TF3205 ANALISIS TERMAL

13 April 2010

SISTEM HVAC CLEANROOM

VICTOR SAMUEL (13307105)

Program Studi Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung,

Jalan Ganesha 10, Bandung 40132, Indonesia (e-mail: vctr_sml@yahoo.com)

A rapid development of nanotechnology product fabrication raises the necessity of cleanroom

significantly. The classification of cleanroom is determined by the amount and the size of existing

particles in the room. Mainly, there are two kinds of air that are dealed in the cleanroom—makeup

air and recirculating air. Both—with different treatment—need to be controlled to maintain the

cleanroom parameter.

Keywords: cleanroom, HVAC, refrigeration, filtration, humidification, dehumidification,

makeup air, recirculating air

INTRODUKSI

Perkembangan teknologi nano saat ini mengalami

kemajuan yang pesat dan akan semakin pesat di

tahun-tahun mendatang. Produk teknologi nano

sudah mulai banyak terjual di pasar dan terus

mengalami pengembangan seiring perkembangan

sains material (seperti carbon nanotubes atau

struktur nanokomposit atau partikel nano) atau

proses nanoteknologi (seperti nanopatterning atau

quantum dots untuk pencitraan medis). Produk-

produk ini terus dikembangkan dengan

menciptakan komponen-komponen yang lebih

kecil dan yang memiliki kinerja yang lebih baik dan

tentunya dengan harga yang lebih murah. Maka,

banyak perusahaan manufaktur “produk nano”

akan tumbuh pesat dan akan mendominasi semua

perusahaan industri. (1)

Manufaktur produk teknologi nano yang

meningkat pesat itu menyebabkan semakin

pentingnya kebutuhan akan cleanroom. Cleanroom

adalah suatu lingkungan yang dikondisikan secara

khusus tempat manufaktur itu terjadi (2)

.

Kebutuhan akan cleanroom terutama terkait

dengan ukuran produk yang dimanufaktur. Sesuai

namanya, teknologi nano berurusan struktur

berukuran yang lebih kecil dari 100 nanometer.

Sebagai pembanding, tebal rambut manusia

berukuran 80 000 nanometer dan partikel debu

yang kita temui sehari-hari berukuran sekitar 500

nanometer. Secara ekstrem, kita dapat bayangkan

manufaktur teknologi nano dilakukan di udara

bebas. Jutaan partikel debu dengan ukuran akan

“menghantam” sistem yang sedang dirancang.

Maka cleanroom harus ada.

Jenis udara di dalam cleanroom dibagi menjadi

dua: (1) makeup air yang berasal dari udara luar

dan (2) recirculating air (udara sirkulasi) yang terus

menerus diputar di dalam cleanroom—secara

unidirectional (laminer) ataupun multidirectional

(turbulen).

KLASIFIKASI CLEANROOM

Cleanroom digolongkan berdasarkan berapa bersih

udara di dalamnya. Ada dua standar yang

digunakan untuk ini: ISO dan US Federal Standards.

ISO memberi nomor secara sekuensial dari 1.

Cleanroom dengan kelas ISO 1 berarti ada kurang

dari sepuluh partikel setiap 0.1 mikrometer kubik.

ISO 2 berarti ada kurang dari 100 partikel per 0.1

mikrometer kubik. ISO 3 berarti 1000 dan

TF3205 Analisis Termal

13 April 2010 Victor Samuel

seterusnya. Penomoran US Federal Standards

adalah 1, 10, 100, 1000, dan seterusnya.

Penomoran ini secara sedeharan menunjukkan

jumlah partikel setiap 0.5 mikrometer kubik. (3)

PENYARINGAN UDARA SIRKULASI

Untuk menjaga kebersihan cleanroom diperlukan

penyaringan (filter) terhadap udara di cleanroom.

Biasanya, metode filter yang digunakan adalah

highly efficient particulate air (HEPA) atau ultra

low particulate air (ULPA).

Filter HEPA, dengan efisiensi 99.97% pada partikel

berukuran 0.3 mikron, telah menjadi andalan

industri cleanroom selama bertahun-tahun dan

masih banyak digunakan dalam industri farmasi.

Sedangkan filter ULPA dengan efisiensi 99.9995%

pada partikel berukuran 0.12 mikron telah banyak

digunakan untuk cleanroom berkelas ISO 1 sampai

dengan ISO 4. (4)

Kedua jenis filter ini dapat digunakan untuk

menyaring dua jenis aliran udara yang sengaja

dibiarkan mengalir pada cleanroom, yakni aliran

udara unidirectional (laminer) dan aliran udara

multidirectional (turbulen).

GAMBAR 1. CLEANROOM DENGAN POLA ALIRAN UDARA

LAMINER (4)

Aliran udara laminer adalah udara yang mengalir

lurus satu arah (unidirectional), tanpa dihalangi

atau dibelok-belokkan. Aliran udara ini terus

menerus dipertahankan di dalam cleanroom

melalui suatu saluran udara laminer yang

mengarahkan udara lurus dari atas ke bawah

(Gambar 1). Arsitektur cleanroom juga didesain

sedemikian rupa sehinga tidak menimbulkan

banyak turbulensi udara.

Filter HEPA digunakan untuk menyaring dan

membersihkan air yang masuk ke dalam

cleanroom. Filter laminer biasanya terdiri dari

stainless steel atau material lain yang dapat

menahan jumlah partikel yang yang masuk ke

dalam cleanroom. Filter-filter laminer biasanya

memakan tempat 80% dari langit-langit. (3)

GAMBAR 2. CLEANROOM DENGAN POLA ALIRAN UDARA

TURBULEN (4)

Selain unidirectional airflow cleanroom di atas, ada

juga non-unidirectional airflow cleanroom yang

menggunakan aliran air turbulen untuk

membersihkan udara dan mempertahankan

kebersihan cleanroom (Gambar 2). Aliran udara

turbulen menyebabkan pergerakkan partikel

searah dengan aliran udara. Ini memang membuat

pemisahan udara dengan partikel menjadi lebih

sulit, namun justru dengan pergerakan yang acak

itulah partikel dapat keluar dari ruangan.

PENDINGINAN UDARA SIRKULASI

Sensible heat ratio (perbandingan antara beban

kalor sensibel dengan total beban refrigerasi)

kebanyakan cleanroom bernilai lebih dari 95%.

Pendinginan biasanya dibutuhkan sepanjang tahun

karena adanya kalor yang dihasilkan dari kipas

aliran udara dan juga dari perlengkapan proses

TF3205 Analisis Termal

13 April 2010 Victor Samuel

yang ada di dalam cleanroom. Lima persen kalor

laten biasanya dikeluarkan oleh pekerja.

Di dalam cleanroom dengan kelas sangat bersih

atau menengah, sebagian besar udara yang

mengalir di dalam ruangan tidak dikondisikan,

hanya disirkulasikan kembali oleh kipas.

Pengondisian udara dilakukan dengan air handler

dengan menarik sebagian kecil dari total aliran

udara, lalu mendinginkannya, lalu dikembalikan ke

dalam aliran udara utama sebelum mencapai kipas

(Gambar 3). Temperatur dari udara yang masuk ke

dalam cleanroom itu mungkin hanya beberapa

derajat lebih dingin karena besarnya volum udara

total yang didinginkan. Perbedaan temperatur

yang kecil ini mengijinkan filter HEPA/ULPA yang

dipasang di langit-langit, dengan aliran udara turun

yang tidak terlalu dingin bagi pekerja di bawahnya.

Di dalam cleanroom dengan kelas kebersihan yang

lebih rendah (atau lebih “kotor”), total aliran

udara, dalam beberapa kasus, dapat didinginkan

secara normal. Namun, air yang masuk ke dalam

ruangan dapat 8.3 sampai 11°C lebih dingin dari

air yang keluar, yang dapat membuat pekerja

dibawahnya tidak nyaman. Untuk itu, diperlukan

diffuser atau strategi lain untuk meminimalkan

ketidaknyamanan tersebut.

MENANGANI UDARA LUAR:

MAKEUP AIR

Udara luar yang masuk ke dalam cleanroom harus

dikondisikan—menjadi makeup air—supaya

mempertahankan tekanan positif di dalam

cleanroom supaya jika terjadi

kebocoran, udara berpindah dari

cleanroom ke luar, bukan

sebaliknya. Makeup air menjadi

sangat mahal karena harus memiliki

kelembaban, kandungan, dan

kebersihan tertentu sebelum mauk

ke dalam cleanroom. Karena

kebutuhan makeup air tidak bisa

dihindarkan, jumlahnya harus

diminimalkan dengan kemungkinan

yang memenuhi syarat konservasi

energi dan ekonomi.

Tekanan dalam cleanroom biasanya

ditahan tetap positif relatif terhadap

udara lingkungan. Secara umum,

perbedaan 12 Pa direkomendasikan. Perbedaan

tekanan yang terlalu besar dapat menimbulkan

suara siulan di sela-sela lubang dan membuat

pintu sulit dibuka (atau ditutup). Di dalam ruang

yang memiliki tingkat kebersihan yang berbeda-

beda, biasanya dijaga perbedaan tekanan sebesar

5 Pa di antara masing-masing ruang yang

berbatasan, dengan tekanan yang lebih tinggi pada

ruang dengan tingkat kebersihan yang lebih tinggi.

Makeup air handler harus mengkondisikan udara

luar supaya sesuai dengan parameter desain

cleanroom. Untuk itu, dibutuhkan penyaringan,

pemanasan awal (pre-heating), pendinginan,

pemanasan kembali (reheating), dehumidifikasi

dan humidifikasi.

Di dalam dengan tingkat kebersihan yang tinggi,

biasanya penyaringan dibuat tiga lapis: (1) pre-

filter dengan efisiensi ASHRAE 30%, (2) filter

menengah dengan efisiensi 95%, dan (3)

HEPA/ULPA filter. Pada tingkat kebersihan yang

lebih rendah, dapat dipakai dua filter yang

pertama.

Pemanasan awal (pre-heating) sebelum masuk

ruangan biasanya digunakan ketika temperatur

luar berada di bawah 4°C di musim dingin.

Pendinginan dan dehumidifikasi dilakukan di

dalam kumparan dingin dengan titik embun (dew

GAMBAR 3. NON-UNIDIRECTIONAL CLEANROOM DENGAN KIPAS, AIR HANDLER, DAN

MAKEUP AIR UNIT (4)

TF3205 Analisis Termal

13 April 2010 Victor Samuel

point) yang diinginkan di dalam cleanroom sebesar

5.6°C. Karena temperatur tabung kering (dry-bulb)

ruangan dengan tingkat kebersihan tinggi dengan

pekerja berpakaian khusus dapat ditahan sebesar

19°C, maka biaya kontrol kelembaban—dengan

pendinginan—dapat ditekan lebih kecil di titik RH

40%.

Pemanasan kembali (reheating) dibutuhkan untuk

meningkatkan temperatur yang keluar dari

kumparan pendingin setelah dehumidifikasi—oleh

pendinginan. Dalam menghitung pemanasan

kembali, kalor yang ditambahkan dari kipas

dimasukkan ke dalam perhitungan. Ini dapat

signifikan di dalam cleanroom dengan tingkat

kebersihan tinggi.

Makeup air unit juga harus melakukan

pendinginan laten dan humidifikasi. Diasumsikan

kapasitas kalor laten diperoleh dari para pekerja

dan uap air yang masuk dari luar. Ini tergantung

dari kondisi udara luar, kondisi udara sekitar clean

room, dan proses yang terjadi yang mungkin dapat

menambahkan kandungan uap air ke dalam aliran

udara.

Di dalam cleanroom dengan kandungan udara luar

lebih rendah, unit pendingin sensibel dapat

didesain sebagai pengatur udara laten maupun

sensibel yang dapat mengkondisikan makeup air

dari luar maupun udara sirkulasi.

Di dalam cleanroom dengan klasifikasi kebersihan

yang lebih rendah, total volum udara sirkulasi

mungkin hampir sebesar volum udara yang

dikondisikan. Dalam kasus itu, mungkin tidak

diperlukan kipas sirkulasi sama sekali, tapi justru

digunakan air handler untuk mengkondisikan

sekaligus mensirkulasikan semua udara di dalam

cleanroom. (4)

REFERENSI

1. Introduction to Nanotechnology - What is

nanotechnology? Nanowerk. [Online] [Cited: April

13, 2010.]

http://www.nanowerk.com/nanotechnology/intro

duction/introduction_to_nanotechnology_1.php.

2. McFadden, Roger. A Basic Introduction to Clean

Rooms. Coastwide Laboratories. [Online] [Cited:

April 13, 2010.]

http://www.coastwidelabs.com/Technical%20Artic

les/Cleaning%20the%20Cleanroom.htm.

3. Cleanroom Air Principles. ThomasNet. [Online]

[Cited: April 13, 2010.]

http://www.thomasnet.com/articles/automation-

electronics/Cleanroom-Air-Flow-Principles.

4. Designing Clean Room HVAC Systems.

Schneider, Raymond K. October-December 2001,

s.l. : Indian Society of Heating, Refrigerating and

Air Conditioning Engineers, 2001.

5. Wikipedia Foundation, Inc. Cleanroom.

Wikipedia -- The Free Encyclopedia. [Online] April

3, 2010. [Cited: April 13, 2010.]

http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom.