L’any 2013, ASHRAE estimava que la superfície de Sales netes construïda al món superava els 12 milions de m2, amb un creixement anual del 5%. Així doncs, podem suposar que a data d’avui aquesta xifra pot haver superat àmpliament els 15 milions de m2.
Les Sales netes tenen aplicació i ús en un rang cada vegada més ampli d’activitats industrials i d’investigació; ja no estan relacionades només a sectors d’alta tecnificació i un alt valor afegit. Tot i això, els criteris de disseny, càlcul, construcció i explotació de Sales netes s’han mantingut, pràcticament sense canvis, des dels temps en què aquestes sales es dissenyaven per a indústries d’un alt valor afegit i que, a més, eren temps de costos energètics baixos.
Actualment, la situació ha canviat, els usuaris de Sales netes pertanyen a sectors molt diversos, i molts d’ells amb condicionants de mercat i d’expectatives de retorn d’inversió més modestes i, a més, en una situació comuna d’augment creixent dels costos energètics.
Encara queden sectors d’usuaris de Sales netes que, per la seva tecnificació i excepcionalitat, mantenen un alt valor afegit dels seus productes, amb retorns d’inversió molt alts. Però, fins i tot aquests casos estan sotmesos a una pressió social, institucional i mediàtica per a reduir els seus consums energètics.
En aquesta línia, s’ha editat la part 16 de la famosa ISO 14644 “Sales netes i Locals Annexos Controlats”, dedicada a l’Eficiència Energètica a les Sales netes. Aquesta norma defineix el procés per a reduir i optimitzar els costos energètics, actuant d’una manera global sobre el procés de cicle de vida de la Sala neta, des del disseny conceptual fins al desmantellament i posada fora d’ús. És d’aplicació no només a sales de nova construcció o en procés de reforma, també és aplicable a Sales netes existents i actives.
ISO 14644-16 proposa un enfocament sistemàtic per a l’avaluació de l’estalvi d’energia basat en set passos:
1.- Revisió dels Requisits d’Usuari (URS) i examen del dissenyo des del punt de vista de l’eficiència energètica
2.- Anàlisi comparativa dels rendiments de la Sala neta
3.- Identificació de les oportunitats de reducció d’energia
4.- Avaluació de l’impacte de les oportunitats de reducció d’energia
5.- Selecció de les oportunitats de reducció d’energia
6.- Implementació
7 - Monitorització i retorn d’experiència
Els Requeriments d’Usuari (URS) són la “primera pedra” en la construcció d’una Sala Blanca, i de la seva correcta definició depen en gran mesura el consum energètic de la futura instal·lació.
ISO 14644-16 concedeix una importància capital a una correcta i equilibrada redacció d'URS:
De vegades, es considera que com més estrictes i restrictives siguin les condicions que s’exigeixen a la Sala Blanca, major serà la seva qualitat. En realitat, la sobre-especificació només dóna “aparença” de qualitat i afegeix complexitat tècnica, cost d'instal·lació i cost d'explotació.
Per exemple, condicions com la temperatura i la humitat definides amb límits més estrictes dels necessaris poden tenir un impacte econòmic important sense aportar valor de qualitat. En moltes Sales netes els productes o materials processats tenen uns límits termohigromètrics més amplis que els límits de confort dels operaris. En aquest sentit, ISO 14644-16 recorda que els límits de confort generalment admesos per a la humitat relativa estan en el rang del 30-70%, però és molt comú trobar especificacions d’humitat relativa interior del 40-60% o 45-55% en instal·lacions que són eminentment de confort.
Un altre factor important on la sobre-especificació és contraproduent és la “petjada” de la Sala neta; com més gran és una Sala o Zona neta, major serà el seu cost energètic. Per tant, les URS han d'ajudar a definir un layout racional, on els espais estiguin ajustats a les seves necessitats reals i coordinats en funció del flux de procés per a perdre el menor espai possible en passadissos i zones de connexió.
Hi ha conceptes en els que, paradoxalment, la sobre-especificació pot ajudar a la racionalització energètica. El personal és el major focus de contaminació d'una Sala neta i, per tant, la majoria de l’esforç de disseny va destinat a eliminar la contaminació aportada per les persones. Per tant, una especificació més estricta de la vestimenta dins la Sala neta reduirà la contaminació emesa i, per tant, el treball de la instal·lació per a mantenir les condicions de classificació.
El moviment d'aire amb la compensació de temperatura i humitat és una de les principals fonts de consum energètic a les Sales netes, de manera que la reducció del caudal d'aire impulsat impacta directament en el consum energètic. En general, el volum d'aire és proporcional al cub de la potència del ventilador. Per tant, una reducció a la meitat del volum d'aire redueix el consum del ventilador en un factor de vuit.
Possiblement, un dels conceptes més estesos i associats a les Sales netes és el concepte de recirculacions/hora o canvis/hora (ACH, Air Changes per Hour). És un concepte gairebé sagrat i pràcticament intocable. Moltes Sales netes són qüestionades i fins i tot rebutjades per no acomplir escrupolosament les ACH especificades, independentment del fet que els comptatges de partícules en repòs i activitat es mantinguin clarament dins dels límits.
ISO 14644-16 desmitifica i qüestiona la utilitat real de les ACH com a mètode de càlcul per a la definició dels caudals de ventilació. La funció de la ventilació en una Sala neta és eliminar les partícules generades per l’activitat a l’interior de la pròpia sala. Per tant, la norma proposa calcular el caudal de ventilació a partir de les partícules emeses a l’interior de la sala per unitat de temps mitjançant la fórmula:
C: Concentració necessària de partícules d'un volum determinat (comptatges/m3);
D: Taxa total d’emissió de partícules del personal i dels equips, en (comptatges/s);
Q: Caudal d'aire d’impulsió (m3/s);
Ɛ: Eficàcia de la ventilació (adimensional).
La part més difícil és l’estimació dels paràmetres D i Ɛ.
La taxa d’emissió dels equips es pot suposar realment baixa, ja que un dels condicionants per als equips i materials que entren a una Sala neta és que precisament no generen partícules. La major taxa de partícules prové de les persones i depen fonamentalment de la vestimenta i el nivell d’activitat.
El paràmetre Ɛ també és difícil d’estimar, ja que depen de les característiques i la posició de les entrades i sortides d'aire, de la geometria de la sala, posició d’equips, etc. Possiblement, l’ús o de sistemes CFD pot ajudar a aquesta estimació.
El paràmetre C seria el nivell de partícules corresponent a la classe ISO que es pretén aconseguir, tot i que la norma recomana prendre un nivell inferior de partícules com a “nivell d’alerta o seguretat”. Així, per a una ISO 7 que permet fins a 352.000 partícules/m3 de 0,5µ s’hauria de triar un paràmetre C netament inferior (per exemple, 1/3 que serien 117.330, o 1/4 que serien 88.000).
En qualsevol cas, els valors D i Ɛ sempre seran teòrics i subjectes a controvèrsia. ISO 14644-16 proposa complementar el càlcul teòric amb un sistema alternatiu experimental, basat en el mesurament real de partícules a la sala en condicions operatives. El sistema es desenvolupa en tres etapes:
1.- Disseny: Es determina un caudal Q1 mitjançant una estimació inicial d’emissió de partícules i efectivitat de la ventilació. Per a aquest primer disseny, es poden prendre dades molt conservadores, ja que es considera que el caudal obtingut, Q1, serà optimitzat en els següents passos.
2.- Assaig: S’assaja el caudal Q1 a la sala en condicions operatives i es mesuren les concentracions reals per a diferents volums de partícules. Amb les dades obtingudes, es calcula un nou caudal Q2, generalment menor que Q1, que aconseguiria els resultats esperats.
3.- Operació: S'utilitza el caudal Q2 en operació i s'utilitzen les dades de monitorització per a confirmar que és el caudal adequant o per a optimitzar un nou caudal Q3 més eficient.
En qualsevol cas, el caudal final, a més d’aconseguir l’índex de neteja necessària, no ha de comprometre altres paràmetres de la Sala neta com la temperatura, la humitat i la pressió.
Aquest nou enfocament deixa sense valor real el concepte de recirculacions/hora o ACH. La pròpia norma dóna un exemple molt clar: Dues Sales netes amb les mateixes fonts d’emissió de partícules necessiten el mateix caudal d'aire, però si una té més alçada (i, per tant, més volum) les ACH serien diferents, tot i que el resultat a nivell de partícules serà similar en ambdues sales.
En els períodes d’inactivitat, quan el personal, que és el factor màxim de generació de partícules, no és dins la sala, podria reduir-se el regim de ventilació sense comprometre la classificació de la sala. La reducció ha d’anar coordinada amb un ajustament automàtic en les composades de retorn per tal de mantenir el règim de pressió relativa a la sala, que també podria ser de menor valor que el necessari durant el període d’activitat.
Durant el període d’inactivitat a funcionament reduït és important tancar els punts d'accés a la sala per tal d’evitar l’entrada de contaminació.
Durant llargs períodes d’inactivitat, pot ser més rendible aturar el sistema de ventilació. Per a això, cal analitzar l’impacte de la parada, avaluant la contaminació produïda per la despressurització, la migració de partícules a l’interior, les necessitats de neteja abans de reiniciar la instal·lació i el temps de recuperació necessari per a tornar a l’estat d’operació.
Un cop ISO 14644-16 desmitifica les recirculacions/hora o ACH, la conseqüència és la desmitificació d’un altre concepte, també intocable fins al moment i que s’associa a les ACH: el caudal constant en impulsió. Fins ara, les premisses bàsiques de ventilació en una Sala neta eren caudal constant en impulsió i caudal variable (per a control de pressió) en retorn. Però, si s’accepta que el caudal d’impulsió depen de l’emissió de partícules, la variació en la taxa d’emissió de partícules implicaria la possibilitat de variació en el caudal d’impulsió.
Això introdueix el concepte de “control adaptatiu”. Hi ha sectors en els que cal una monitorització contínua de les partícules en la Sala neta; per exemple, Annex 1 GMP per a graus A i B o la normativa aeroespacial europea ECSS per a totes les classes fins a ISO 8.
Si hi ha un sistema de monitorització en continu, és possible definir un procediment de control que ajusti el caudal d’impulsió proporcionalment a les partícules detectades en temps real. No és un procediment senzill, ja que implica un filtrat i un càlcul mitjà dels comptatges per a tenir un senyal de control estable i considerar altres factors que han de mantenir-se, com la pressurització i l’adequat control de temperatura i humitat. Tot i això, ben desenvolupat, pot ser un dels sistemes de gestió energètica més eficient per a Sales netes.
En els sistemes de flux unidireccional (UDAF), el factor determinant no és el caudal d'aire sinó la velocitat. El valor de 0,45m/s ±20% (0,36-0,54m/s) s’ha mantingut inamovible des del moment que va ser definit en els anys 60 per la US Air Force i consagrat per la venerable US FED-STD 209.
ISO 14644-16 suggereix aplicar el mateix raonament utilitzat per a reduir el caudal en les instal·lacions de flux turbulent i reduir la velocitat de les unitats UDAF en els períodes sense activitat dins seu. La norma indica que, en condicions de poca o nul·la activitat, la velocitat podria reduir-se un 0,2-0,3m/s.
La norma també suggereix avaluar la possibilitat d’aturar les unitats UDAF instal·lades a l’interior de Sales netes en els períodes d’inactivitat. En general, el caudal d'aire d'un UDAF acostuma a ser molt superior al caudal d'aire de la Sala neta en la qual està instal·lada, de manera que l’estalvi energètic aconseguit tindrà un impacte considerable.
Perquè una reducció de caudal es transformi en estalvi energètic, cal comptar amb ventiladors que puguin traduir les reduccions de caudal en reduccions d’energia sense pèrdues mecàniques o d’eficiència. Per a seleccionar els ventiladors d'una Sala neta, cal tenir en compte:
- Alta eficiència: per a transformar la reducció de caudal en estalvi energètic.
- Variació de velocitat: per a permetre un control adequat del caudal necessari.
- Transmissió directa: Per a evitar les pèrdues de transmissió entre el motor i la turbina. (Les transmissions clàssiques de corretges i politges, quan estan en bones condicions, consumeixen entre un 10 i un 15% de l’energia total del motor; amb corretges deficients o destesades per l’ús, les pèrdues són molt superiors).
Els filtres d'aire són una part essencial de les Sales netes, però també són un factor important de consum energètic. Les altes eficiències de filtració impliquen altes pèrdues de càrrega, i la pèrdua de càrrega està directament relacionada amb l’energia necessària per a combatre-la. En general, la pèrdua de càrrega és proporcional al quadrat de la velocitat, i la velocitat és proporcional al cub de la potència, de manera que una reducció de pèrdua de càrrega del 50% redueix la potència del ventilador en un factor de 2,8.
El sobredimensionament de filtres és una causa important de l’augment del consum energètic en Sales netes. L’addició d’etapes de filtració redundants, en número i eficàcia per sobre de les necessitats, augmenta exponencialment el consum sense afegir qualitat real a l’ambient classificat.
D’altra banda, la sobreutilització de filtres, mantenint filtres encara efectius, però amb un alt índex de rebliment, també augmenta el cost energètic de la instal·lació. En aquest sentit, ISO 14644-16 recomana aplicar una política de “cicle de vida” als filtres, substituint els filtres amb criteri d’eficiència energètica; és a dir, quan l’augment de cost per consum d’energia supera el cost d’amortització del filtre nou.
Les càrregues tèrmiques, de fred i calor, són un altre dels grans factors de consum d’energia en una Sala neta. ISO 14644-16 recomana abordar l'eficiència energètica de les càrregues tèrmiques des de diferents angles:
- Reducció de la càrrega tèrmica: Incrementant l’eficàcia de l’aïllament respecte de l’exterior i racionalitzant les càrregues internes, estudiant com minimitzar o aïllar les càrregues tèrmiques interiors.
- Racionalització dels punts de consigna: Seleccionant punts de consigna i rangs de variabilitat segons les necessitats reals de la sala. ISO 14644-16 indica la possibilitat de deixar que la humitat pugui fluctuar entre el 30 i el 70% quan el requeriment de control d’humitat únicament és per confort dels ocupants. També s'aconsella especificar punts de consigna, de temperatura i humitat, més flexibles en períodes de baixa ocupació o repòs.
- Racionalització de l’aire exterior: La presa d'aire exterior (TAE) és un dels principals focus de càrrega tèrmica en el sistema d’HVAC d'una Sala neta. La taxa d'aire exterior ha de calcular-se i justificar-se en funció de les necessitats de sobrepressió, oxigenació i ventilació. És molt habitual determinar el caudal d'aire exterior com un percentatge del caudal total d’impulsió. D’acord amb ISO 14644-16, aquesta pràctica no té cap base racional de justificació, no aporta qualitat a la Sala neta i és una font d’ineficiència energètica.
Lamentablement, en la versió en espanyol editada per AENOR s’ha traduït erròniament “Fresh Air” (és a dir, aire exterior o de reposició) com “aire net”, de manera que alguns raonaments com la taxa de Renovació d'aire (ACE) o les recomanacions de reducció del caudal d'aire exterior són confusos i difícils d'entendre en el text en espanyol. Al llarg del text es barregen dos conceptes diferents sota la mateixa definició. En algunes parts del text, “aire net” s'associa al concepte d'aire filtrat amb baix nivell de partícules, mentre que en altres parts el concepte “aire net” s'associa amb l’aire exterior de renovació.
ISO 14644-16 és un document realment útil per a racionalitzar i reduir el consum energètic de les Sales Blanques. Ofereix una metodologia ben estructurada i fonamentada que cobreix tots els factors que afecten el rendiment de les Sales Blanques. La seva metodologia és d’aplicació tant a les instal·lacions noves o en procés de reforma com a les instal·lacions en funcionament.
Les indústries relacionades amb les Sales netes tenen en ISO 14644-16 un document fonamental per a mantenir costos operatius viables, optar a subvencions o exempcions associades a factors d’eficiència energètica o acomplir polítiques de responsabilitat social en sostenibilitat.