Die Königdisziplin der TGA

Die Kälte- und Lüftungstechnik zählt in einer Gewerbeimmobilie schon zu den anspruchsvollsten Gewerken der TGA (Technischen Gebäudeausrüstung). Die Königsdisziplin, an die sich aber nur wenige Fachfirmen wagen, ist jedoch die Realisierung der Reinraumtechnik. Die Firma Gering Kälte Klima aus Belm hat sich dieser Aufgabe schon mehrfach erfolgreich gestellt. Jüngstes Beispiel ist die Werkserweiterung des Arzneimittelherstellers Wiewelhove in Ibbenbüren, bei der der Betrieb von Klaus Gering die komplette Planung und Ausführung der Gebäudetechnik nahezu im Alleingang bewältigte.

Das Hauptgeschäftsfeld der Firma Wiewelhove (www.wiewelhove.de) ist die Auftragsherstellung fester, oraler Arzneiformen. Tabletten und Kapseln werden für namhafte Hersteller gefertigt, verpackt und konfektioniert. Die Firma Gering arbeitet seit Ende der 90er Jahre für den Kunden an verschiedenen Projekten, wie z.B. Erstellung von Klimakammern für die Stabilitätsprüfung und Lagerung von Rückstellmustern, Renovierung, energetische Sanierung von Kälte-/Klima-/Lüftungsanlagen, Klimatisierung von Verwaltungsgebäuden mit Luft-Luft-Wärmepumpen zum Heizen (monovalent) und Kühlen. Wartung und Service für die Anlagen gehören selbstverständlich dazu.

Projekt nach GMP-Richtlinien geplant | Im Herbst 2007 wurde die Firma Gering in die Vorplanung für eine Werkserweiterung der Produktion einbezogen. Im Dezember 2007 wurde dann der Planungsauftrag zur Umsetzung des Konzeptes erteilt – mit Erfolg, denn im Herbst 2008 wurde nach erfolgter Planung der Auftrag für die Anlagen erteilt. Die wichtigsten Punkte in der Vorplanung waren: automatisierte Luftführung, Druckhaltung in den Räumen nach dem „clean floor“-Prinzip, um Cross-Kontaminationen zu verhindern (d.h. Ausgangsstoffe dürfen nicht von einem Raum in den anderen Raum gelangen; dies wird durch unbedingt einzuhaltende Druckdifferenzen zwischen Produktionsräumen, Fluren und dem Eingangsbereich gewährleistet), Energieeffizienz aller technischen Einrichtungen, sowie intensive Zusammen- und Zuarbeit mit dem Qualifizierungsteam von Wiewelhove zur Qualifizierung der Anlage nach GMP.

Unter GMP (Good Manufacturing Practice, „Gute Herstellungspraxis“) versteht man Richtlinien zur Qualitätssicherung der Produktionsabläufe und -umgebung in der pharmazeutischen Produktion. In der pharmazeutischen Herstellung spielt die Qualitätssicherung eine zentrale Rolle, da hier Qualitätsabweichungen direkte Auswirkungen auf die Gesundheit der Verbraucher haben können. Ein GMP-gerechtes Qualitätsmanagementsystem dient der Gewährleistung der Produktqualität und der Erfüllung der für die Vermarktung verbindlichen Anforderungen der Gesundheitsbehörden. Verbunden damit ist aber auch eine für den Planer und Anlagenbauer, der nach GMP-Richtlinien arbeitet, extrem aufwändige Dokumentation. So muss z.B. jede verwendete Komponente mit zahlreichen Details (z.B. Herkunft und Materialeigenschaften) dokumentiert werden. Auch die Lasten- und Pflichtenhefte nehmen bei einem GMP-Projekt einen enormen Umfang an. Im Falle der Wiewelhove GmbH kamen auf diese Weise ganze vier Umzugskartons mit Dokumentationen und Unterlagen zusammen, die die Firma Gering dem Kunden nach Abschluss des Projekts übergab. Diese Sorgfalt hat natürlich ihren Preis. In der Pharmazeutischen Produktion wird bei GMP-qualifizierten Anlagen mit Mehrkosten (bezogen auf die Anlagenkosten) von etwa 25 bis 30 % nur für die Qualifizierung gerechnet – diese Qualifizierung muss der Betreiber aber zwingend durchführen, um überhaupt Arzneimittel produzieren zu dürfen. Entsprechend hoch sind daher auch die Anforderungen, die ein Betreiber an die Qualität einer Anlagenplanung und -ausführung stellt.

Perfekte Präsentation | Mit ausschlaggebend für die Entscheidung der Firma Wiewelhove war neben dem durchdachten Konzept und den positiven Erfahrungen, die sie bereits mit der Firma Gering bei anderen Projekten gemacht hatten, sicher auch die herausragende und professionelle Präsentation des Konzepts in Form einer beeindruckenden Powerpoint-Präsentation auf Basis der Kundenvorgaben. Für die Erstellung dieser Präsentation musste zwar viel Zeit investiert werden, aber die Erfahrungen von Klaus Gering und seinen Mitarbeitern auch aus anderen Projekten zeigen, dass sie oft das Zünglein an der Waage sein kann, wenn es darum geht einen Kunden zu überzeugen. In dieser Präsentation wurde auch deutlich hervorgehoben, welche Möglichkeiten genutzt werden können, um die Gesamtanlage möglichst energieeffizient zu betreiben. In die Präsentation eingebunden waren daher auch bereits schon eine detaillierte Schätzung der erforderlichen Luftvolumenströme, des Heiz- und Kältebedarfs, der Pumpenleistungen sowie der Energieströme und der damit verbunden Energierückgewinnungspotentiale. Dabei konnte dem Kunden anschaulich vermittelt werden, wie flexibel die geplante Gesamtanlage auf unterschiedliche Anforderungen und Betriebszustände reagieren kann und wie die Energieströme verschoben und unterschiedlich genutzt werden können.

Harmonische Baustelle | Die Bauarbeiten im neuen Werksteil bei Wiewelhove verliefen insgesamt sehr harmonisch und zügig ab, was u.a. darauf zurückzuführen ist, dass eine detaillierte Vorplanung gemacht worden war und dass nur wenige Baubeteiligte involviert waren. Die Firma Gering kann nämlich als großen Vorteil in die Waagschale werfen, dass sie die meisten Gewerke (Kälte, Klima, Elektro, Lüftung, Heizung, Rohrleitungsbau, Wärmerückgewinnung und vor allem die komplexe Steuer- und Regeltechnik) aus einer Hand anbieten kann. Dies reduziert die Reibungsverluste durch nötige Abstimmungen der am Bau Beteiligten deutlich. Zudem wurden auf der Baustelle wöchentliche Baumeetings einberufen, so dass ständig alle auf dem aktuellen Stand der Dinge waren. Und auch der Brandschutz-Sachverständige war früh vor Ort, damit die brandschutztechnischen Anforderungen im intensiven Dialog rechtzeitig berücksichtigt werden konnten. Vor allem die Planung der Entrauchung und der Kanalführung für die Nachströmung hatten es nämlich in sich, weil in einem Reinraum-Gebäude nicht einfach Produkte von der Stange verwendet werden können. So kamen Spezialklappen und Spezialmelder zum Einsatz. Letztere deshalb, weil man auf jeden Fall Fehlalarme vermeiden muss, die womöglich dazu führen könnten, dass die aufwändig hergestellten Reinraumbedingungen gestört werden. Dies würde möglicherweise hohe Produktionsverluste und längere Störungen im Produktionsbetrieb nach sich ziehen. Vor allem bei einer Firma wie der Wiewelhove GmbH, die als Auftragsfertiger agiert, muss ein solches Szenario auf jeden Fall vermieden werden.

Projekthintergrund | Die Firma Wiewelhove betreibt am Standort Dörnebrink in Ibbenbüren eine pharmazeutische Feststoffproduktion, die in den Räumen der Reinheitszone „hellgrau“ den Reinraumbedingungen in Anlehnung an die Klasse D unterliegt. Durch den Neubau wurde die bisherige Produktionsfläche um ca. zwei Drittel erweitert. Damit die neuen Räumlichkeiten mit der erforderlichen Luftqualität versorgt werden können, umfasste die Erweiterung drei neue Klimageräte, zwei Rückkühlwerke, einen Kaltwassersatz mit Kondensator, eine Verbundanlage als Kaltwassersatz bzw. Luft-Wasser-Wärmepumpe (umschaltbar) , einen Heiz-, Kühl- und Trennspeicher, einen Abluftwärmetauscher und ein entsprechendes Luftverteilnetz. Weiterhin wurden sechs Nasswäscher zur Reinigung der Abluft mit dem entsprechenden notwendigen Rohrleitungsnetz vorgesehen. Die Anlage wurde als Neuanlage einer prospektiven Qualifizierung unterzogen. Hoher Wert wurde bei der Planung auch auf die optische Gestaltung gelegt. So sollten die Anlagen auf dem Dach des Gebäudes von außen nicht sichtbar sein und wurden daher aufwändig eingehaust.

Wichtigste Aufgaben der Anlage sind die Konditionierung der Luft bzgl. der geforderten Temperatur- und Feuchtigkeitsvorgaben, die Einhaltung der Luftqualität gemäß der definierten Reinheitszone, die Aufrechterhaltung der Differenzdrücke nach dem „clean floor“-Prinzip  sowie die Einhaltung der definierten Luftwechselraten. Zudem mussten Reserven für zukünftige Erweiterungen berücksichtigt werden.

Grundsätzlich galt es zu berücksichtigen, auch in den Technikräumen eine möglichst effektive Raumnutzung zu realisieren. Daher wurde größter Wert darauf gelegt, alle Komponenten so kompakt wie möglich zu bauen und zu platzieren. Auf diese Weise konnten zum einen freie Flächen geschaffen werden, die bei einer evtl. Erweiterung der Produktion zur Aufnahme weiterer Lüftungs- und Kälteanlagen dienen können. Zum anderen bietet die Technikzentrale nun sehr breite Wege, damit im Falle einer Erweiterung oder bei Umbaumaßnahmen Maschinen und Geräte auch einfach an den gewünschten Platz transportiert werden können.

Anforderungen an die Kenn- und Leistungsdaten | Die Anforderungen an die lüftungstechnischen Einrichtungen der Reinheitszone „hellgrau“ lehnen sich an die Forderungen der Reinheitsklasse D an. Die Umgebung für die Reinheitszone „hellgrau“ ist die Reinheitszone „grau“. Die Anforderungen sind in der oberen Tabelle zusammengefasst.

RLT-Anlagen | Die Produktionsräume der Firma Wiewelhove werden mit einem definierten Luftwechsel klimatisiert. Das Volumen besteht ganzjährig aus 100 % Außenluft und wird nach strengen Vorgaben für Temperatur, Feuchte, Luftkeimen und Partikeln konditioniert. Weiterhin wird über die Lüftungsanlagen im Zusammenspiel mit den Raumdruckregelungen der Differenzdruck nach dem „clean floor-Prinzip“ gesteuert.

Einzelne Produktionsabschnitte (Tablettierung & Kapselbefüllung, Konfektionierung, Flure) werden durch unterschiedliche Klimageräte versorgt.

Kälteerzeugung | Der Kältebedarf für die Temperierung und Entfeuchtung wird durch zwei Kaltwassersätze realisiert. Als Kälteträger zirkuliert ein Wasser/Glykol-Gemisch auf Propylenbasis durch die entsprechenden Wärmeaustauscher. Die Kälteanlage 1 gibt die entstehende Abwärme an einen ebenfalls mit Wasser/Glykol durchströmten Kondensator ab. Die anfallende Energie wird je nach Bedarf in den Heizungspufferspeicher oder an die Rückkühler auf dem Technikdach geleitet.

Die Kälteanlage 2 ist im Gegensatz dazu mit einem luftgekühlten Direktkondensator auf dem Technikdach ausgestattet. Die gesamte Kälteleistung wird über einen gemeinsamen Kaltwasser-Pufferspeicher an die Vorkühlregister und Hauptkühlregister der Klimaanlagen verteilt. Als Sondernutzung ist die Kälterückgewinnung aus der Abluft bei Betrieb der Kälteanlagen 1 und 2 zu betrachten. Die Kälteanlagen sind mit Flüssigkeitsunterkühlern ausgestattet. Abluftwärmetauscher und Flüssigkeitsunterkühler werden dann über den Trennspeicher als Kreislaufverbundsystem betrieben. Das flüssige Kältemittel wird somit annähernd auf die Temperatur der Fortluft gesenkt. Der Wirkungsgrad der Kälteanlagen steigt dadurch um durchschnittlich 20 %.

Wärmeerzeugung | Der Wärmebedarf  für die Beheizung und Entfeuchtung wird je nach Betriebsbedingung durch vier verschiedene Energiequellen gedeckt.

Bei gleichzeitigem Kälte- und Wärmebedarf im Entfeuchtungsfall wird die Abwärme der Kälteanlage 1 über den Kreislauf an den Heizungs-Pufferspeicher gefördert. Ist die Abwärme größer als der Heizbedarf, wird die Energie an die Glykolrückkühler auf dem Technikdach geleitet und an die Außenluft abgeführt.

In einem Außentemperaturbereich von ca. +15 °C bis +3 °C kann die Kälteanlage 1 als Wärmepumpe betrieben werden. Wärmequelle ist dann die Außenluft im Austausch mit den Glykolrückkühlern auf dem Dach.

Bei Wärmebedarf an den Klimaanlagen wird das Vorkühlregister als so genanntes Change-over-Register zum Vorheizregister. Die Wärmeenergie hierfür entsteht aus dem Rückgewinnungsprozess der Abluft. Abluftwärmetauscher und Vorheizregister werden dann über den Trennspeicher im Kreislaufverbundsystem betrieben.

Ist die Wärmemenge bei tiefen Außentemperaturen nicht ausreichend, wird über einen Trenntauscher der Heizungs-Pufferspeicher durch die vorhandene Gasheizung versorgt.

Steuerung / Regelung | Die Steuerung der Anlagen und Geräte erfolgt über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Neben den Kälte-/Klima-Komponenten ist auch die Raumdruckregelung für das „clean floor“-Prinzip sowie die Steuerung der Abluftwäscher integriert.

Die Bedienung und Kommunikation wird mit einer Anlagenvisualisierung und Operator-Panels ausgeführt. Alle relevanten Daten werden über die Oberflächen angezeigt. Die Regelung der RLT-Anlagen erfolgt über integrierte DDC-Regler. Die Bedienoberfläche der DDC-Regler ist ebenfalls über den Visualisierungsbildschirm zugänglich. Eine Brandmeldeanlage sorgt im Alarmfall für die Abschaltung der RLT-Anlagen. Die Steuerung der Entrauchung und Nachströmung wird extern durch eigenständige Komponenten erfüllt. Über Schnittstellen ist eine differenzierte Alarmweiterleitung im Störungsfall gewährleistet. Alle Bediengeräte der Anlage (Operator Panel, Visualisierung) werden durch eine dreistufige Benutzersteuerung gegen ungewolltes (unbefugtes) Bedienen gesichert.

Raumdruckregelung | Bei der Druckregelung zum „clean floor“-Prinzip ist das Abluftvolumen des entsprechenden Raumes die bestimmende Größe. Sie ergibt sich aus dem vorgegebenen Luftwechsel. Die Anlage wurde dabei so konzipiert, dass die Regelung der Druckverhältnisse zwischen den Produktionsräumen und den Fluren vollautomatisch abläuft. Die Drücke werden dazu ständig überwacht, so dass sich das System ständig ohne Eingreifen durch Bedienpersonal nachregeln lässt. Die Wirksamkeit dieses Systems wurde der Firma Wiewelhove im Vorfeld von der Firma Gering in Form einer in der eigenen Werkstatt errichteten Testkammer im kleineren Maßstab vorgeführt.

Die Raumzuluft resultiert aus der geregelten Zuluftmenge und dem Überströmvolumen aus dem Flur. Die Flure der Produktionsräume werden in Abhängigkeit einer Differenzdruckmessung gegen Außen mit Zuluft beaufschlagt, die Luftmenge ergibt sich aus der Überströmung in die Produktionsräume und möglicher Undichtigkeiten der Flure gegen Außen. Die Differenzdruckmessung wird über eine Beruhigungsstrecke geführt, um Schwingungen durch meteorologische Einflüsse zu kompensieren. Der Sollwert für die Druckdifferenz gegen Außen ist so gewählt, dass auch die Produktionsräume (geringerer Druck als der Flur) noch  mit Überdruck gegen Außen gefahren werden.

Gleitender Sollwert | Im Zuge der kontinuierlichen energetischen Optimierung der Versorgungstechnik wurde ein neues Feature – gleitender Kaltwassersollwert nach absoluter Außenfeuchte – eingesetzt.

Der Hintergrund: Bedingt durch die Anforderung des Kunden an stabile Raumfeuchtebedingungen bei relativ niedriger Raumtemperatur (z.B. 19,5 °C / 58 % max.) auch bei extremen Wetterlagen (Warm/Feucht) musste die Vorlauftemperatur der Versorgungstechnik zur Gewährleistung der Entfeuchtungsleistung zeitweise bis auf 2 °C abgesenkt werden. Diese Änderungen wurden manuell, durch die Technik des Betreibers, ausgeführt als Reaktion auf Abweichungsmeldungen. Da die Wirtschaftlichkeit der Versorgungstechnik durch diese niedrigen Vorlauftemperaturen stark verschlechtert wurde, musste eine automatische Lösung her.

Die Lösung bestand darin, in die SPS der Anlage einen Fühler für Außenfeuchte und Temperatur einzubinden. Diese Werte werden in einem dafür programmierten Baustein in absolute Feuchte und Taupunkttemperatur umgewandelt. Ebenso wurde ein Baustein hergestellt zum automatischen Generieren eines Vorlauftemperatursollwertes als abhängige Funktion einstellbarer Außenfeuchte-Grenzen.

Ergebnis: Diese Überarbeitung war in mehrerer Hinsicht ein Erfolg, denn das Technikpersonal wird nicht mehr durch die Beobachtung und Anpassung der Sollwertführung belastet. Zudem wurde durch die frühzeitige Reaktion auf Veränderungen der Wetterlage der Verlauf der Feuchte-Regelung wesentlich beruhigt: Eine Leistungserhöhung der Kaltwasserversorgung wurde vorher als Reaktion auf die Veränderung der Regelgröße des Zuluft-Systems ausgelöst. Jetzt reagiert die Kälteanlage bereits vor der Raumregelung mit Erhöhung des Kältebedarfs (z.B. bei einsetzendem Regen). Die Verbundanlage der Kaltwassererzeugung zeigt hierdurch weniger Taktverhalten (längere Laufzeiten der Grundlaststufen): Eine frühere Reaktion auf Leistungsbedarf bedeutet eine geringere Amplitude der Leistungserzeugung.