Personalschleusen für Reinräume: kleiner ist oft teurer

Personalschleusen für Reinräume: kleiner ist oft teurer

Das Schleusensystem stellt für viele Betreiber von Reinräumen vor allem einen unliebsamen Kostenfaktor dar: Denn während der Reinraum wirtschaftlich messbaren Nutzen erbringt, erfordert der kontrollierte Zugang vor allem Fläche und Unterhalt, ohne fühlbar produktiv zu sein. Die Lösung, Personalschleusen möglichst klein zu halten, kann Unternehmen aber schon mittelfristig teuer zu stehen kommen. Das zeigt Florian Dittel, CTO von Dittel Engineering, in einer wissenschaftlichen Ausführung auf. Deren Ergebnisse und Anwendungsfelder stellt er auf dem Cleanzone Kongress am 24. und 25. Oktober 2012 in Frankfurt vor.

In seiner mit dem Albert-Tichelmann-Preis des VDI ausgezeichneten Diplomarbeit hat Dittel eine Formel entwickelt, um die wirtschaftlich optimale Größe von Personalschleusen für Reinräume zu errechnen. „Der Gedanke liegt nah, die Grundfläche von Luftschleusen aus Kostengründen möglichst zu minimieren. Um die jährlichen Aufwendungen einer Personalschleuse, seien es Betriebs- oder Investitionskosten, tatsächlich gering zu halten, ist es aber notwendig, alle Einflussfaktoren bereits im frühen Stadium der Konzeptionierung aufzuzeigen, zu bewerten und in die Planung einfließen zu lassen“, erläutert der Experte.

Stellschraube Größe

Obwohl die Personalschleuse unerlässlich für den Einsatz von Reinräumen ist und dazu einen beträchtlichen Kostenfaktor darstellt, lag bisher noch kein Rechenmodell für deren effiziente Auslegung, Bau und Betrieb vor. Dittel zeigt nun, dass sich die Gesamtkosten einer Personalschleuse nicht nur mathematisch darstellen lassen, sondern auch deren Größe, die einen ausschlaggebenden Einfluss auf den idealen und kostengünstigsten Betrieb hat, genau berechnet werden kann. Für die Berechnung der Kosten rund um Planung, Bau und Betrieb fließen grundsätzlich folgende Punkte ein:

Investitionskosten
- Allgemeine Gebäudemietkosten
- Investitionskosten der einzelnen Gewerke

Betriebskosten
- Personenbezogene Kosten
- Reinigungskosten
- Wartungskosten
- Betriebskosten der RLT-Anlage (raumlufttechnische Anlage)

Spezielle kostenrelevante Einflussfaktoren von Personalschleusen
- Industriezweig
- Reinheitsklasse
- Menge der Zuluft
- Verbrauchsgüter
- Personenanzahl
- Umkleidedauer
- Baugröße und Grundfläche

Diese Faktoren sind für den Betrieb der Personalschleuse unterschiedlich stark ausschlaggebend.

Hauptfaktor Personal

Der mit Abstand wichtigste Kostenpunkt jeder Personalschleuse ist das Personal selbst. Unabhängig von der Größe und Art der Schleuse bestimmt dieser Posten hauptsächlich die jährlichen Kosten des Betriebes. Er ist demnach für die Konzeption einer Schleuse besonders von Bedeutung. Die Kosten entstehen durch die Dauer des Umkleidens und die dadurch anfallenden Wartezeiten. An der Personenanzahl hängen dazu weiterhin Faktoren wie die Menge der Reinraumbekleidung und Verbrauchgüter sowie die Reinigung der Schleuse.

Konkrete Beispiele verdeutlichen, wie Personalstärke und Größe der Schleuse miteinander korrelieren: So liegt bei einem von Dittel berechneten Betrieb mit 130 Nutzern eines Reinraums Klasse 8 nach EN DIN ISO 14644-1 die ideale Grundfläche der Luftschleuse zwischen 95 und 170 qm. Da die untersuchte Firma einen Zweischichtbetrieb fährt, entstehen Stoßzeiten beim Umkleiden, die wie oben erwähnt erhöhte Personalkosten bedeuten. Werden diese mit in die Kalkulation der Schleusengröße eingerechnet, so ergibt sich der kostengünstigste Betrieb in Anbetracht der Betriebs- und Investkosten bei 125 qm. Grund: Die größere Schleuse ermöglicht mehr Menschen das Umziehen. Sie beschleunigt somit den Schichtwechsel, senkt die Wartezeiten vor der Schleuse, vermindert den Verzug im Produktionsprozess, bietet höheren Komfort für die Mitarbeiter und sichert dazu die Flexibilität bei Veränderungen oder Wachstum des Unternehmens.

Dass Sparen um jeden Preis teuer werden kann, zeigen auch „weiche Faktoren“ wie die Themen Schulung und Bequemlichkeit. Partikuläre und mikrobiologische Kontaminationen sind für den Menschen nicht sichtbar. So wird von den Mitarbeitern oftmals das Kontaminationsrisiko durch ein falsches Verhalten beim Einschleusen unterschätzt. Schulung sowie ein gewisses Entgegenkommen bei Kleidung und Raumgröße kann auf Dauer Kosten senken: „Sollte an Anleitung und Komfort eingespart werden, läuft ein Unternehmen Gefahr, dass seine Mitarbeiter die Personalschleuse falsch oder öfters als zwingend notwendig nutzen, bspw. für kurze Pausen, und somit das Risiko einer Kontamination erhöhen“, sagt Dittel.

Wissenstreffpunkt Cleanzone

Diese und weitere betriebswirtschaftliche Aspekte sowie seine betriebswirtschaftliche Formel in der konkreten Anwendung stellt Dittel in seinem Vortrag auf dem Cleanzone Kongress in Frankfurt am Main vor. Am 24. und 25. Oktober 2012 gibt dieser Wissenstreffpunkt einen Überblick über alle wesentlichen Themen von Planung, Bau und Betrieb von Reinräumen bis hin zu technologischen Entwicklungen und Zukunftsperspektiven der Reinraumtechnik. Der hochkarätige Kongress findet parallel zur Fachmesse Cleanzone statt, der neuen internationalen Fachmesse für Reinraumtechnologie. Sie präsentiert Hersteller aus den Bereichen Verbrauchsmaterialien, Reinraumtechnik, Anlagen und Baukomponenten sowie Universitäten und Hochschulen

Hintergrund: Luftschleusen in der Reinraumtechnik

Die in Reinräumen erforderliche Atmosphäre und Luftqualität ist durch den Menschen als größten Partikelträger einer ständigen Belastung ausgesetzt. Schleusensysteme in Verbindung mit der Raumlufttechnik sind daher eines der wichtigsten Elemente in der Reinraumtechnik. Erst die Schleuse ermöglicht es, zuverlässig die Kontaminationen in reinen Räumen erfolgreich zu steuern. Schleusen werden also eingesetzt
- um den Eintritt in eine höhere Reinheitsklasse zu ermöglichen, ohne den darin ablaufenden Prozess zu beeinflussen;
- zum Ein- und Ausschleusen von Personen und Gegenständen;
- zur Lagerung und Bereitstellung der Reinraumkleidung;
- um das Eindringen partikulärer- sowie mikrobiologischer Kontaminationen zu vermeiden.

Die Funktionsprinzipien in der Reinraumtechnik unterscheiden sich in turbulenzarme Verdrängungsströmung (Laminar Flow), turbulente Verdrängungsströmung und gerichtete Strömung. Sie werden je nach Zweck und Reinheitsklasse eingesetzt. Weiterhin werden drei verschiedene Konzepte zum Abgrenzen von reinen gegenüber unreineren Bereichen im Reinraum verwendet: Im Verdrängungskonzept sorgen gerichtete Luftströme für die klare Trennung von rein und unrein, im Differenzdruckkonzept vermeidet die Steuerung des Luftdrucks eine Vermischung der Bereiche und im Barriere-Konzept werden unüberwindbare Abgrenzungen wie Wände eingesetzt.

Unabhängig vom gewählten Funktionsprinzip dient die Personalschleuse immer als Pufferzone zwischen zwei Bereichen unterschiedlicher Reinheitsklassen und Druckniveaus – also beispielsweise zwischen Reinraum und Außenbereich oder Klasse B und C. In der Personalschleuse selbst wird in der Regel auf der „reinen Seite“ die gefilterte Luft durch sogenannte Schwebstofffilter eingeblasen und auf der „unreinen Seite“ in Bodennähe wieder abgesaugt. Sie verhindert damit, dass unerwünschte Kontaminationen von außen in den Reinraum eingeführt werden.