pa – 40 ≤ Em < 60

M6 60 ≤ Em < 80

F F7 80 ≤ Em < 90 35

F8 90 ≤ Em < 95 55

F9 95 ≤ Em 70


Prozesstechnik

mittelte Druckverlust �p (in Pa) ein-gesetzt. Der Wirkungsgrad η hängtder Bauart und dem jeweiligen Be-triebszustand des Lüfters ab. Bei mo-dernen Lüftern liegt dieser bei 70 %;kann jedoch bei älteren Modellenund/oder ungünstiger Betriebsweiseauch nur 25 % oder sogar wenigerbetragen.

In RLT-Anlagen werden meistzweistufig Taschen- oder Kassetten-filter eingesetzt (siehe Abb. 1).

Das energetische Betriebsverhal-ten solcher Filter wird ganz wesent-lich durch die eingesetzten Filterme-dien, die effektiv wirksame Filterflä-che und die Ausführung und Art derKonfektionierung bestimmt. Bei-spielsweise können progressiv auf-gebaute Filtermedien aus synthe-tisch-organischen Fasern, bei denendie Dichte und die Feinheit der Fa-sern in Luftströmungsrichtung zu-nehmen, deutlich mehr Staub ein-lagern, als vergleichbare, homogenaufgebaute Vliesstoffe aus Polymer-oder Glasfasern. Das höhere Staub-speichervermögen bewirkt, dass dieDruckdifferenz mit der Betriebszeitlangsamer ansteigt und der Filter we-niger Energieverbrauch verursacht.Zusätzlich bewirkt eine hohe Steifig-keit der eingesetzten Filtermedien,dass Filtertaschen formstabil und ei-gensteif sind. Damit muss die ein-strömende Luft nicht zusätzlichEnergie zum Öffnender Taschen auf-wenden und gleich-zeitig ist eine opti-mal V-förmige Geo-metrie der Taschengewährleistet. Auchbei Kassettenfiltern,bei denen das Filter-medium entwederin 6 bzw. 8 flachge-falteten Faltenpa-neele oder als eintiefgefaltetes Falten-paneel in einen fes-ten Rahmen einge-fasst sind, beein-flusst die Steifigkeitdes eingesetzten Fil-termediums und die

Geometrie derFaltung wesent-lich den Energie-verbrauch [8].

Das Energie-effizienz-Klassi-fizierungssystemnach Eurovent4/11 gibt dabeierstmals demAnwender dieMöglichkeit,diese unter-schiedlichen De-signaspekte ver-schiedener Filter in Bezug auf derenenergetisches Betriebsverhaltenquantitativ miteinander zu verglei-chen. Das verwendete Laborprüfver-fahren basiert dabei im wesentlichenauf der Filterprüfnorm EN779 [2],wobei der Filterprüfling bei einemfestgelegten Prüfvolumenstrom von3400 m3/h mit einem synthetischenPrüfstaub, dem sogn. „ASHRAE“-Staub beladen wird. Die dabei ge-messene Druckdifferenzkurve alsFunktion der Staubbeladung dientzur Bestimmung des mittlerenDruckverlustes (siehe Gl. (1)), dersich während eines Jahres Betriebeinstellt. Je nach Filterklassengruppewerden dabei unterschiedlicheStaubmengen zugrunde gelegt. Da-mit wird dem Umstand Rechnunggetragen, dass Filter der Gruppe F

in der Regel in der zweiten Filterstufeeingesetzt werden und dadurch inder Praxis mit geringeren Staubkon-zentrationen konfrontiert werden, alsdies bei Filtern der Gruppe G oder Mder Fall ist, die üblicherweise in derersten Filterstufe eingesetzt werden.

Mit dem aus der Beladungskurvenach EN 779 bestimmten mittlerenDruckverlust kann mit Hilfe von Gl.(1) der jährliche Energieverbrauchberechnet werden. Dazu werden indem Eurovent Dokument 4/11 alsKonvention die jährlichen Betriebs-stunden mit 6000 h und der Wir-kungsgrad des Lüfters zu 50 % fest-gelegt. Anhand des berechneten Jah-resenergieverbrauch werden die Fil-ter entsprechend ihrer Filterklassegemäß Tabelle 3 in Energie-Effi-zienz-Klassen eingeteilt.

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Abb. 1: Beispiele für Taschenfilter (links) oder Kassettenfilter (rechts) fürden Einsatz in RLT-Anlagen.

Tabelle 3

Klassengrenzen der Energie-Effizienz in Abhängigkeit der Filterklassegemäß EN779 (ermittelt bei 3400 m3/h) [6].

Filter class

MTE

A 0 – 600 kWh 0 – 650 kWh 0 – 800 kWh 0 – 1200 kWh 0 – 1600 kWh 0 – 2000 kWh

B > 600 kWh – 700 kWh > 650 kWh – 780 kWh > 800 kWh – 950 kWh > 1200 kWh – 1450 kWh > 1600 kWh – 1950 kWh > 2000 kWh – 2500 kWh

C > 700 kWh – 800 kWh > 780 kWh – 910 kWh > 950 kWh – 1100 kWh > 1450 kWh – 1700 kWh > 1950 kWh – 2300 kWh > 2500 kWh – 3000 kWh

D > 800 kWh – 900 kWh > 910 kWh – 1040 kWh > 1100 kWh – 1250 kWh > 1700 kWh – 1950 kWh > 2300 kWh – 2650 kWh > 3000 kWh – 3500 kWh

E > 900 kWh – 1000 kWh > 1040 kWh – 1170 kWh > 1250 kWh – 1400 kWh > 1950 kWh – 2200 kWh > 2650 kWh – 3000 kWh > 3500 kWh – 4000 kWh

F > 1000 kWh – 1100 kWh > 1170 kWh – 1300 kWh > 1400 kWh – 1550 kWh > 2200 kWh – 2450 kWh > 3000 kWh – 3350 kWh > 4000 kWh – 4500 kWh

G

M5 M6 F7 F8 F9

— — — MTE ≥ 35% MTE ≥ 55% MTE ≥ 70%

G4

MG = 350 g ASHRAE MM = 250 g ASHRAE MF = 100 g ASHRAE

> 1100 kWh > 1300 kWh > 1550 kWh > 2450 kWh > 3350 kWh > 4500 kWh

TechnoPharm 2, Nr. 4 (2012)© ECV . Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) 5Caesar . Leistungsprüfung Luftfilter

Zusammenfassung undAusblick

Die Welt der Filternormen und -richt-linie befindet sich in einem starkenUmbruch. Bestehende Normen wer-den überarbeitet und globalisiert;neue Aspekte wie beispielsweise dasenergetische Betriebsverhalten vonLuftfiltern werden aufgenommen. Sowurde eine überarbeitete europäischeNorm EN 779 für die Prüfung undKlassifizierung von Grob- und Fein-staubfiltern als Entwurf veröffentlicht.Eine neue internationale Norm ISO29463 für die Prüfung und Klassifizie-rung von Schwebstofffiltern ist kürz-lich als gültige Norm erschienen undwird voraussichtlich die europäischeNorm EN 1822 in Zukunft ablösen.Mit dem Eurovent-Dokument 4/11wurde erstmals europaweit einheitlichein Energieeffizienz-Klassifizierungs-

system für Luftfilter definiert. Dieseswird voraussichtlich auch Basis für ge-setzliche Regelungen für Luftfilter imRahmen der Eco-Design-Richtliniedes Europäischen Parlaments undder Kommission (Direktive 2009/125/EC) sein.

Im Rahmen des ISO/TC 142 wirdderzeit international an 34 Normen-projekten gearbeitet, darunter bei-spielsweise eine Norm ISO 10121 fürPrüfung von Gasadsorptionsfilteroder eine neue Normreihe für Grob-und Feinstaubfilter ISO 16890, die invier Teilen erarbeitet wird und vo-raussichtlich in wenigen Jahren dieEuropäische Norm EN 779 ersetzenwird.

Fachliteratur[1] ISO 14644: Reinräume und zuge-

hörige Reinraumbereiche. Nor-menreihe. Beuth Verlag, Berlin.

[2] DIN EN 779: Partikel-Luftfilter fürdie allgemeine Raumlufttechnik,Bestimmung der Filterleistung.Deutsche Fassung prEN 779:2009.Beuth Verlag, Berlin, 2009.

[3] DIN EN 1822: Schwebstofffilter (EPA,HEPA und ULPA). Teil 1-5. Beuth Verlag,Berlin, 2011.

[4] ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2007: Me-thod of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiencyby Particle Size. American Society ofHeating. Refrigerating and Air-Conditio-ning Engineers, Inc., Atlanta (2007)

[5] ISO 29463: High-efficiency filters and filtermedia for removing particles in air. Part1-5. Beuth Verlag, Berlin, 2011.

[6] Eurovent 4/11: Energieeffizienzklassifizie-rung von Luftfiltern für die allgemeineLüftungstechnik. Europäisches Komiteeder Hersteller von lufttechnischen undTrocknungsanlagen (Eurovent), Paris(2011)

[7] Goodfellow, H.; Tähti, E.: Industrial Ven-tilation, Academic Press, 2001.

[8] Caesar, T.; Schroth, T.: Einfluß der Fal-tengeometrie auf die Druckdifferenz tief-gefalteter Kassettenfilter. F & S Filtrierenund Separieren, Jahrgang 16, Nr. 3, 2002.

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Prozesstechnik

Energiesparen mit LuftfilternRenate Tapper . Freudenberg Filtration Technologies SE & Co. KG, Weinheim

Korrespondenz: Renate Tapper, Freudenberg Filtration Technologies SE & Co. KG, Weinheim;e-mail: [email protected]

ZusammenfassungBeim Thema Energiesparen in Lüftungsanlagen wird zumeist an direkte Verbraucher, wiez. B. Ventilatoren oder Heizregister, gedacht, für die in den letzten Jahren Energielabelseingeführt wurden. Veränderungen in diesen Bereichen sind in der Regel mit Investi-tionen verbunden. Dies ist in Zeiten knapper Kassen oft schwer zu realisieren,insbesondere da die Lüftungsanlagen meist nicht im Fokus der Unternehmen stehen.Dennoch lohnt sich hier ein genauer Blick, denn auch ohne bauliche Veränderungen kannder Energiebedarf vieler Lüftungsanlagen deutlich gesenkt werden.

Einleitung

Alle Einbauten der Lüftungsanlage(z.B. Kanalrohre, Wärmetauscheroder Filter) haben einen Strömungs-widerstand, auch Luftwiderstand ge-nannt, der von dem Ventilator über-wunden werden muss. Aufgrund vonReibung und Turbulenzen im Strö-mungsfeld kommt es zu einem Ener-gieverlust der Strömung und darausresultierend zu einem messbarenDruckgefälle. Dieses wird als Druck-differenz des Bauteils bezeichnet, derDruck vor dem Bauteil (Staudruck) isthöher als der Druck dahinter. In einergut gewarteten Anlage sind die Strö-mungswiderstände der meisten Kom-ponenten über die Betriebszeit kon-stant. Dadurch kann im Fall einerneuen Anlage bereits der Planer anHand der Datenblätter bei gleicherFunktionalität das energetisch güns-tigste Bauteil mit der geringstenDruckdifferenz auswählen. Ganz an-ders bei den Luftfiltern, deren Funk-

tion es ist, Partikel aus der Luft zuentfernen. Hier steigt der Widerstandmit zunehmender Partikeleinlagerung(siehe Abbildung 1). Die üblicherweise

spezifizierten Daten nach EN779 [1],wie Anfangsdruckdifferenz, Nenn-volumenstrom und Filterklasse, sindbei dieser Produktgruppe nicht ausrei-

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TechnoPharm 3, Nr. 5 (2013)© ECV . Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) 7Tapper . Energiesparen mit Luftfiltern

Autorin

Renate Tapper

Renate Tapper studierte Chemieingenieurwesen ander Universität Karlsruhe (KIT). Direkt im An-schluss wechselte Sie zu Freudenberg, Weinheim,wo sie seitdem in verschiedenen Funktionen inFiltertechnik und Entwicklung tätig ist. Der aktu-elle Schwerpunkt ihrer Arbeit liegt im Bereich derstrategischen Vorausentwicklung.

Abb. 1: Druckdifferenzzusammensetzung in einer Lüftungsanlage (Quelle alle Abbildungen:Freudenberg Filtration Technologies SE & Co. KG).

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chend für einen direkten Vergleich inHinblick auf den zu erwartendenEnergieverbrauch in der Anlage. Umdiese Lücke zu schließen, wurde 2011von Eurovent die Richtlinie 4/11 [2]erarbeitet, die in der Ausgabe 4/2012dieser Zeitschrift vorgestellt wurde[3]. In diesem Beitrag sollen nun dieHintergründe und Voraussetzungenzum Energiesparen mit Luftfiltern nä-her betrachtet werden.

Was beeinflusst denStromverbrauch?

Der Ventilator wandelt die elektri-sche Energie in mechanische Energieum (die Drehbewegung des Laufra-des). Diese wird wiederum an dieLuft weitergegeben, so dass sich dieEnergie der Luft erhöht (die Luft wirdin Bewegung versetzt). Bei jederEnergieumwandlung entstehen Ver-luste, deren Höhe durch die Wir-kungsgrade beschrieben werden. Je-der Strömungswiderstand, den dieLuft auf dem Weg durch die Anlageüberwinden muss, entzieht nun derLuft wieder einen Teil der Energie. Jehöher die Strömungswiderstände(Druckdifferenzen) der Anlagenkom-ponenten sind, desto mehr Energiewird somit zur Erzeugung des ge-wünschten Luftvolumenstromes be-nötigt. Der Energiebedarf zur Durch-strömung eines Luftfilters kann gra-fisch verdeutlicht werden, indemsein Druckdifferenzverlauf über denEinsatzzeitraum aufgetragen wird(siehe Abbildung 2). Die Fläche un-terhalb der Kurve repräsentiert dabeiden Energiebedarf. So können zweiFilter mit unterschiedlichem Druck-differenzverlauf verglichen werden.Die mögliche Energieeinsparung beiEinsatz eines Filters mit niedrigeremDruckdifferenzverlauf wird in derDifferenz der beiden Flächen unter-halb der Kurven erkennbar (sieheAbbildung 3). Hierbei ist weniger dieAnfangsdruckdifferenz der Filter ent-scheidend, wesentlich ist der Verlaufder Druckdifferenz über die Einsatz-dauer der Filter. Je langsamer dieDruckdifferenz ansteigt, desto güns-tiger ist die Energiebilanz. Wie in Ab-

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Enddruckdifferenz

Äquivalent des Energieverbrauchs des Luftfilters

Dru

ckdi

ffere

nz

EinsatzzeitFilterwechsel

Abb. 2: Druckdifferenzverlauf in Luftfiltern.

Filterwechsel

Standzeitreserve

Δp-Verlauf Filter A Δp-Verlauf Filter B

Äquivalent der Energieeinsparung bei Einsatz von Filter B

Dru

ckdi

ffere

nz

Einsatzzeit

Enddruckdifferenz

Abb. 3: Druckdifferenzverlauf – Zwei Filter im Vergleich.

Standzeitreserve

Δp-Verlauf Filter C Δp-Verlauf Filter B

Äquivalent der Energieeinsparung bei Einsatz von Filter C

Dru

ckdi

ffere

nz

EinsatzeitFilterwechsel

Enddruckdifferenz

Äquivalent der Energieeinsparung bei Einsatz von Filter B

Abb. 4: Druckdifferenzverlauf – Zwei Filter im Vergleich.

bildung 4 gezeigt, kann im Einzelfallauch ein Filter mit einer etwas höhe-ren Anfangsdruckdifferenz die spar-samere Variante sein. Die möglicheEinsparung durch die niedrigere An-fangsdruckdifferenz des Filters C(gelbe Fläche) ist deutlich geringerals die mögliche Einsparung durchden flacheren Druckdifferenzverlaufdes Filters B (blaue Fläche). Ein zu-sätzlicher Effekt eines flachen Druck-differenzverlaufes ist die daraus re-sultierende Standzeitreserve, die al-ternativ eine längere Einsatzdauerder Filter ermöglicht (siehe Abbildun-gen 3 und 4).

Die wenigsten Filterhersteller ver-öffentlichen Angaben zum Druckdif-ferenzverlauf auf ihren Datenblät-tern. So waren Anlagenbetreiber inder Vergangenheit auf die optischeEinschätzung der Filter und auf Ver-suche angewiesen. Mit der Eurovent-Richtlinie 4/11, die auf Basis des nachEN 779:2012 standardisiert gemesse-nen Druckdifferenzverlaufes eineEnergieklassifizierung vornimmt, istnun ein objektiver Vergleich möglich.

Können alle Anlagen-betreiber mit dem Einsatzenergetisch günstigerLuftfilter Energie sparen?

Zu jedem Ventilator werden vomHersteller Kennlinien ermittelt, dieden erzeugten Volumenstrom alsFunktion der Lüfterpressung bei kon-stanter Drehzahl darstellen. In diesesKennliniendiagramm wird die Anla-genkennlinie eingetragen. Die Anla-genkennlinie ist die Druckdifferenz-kurve der Anlage, also die Summealler Druckdifferenzen der Einzel-komponenten in Abhängigkeit vomVolumenstrom. Der Punkt, an demsich die Anlagenkennlinie mit derVentilatorkennlinie kreuzt, wird alsBetriebspunkt bezeichnet (siehe Ab-bildung 5, rot eingetragen für eineAnlage mit Filter A). An diesemPunkt kann der vom Ventilator beieiner bestimmten Drehzahl erzeugteVolumenstrom der Anlage (VA) abge-lesen werden. Wenn sich nun dieDruckdifferenz der Anlage durch

den Einsatz energetisch günstigererFilter verringert, dann ergibt sichbei gleicher Ventilatordrehzahl einneuer Betriebspunkt (siehe Abbil-dung 5, hellblau dargestellt). Dervom Ventilator bei konstanter Dreh-zahl erzeugte Volumenstrom nimmtzu (VB). Wenn keine Volumenstrom-erhöhung benötigt wird, kann bei ei-nem regelbaren Ventilator dieser nunauf eine niedrigere Frequenz einge-stellt und damit in der Drehzahl he-runter geregelt werden, bis er wiedernur den Soll-Volumenstrom (VA) för-dert (siehe Abbildung 5, dunkelblaudargestellt). Je niedriger die Fre-quenz/Drehzahl bei konstantemWirkungsgrad, desto weniger Ener-gie verbraucht der Ventilator. Die Be-nutzung frequenzgeregelter Ventila-toren (oder anderer leistungsreduzie-render Regelungen) ist Vorausset-zung für eine Energieeinsparungdurch den Einsatz energetisch güns-tiger Luftfilter. Bei Verwendung vonVentilatoren mit fester Drehzahl, beidenen der Anlagenvolumenstromz.B. durch das Öffnen und Schließenvon Drossel- oder Bypassklappen ge-regelt wird, besteht diese Energie-sparmöglichkeit nicht. In der Praxiskann es aber auch bei solchen Anla-

gen durchaus sinnvoll sein, auf Filtermit möglichst flachem Druckdiffe-renzanstieg zu achten. Der mit die-sen Filtern erzielbare höhere Volu-menstrom kann genutzt oder dieEinsatzdauer der Filter deutlich ver-längert werden.

Was macht denenergetisch günstigenLuftfilter aus?

Ein erster wichtiger Punkt ist hierbeidie nutzbare Filterfläche und derAufbau des Filtermediums. Die ein-gesetzten Filtermedien sollten mög-lichst offen und progressiv aufgebautsein. Dadurch lagern sich die Partikelüber die ganze Tiefe des Filtermedi-ums ein und eine frühzeitige Blo-ckade wird vermieden. Genausowichtig ist die Medienanordnung,die strömungsgünstig ausgeformtsein muss. Die Form muss auch un-ter Last in der Anwendung stabilsein, damit die verbaute Filterflächeoptimal genutzt werden kann undkeine unnötigen Turbulenzen entste-hen. Bei plissierten Filtermedien inKassettenfiltern betrifft das die beimPlissieren entstehende Faltengeo-metrie und die Fixierung der Falten.

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Abb. 5: Anlagenkennfeld.

Diese erfolgt zumeist mitSchmelzkleberfäden,zum Teil aber auch mitSeparatoren oder durchAusprägungen. Eine V-förmige Faltengeometrieist am günstigsten, we-sentlich besser als bei-spielsweise eine recht-winklige Ausformung(siehe Abbildung 6) [4].Auch die Taschen vonTaschenfiltern sollten V-förmig ausgebildet sein.Damit die Medienanord-nung über die Einsatz-zeit Bestand hat, ist einehohe Steifigkeit des Fil-termediums erforderlich,um z.B. ein Aufblähen zuverhindern. Insbeson-dere bei Taschenfiltern,einer Bauform mit be-sonders großer Bautiefe,ist dies ein wesentlicherPunkt. Wenn die Taschenohne Durchströmungmit Luft herunterhän-gen, ist allein für das Auf-richten der Taschen einMindestdruck notwen-dig, der zusätzlich vomVentilator zu erbringenist (siehe Abbildung 7).Ebenso ist es ungünstig,

wenn die Taschen im Luftstrom flat-tern, sich aufblähen oder gegenseitigberühren. Als letztes sind noch dergenerelle Filteraufbau und die Rah-mung zu nennen, die auch einendeutlichen Einfluss auf das Verhaltendes Filterelementes haben. Beispiels-weise können die Taschen eines Ta-schenfilters durch zusätzliche, ko-nisch gestaltete Abstandshalter strö-mungsgünstig ausgeformt und wei-ter versteift werden. Alle der obengenannten Faktoren beeinflussen zu-sammen das Strömungsverhaltender Luftfilter. Da sich die einzelnenEffekte meist überlagern, müssen alleDesignmerkmale eines Filters opti-mal zusammenwirken und aufeinan-der abgestimmt sein. Zum Beispielbedeutet eine höhere Filterfläche al-lein nicht notwendigerweise, dass einFilter auch energetisch günstiger be-trieben werden kann. Es ist nahezuunmöglich, das energetische Verhal-ten eines Luftfilters an Hand der Op-tik oder der Datenblätter zu beurtei-len. Umso wichtiger ist die nun ver-fügbare objektive Bewertung durchdie Eurovent-Richtlinie 4/11 zu se-hen.

Wie ist bei der Filter-auswahl vorzugehen?

Vor Beginn der Filterauswahl musseine Analyse der Ist-Situation erfol-gen. Für jede Anlage ist das indivi-duell erforderliche Schutzziel fest-zulegen. Aus den Informationenüber die zu filternde Luft, den An-forderungen an die Luftreinheit undden Anlagendaten werden die An-forderungen an die Filtration defi-niert. Erst danach kann das energie-effizienteste Produkt innerhalb die-ser Spezifikation ausgewählt wer-den. Dabei sollte auf eine möglichstgenaue Erfüllung der Spezifikationgeachtet werden. Eine Übererfüllungder Anforderungen an die Luftrein-heit durch Auswahl zu hoher Filter-effizienzen führt in der Regel zu ei-nem größeren Energieverbrauch. Jehöher die Filterklasse oder der Ab-scheide- bzw. Wirkungsgrad ist(auch innerhalb der Filterklassen),

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Prozesstechnik

TechnoPharm 3, Nr. 5 (2013)© ECV . Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)10 Tapper . Energiesparen mit Luftfiltern

Abb. 6: Medienanordnung im Luftfilter.

Abb. 7: Vergleich verschiedener Filterqualitäten in der Anwendung.

desto dichter muss das Medium seinund desto höher ist die zu erwar-tende Druckdifferenz der Filter. Imgegenteiligen Extrem ist der energe-tisch günstigste Filter der, der weg-gelassen wird. Daher sollte bei derAuswahl der Filter aus energetischerSicht nicht über, aber auch nicht un-ter die individuellen, realen Anforde-rungen an die Luftreinheit hinaus-gegangen werden. Um dies sicher-zustellen, ist es empfehlenswert, aufdie Eurovent-Zertifizierung [5] derFilter zu achten, die eine unabhän-gige Überprüfung der wesentlichenFilterkennwerte bei den Produktender teilnehmenden Unternehmen si-cherstellt.

Wie hoch ist dasEinsparpotential?

Untersuchungen haben gezeigt, dassim industriellen Bereich ca. 15 % deselektrischen Energiebedarfs für denBetrieb von Ventilatoren in Lüftungs-anlagen verwendet wird, bei Büro-gebäuden bereits ca. 40 % und inReinräumen sogar ca. 80 %. In denLüftungsanlagen wiederum hängenetwa 1/3 der Energiekosten direktvon den eingesetzten Luftfiltern ab.

Daher zeigt für Luftfilter eine Kosten-bilanz über die Einsatzzeit, dass ca.70-80 % der Gesamtkosten der Filtra-tion auf den Energiebedarf im Ein-satz zurückzuführen sind. Die An-schaffungskosten zusammen mitden Wechsel- und Entsorgungskos-ten machen dagegen einen ver-gleichsweise geringen Teil aus. Daherkönnen im Einzelfall deutliche Ein-sparungen durch den Einsatz energe-tisch günstigerer Luftfilter erzieltwerden.

Fazit

Der Druckverlust von Luftfilternnimmt mit der Zeit mit steigenderPartikeleinlagerung zu. Da bei gere-gelten Ventilatoren der Energiever-brauch direkt von dem Druckverlustder Anlage abhängt, ist ein flacherDruckdifferenzanstieg das entschei-dende Merkmal für einen energieef-fizienten Luftfilter. Ob ein Luftfilterin der Anwendung ein energetischgünstiges Verhalten zeigt, kann so-mit weder optisch noch durch Prü-fung der üblichen Datenblätter ab-schließend beurteilt werden. DieEurovent-Richtlinie 4/11 bietethierzu eine objektive Grundlage an-

hand des Druckdifferenzverlaufesund die Eurovent-Zertifizierungstellt die Richtigkeit der genanntenDaten sicher. Basis für die optimaleFilterauswahl muss die möglichstgenaue Erreichung der individuellermittelten Schutzziele sein. Dannkann die Entscheidung für den Fil-ter mit der höchsten Energieeffi-zienzklasse zu deutlichen Energie-einsparungen bei gleichzeitig guterLuftreinheit führen.

Fachliteratur[1] DIN EN 779: Partikel-Luftfilter für die all-

gemeine Raumlufttechnik, Bestimmungder Filterleistung. Deutsche Fassung EN779:2012, Beuth Verlag, Berlin, 2012.

[2] EUROVENT 4/11: Energy efficiency clas-sification of air filters for general ventila-tion. Association of the European refri-geration, air conditioning, air handling,heating and ventilation industry (EURO-VENT), Paris, 2011.

[3] TechnoPharm 4/2012: Leistungsprüfungvon Luftfiltern: Normen und Richtlinienfür das 21. Jahrhundert, Editio CantorVerlag GmbH, Landsberg, 2012.

[4] Caesar, Th.; Schroth, Th.: Einfluß derFaltengeometrie auf die Druckdifferenztiefgefalteter Kassettenfilter. F & S Fil-trieren und Separieren, Jahrgang 16, Nr. 3,2002.

[5] Eurovent Zertifizierung: http://www.eurovent-certification.com

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Der vorliegende Sonderdruck basiert auf den gereviewten Originalarbeiten der Autoren, veröffentlicht in TechnoPharm 4/2012 und 5/2013.Die hier veröffentlichten Inhalte und Grafiken sind identisch mit den Originalen. Aus Gründen der Lesbarkeit wurde das Layout angepasst.Redaktion: Chefredakteur: Claudius Arndt, Redakteurin: Kerstin Jarosch. Verlag: ECV · Editio Cantor Verlag für Medizin und Naturwissenschaften GmbH,Baendelstockweg 20, 88326 Aulendorf (Gemany). Tel.: +49 (0) 81 91-9 85 78 12, Fax: +49 (0) 81 91-9 85 78 19. e-mail: [email protected]. http://www.ecv.de.Herstellung: Rombach Druck- und Verlagshaus GmbH & Co. KG / Holzmann Druck GmbH & Co. KG. Alle Rechte vorbehalten.

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