En 2013, l’ASHRAE calculait que la superficie des Salles Propres construites dans le monde dépassait 12 millions de m2, avec une croissance annuelle de 5%; on peut donc supposer qu’à ce jour ce chiffre a largement dépassé les 15 millions de m2.
Les Salles Propres ont des applications et des utilisations dans une gamme de plus en plus large d’activités industrielles et de recherche; elles ne sont plus seulement liées à des secteurs à haute technicité et à haute valeur ajoutée. Toutefois, les critères de conception, de calcul, de construction et d’exploitation des Salles Propres sont restés pratiquement inchangés depuis l’époque où ces salles étaient conçues pour des industries à forte valeur ajoutée et où les coûts énergétiques étaient faibles.
À l'heure actuelle, la situation a changé, les utilisateurs de Salles Propres appartiennent à des secteurs très divers, et beaucoup d’entre eux ont des contraintes de marché et des attentes de retour sur investissement plus modestes et de plus, dans une situation commune d’augmentation croissante des coûts de l’énergie.
Il y a encore des secteurs d’utilisateurs de Salles Propres, qui, par leur technicité et leur caractère exceptionnel, conservent une forte valeur ajoutée de leurs produits, avec des retours sur investissement très élevés; mais ces cas sont aussi soumis à une pression sociale, institutionnelle et médiatique pour réduire leur consommation d'énergie.
C’est dans cette ligne qu’a été éditée la partie 16 de la célèbre norme ISO 14644 "Salles Propres et Locaux Annexes Contrôlés", qui est consacrée à l’Efficacité Énergétique dans les Salles Propres. Cette norme définit le processus de réduction et d’optimisation des coûts énergétiques, agissant globalement sur le processus de cycle de vie de la Salle Propre, de la conception jusqu' au démantèlement et à la mise hors service. Il s’applique non seulement aux salles nouvellement construites ou en cours de rénovation, mais aussi aux Salles Propres existantes et actives.
ISO 14644-16 propose une approche systématique pour l’évaluation des économies d’énergie en sept étapes :
1.- Révision des Conditions requises Utilisateur (URS) et examen de la conception du point de vue de l’efficacité énergétique
2.- analyse comparative des performances de la Salle Propre
3.- Identification des opportunités de réduction de consommation d'énergie
4.- Évaluation de l'impact des opportunités de réduction d'énergie
5.- Sélection des opportunités de réduction d'énergie
6.- Implantation
7 - Surveillance et retour d’expérience
Les Spécification des Exigences Utilisateur (URS- User Requirement Specification) sont la "première pierre" dans la construction d'une Salle Propre et la consommation énergétique de la future installation dépend en grande partie de sa bonne définition.
La norme ISO 14644-16 attache une importance primordiale à une formulation correcte et équilibrée de l'URS :
Parfois, on considère que plus les conditions exigées de la Salle Propre seront strictes et restrictives, plus sa qualité en sera élevée ; en réalité, la sur-spécification ne donne que "l'apparence" de la qualité et ajoute de la complexité technique, des coûts d'installation et des coûts d'exploitation.
Par exemple, des conditions telles que la température et l'humidité définies avec des limites plus strictes que nécessaire peuvent avoir un impact économique significatif sans apporter de valeur qualitative. Dans de nombreuses Salles Propres, les produits ou matériaux traités ont des limites thermo-hygrométriques plus larges que les limites de confort des opérateurs. En ce sens, la norme ISO 14644-16 rappelle que les limites de confort généralement acceptées pour l'humidité relative sont de l'ordre de 30 à 70 %, cependant, il est très courant de trouver des spécifications d'humidité relative intérieure de 40 à 60 % ou de 45 à 55 % dans des installations particulièrement de confort.
Un autre facteur important où la sur-spécification est contre-productive est dans l' "empreinte" de la Salle Propre; plus une Salle ou une Zone Propre est grande, plus son coût énergétique sera élevé. L'URS doit donc contribuer à définir un aménagement rationnel, où les espaces sont adaptés à leurs besoins réels et coordonnés en fonction du flux de processus pour perdre le moins d'espace possible dans les couloirs et les zones de connexion.
Il y a des concepts où paradoxalement la sur-spécification peut aider à la rationalisation énergétique. Le personnel est la principale source de pollution d’une Salle Propre et l’essentiel de l’effort de conception vise donc à éliminer la pollution humaine ; par conséquent, une spécification plus stricte des vêtements à l’intérieur de la Salle Propre réduira la pollution émise et donc le travail de l’installation pour maintenir les conditions de tri.
Le mouvement de l’air associé à la compensation de la température et de l’humidité est l’une des principales sources de consommation énergétique dans les Salles Propres, de sorte que la réduction du débit d’air entraîné a un impact direct sur la consommation d’énergie. En général, le volume d’air est proportionnel au cube de la puissance du ventilateur, donc une réduction de moitié du volume d’air réduit la consommation du ventilateur d’un facteur de huit
Peut-être que l’un des concepts les plus répandus et liés aux Salles Propres est celui de recirculations/heure ou changements/heure (ACH Air Changes per Hour). Il s'agit d'un concept presque sacré et pratiquement intouchable. De nombreuses Salles Propres sont remises en question voire même rejetées parce qu’elles ne respectent pas scrupuleusement les ACH spécifiées, indépendamment du fait que les comptages de particules au repos et en activité soient ou non clairement maintenus dans les limites.
ISO 14644-16 démystifie et remet en question l’utilité réelle des ACH comme méthode de calcul pour la définition des débits de ventilation. La fonction de la ventilation dans une Salle Propre est d’éliminer les particules générées par l’activité à l’intérieur de la salle elle-même; C’est pourquoi la norme propose de calculer le débit de ventilation à partir des particules émises à l’intérieur de la pièce par unité de temps au moyen de la formule :
C : Concentration requise de particules d’une certaine taille (comptages/m3);
D : Taux total d’émission de particules du personnel et des équipements, en (comptages/s) ;
Q : Débit d'air de soufflage (m3/s) ;
Ɛ: Efficacité de la ventilation (adimensionnelle).
La partie la plus difficile est l'estimation des paramètres D et Ɛ
Le taux d’émission des équipements peut être considéré comme très faible, car l’une des conditions pour les équipements et les matériaux entrant dans une Salle Propre est précisément qu’ils ne produisent pas de particules. Le taux de particules le plus élevé vient des personnes et dépend principalement de l’habillement et du niveau d’activité.
Le paramètre Ɛ est également difficile à estimer, car il dépend des caractéristiques et de la position des entrées et des sorties d’air, de la géométrie de la pièce, de la position des équipements, etc... L’utilisation de systèmes CFD (Computational Fluid Dynamics) peut éventuellement aider à cette estimation.
Le paramètre C serait le niveau de particules correspondant à la classe ISO à atteindre, bien que la norme recommande de prendre un niveau inférieur de particules comme "niveau d’alerte ou de sécurité" Ainsi pour une ISO 7 permettant jusqu’à 352000 particules/m3 de 0,5µ, un paramètre C nettement inférieur (par exemple 1/3, soit 117330 ou 1/4, soit 88000)
Dans tous les cas, les valeurs D et Ɛ seront toujours théoriques et sujettes à controverse. ISO 14644-16 propose de compléter le calcul théorique par un autre système expérimental, basé sur la mesure réelle des particules dans la salle dans des conditions de fonctionnement. Le système se déroule en trois étapes :
1.- Conception : Le débit Q1 est déterminé par une estimation initiale des émissions de particules et de l’efficacité de la ventilation. Pour cette première conception, on peut prendre des données très conservatrices car on considère que le débit obtenu, Q1, sera optimisé aux étapes suivantes.
2.- Essai : Le débit Q1 est testé dans la salle dans des conditions de fonctionnement et les concentrations réelles sont mesurées pour différentes tailles de particules. Avec les données obtenues on calcule un nouveau débit Q2, généralement inférieur à Q1, qui produirait les résultats escomptés.
3.- Fonctionnement : On utilise le débit Q2 en fonctionnement et les données de surveillance sont utilisées pour confirmer qu’il correspond au débit approprié ou pour optimiser un nouveau débit Q3 plus efficace.
Dans tous les cas, le débit final, en plus d’atteindre le taux de nettoyage requis, ne doit pas compromettre d’autres paramètres de la salle propre tels que la température, l’humidité et la pression.
Cette nouvelle approche laisse le concept de recirculations/heure ou ACH sans véritable valeur. La norme elle-même en donne un exemple très clair : Deux Salles Propres avec les mêmes sources d’émission de particules ont besoin du même débit d’air, mais si l’une d’elles a plus de hauteur (et donc plus de volume), les ACH sont différentes, bien que le résultat au niveau des particules soit similaire dans les deux salles.
En période d'inactivité, lorsque le personnel, qui est le principal facteur de génération de particules, n'est pas dans la pièce, le régime aéraulique pourrait être réduit sans compromettre la classification de la salle. La réduction doit être coordonnée avec un réglage automatique des composés de retour afin de maintenir le régime de pression relative dans la salle, qui pourrait également être inférieure à celle requise pendant la période d’activité.
Pendant la période d’inactivité à fonctionnement réduit, il est important de fermer les points d’accès à la salle pour éviter la contamination.
Pendant de longues périodes d’inactivité, il peut être plus rentable d’arrêter le système de ventilation, pour ce faire, il convient d’analyser l’impact de l’arrêt, en évaluant la pollution causée par la dépressurisation, la migration des particules vers l’intérieur, les besoins de nettoyage avant le redémarrage de l’installation et le temps de récupération nécessaire pour revenir à l’état de fonctionnement.
Une fois que l’ISO 14644-16 démystifie les recirculations/heure ou ACH, la conséquence est la démystification d’un autre concept, lui aussi intouchable jusqu’à présent et lié aux ACH : le débit constant en impulsion. Jusqu’à présent, les prémisses de base de la ventilation dans une Salle Propre étaient un débit constant en impulsion et un débit variable (pour le contrôle de la pression) en retour. Mais si l’on admet que le débit d’impulsion dépend de l’émission de particules, la variation du taux d’émission de particules impliquerait la possibilité de variation du débit d’impulsion.
Ceci introduit le concept de « contrôle adaptatif ». Il y a des secteurs où une surveillance continue des particules est nécessaire dans la Salle Propre, par exemple l’annexe 1 GMP pour les grades A et B ou la norme aérospatiale européenne ECSS pour toutes les classes jusqu’à la norme ISO 8.
S’il existe un système de surveillance en continu, il est possible de définir une procédure de contrôle qui ajuste le débit d’impulsion proportionnellement aux particules détectées en temps réel. Ce n’est pas une procédure simple, elle implique un filtrage et un calcul moyen des comptages pour avoir un signal de contrôle stable et prendre en compte d’autres facteurs qui doivent être maintenus tels que la pressurisation et le bon contrôle de la température et de l’humidité. Cependant, bien développé il peut être l’un des systèmes de gestion de l’énergie les plus efficaces pour les Salles Propres.
Dans les systèmes à flux d’air unidirectionnel (UDAF), le facteur déterminant n’est pas le débit d’air mais la vitesse. La valeur de 0,45m/s ±20% (0,36-0,54m/s) est restée inchangée depuis qu’elle a été définie dans les années 60 par l’US Air Force et consacrée par la vénérable US FED-STD 209.
ISO 14644-16 propose d’appliquer le même raisonnement utilisé pour réduire le débit dans les installations à flux d’air turbulent et réduire la vitesse des unités UDAF pendant les périodes sans activité à l’intérieur. La norme indique que dans des conditions d'activité faible ou nulle, la vitesse peut être réduite à environ 0,2-0,3 m/s
La norme propose également d'évaluer la possibilité d'arrêter les unités UDAF installées à l'intérieur des Salles Propres pendant les périodes d'inactivité. En général, le débit d’air d’un UDAF est largement supérieur au débit d’air de la Salle Propre où il est installé, ce qui signifie que les économies d’énergie réalisées auront un impact considérable.
Pour qu’une réduction du débit se traduise en économies d’énergie, il faut des ventilateurs capables de traduire les réductions de débit en réductions d’énergie sans perte mécanique ou d’efficacité. Pour choisir les ventilateurs d’une Salle Propre, il faut prendre en compte :
-le Haut rendement : pour transformer la réduction de débit en économies d’énergie
-la Variation de vitesse : pour permettre un contrôle adéquat du débit requis.
-la Transmission directe : Pour éviter les pertes de transmission entre le moteur et la turbine. (Les transmissions classiques à courroies et poulies, lorsqu'elles sont en bon état, consomment entre 10 et 15% de l'énergie totale du moteur, avec des courroies déficientes ou desserrées par l'usage, les pertes sont beaucoup plus importantes.)
Les filtres à air sont une partie essentielle des Salles Propres, mais ils sont aussi un facteur important de consommation d’énergie. Les rendements de filtration élevés entraînent des pertes de charge élevées et la perte de charge est directement liée à l’énergie nécessaire pour la surmonter. En général, la perte de charge est proportionnelle au carré de la vitesse et la vitesse est proportionnelle au cube de la puissance, donc une réduction de 50 % de la perte de charge réduit la puissance du ventilateur d'un facteur de 2,8.
Le surdimensionnement des filtres est une cause importante de l’augmentation de la consommation d’énergie dans les Salles Propres. L’ajout d’étapes de filtration redondantes, en nombre et en efficacité au-dessus des besoins, augmente de manière exponentielle la consommation sans ajouter de qualité réelle à l’environnement classifié.
D’autre part, la surutilisation des filtres, tout en conservant des filtres encore efficaces, mais avec un indice de remplissage élevé augmente aussi le coût énergétique de l’installation. Dans ce sens, ISO 14644-16 recommande d’appliquer une politique de "cycle de vie" aux filtres, en remplaçant les filtres par des critères d’efficacité énergétique, c’est-à-dire lorsque l’augmentation du coût par consommation d’énergie dépasse le coût d’amortissement du nouveau filtre.
Les charges thermiques, de froid et de chaleur, sont un autre facteur important de consommation d’énergie dans une Salle Propre. ISO 14644-16 recommande d’aborder l’efficacité énergétique des charges thermiques sous différents angles :
-Réduction de la charge thermique : En augmentant l’efficacité de l’isolation par rapport à l’extérieur et en rationalisant les charges internes, en étudiant comment minimiser ou isoler les charges thermiques intérieures.
-Rationalisation des points de consignes : En sélectionnant des points de consigne et des plages de variabilité en fonction des besoins réels de la salle. ISO 14644-16 indique la possibilité de laisser l’humidité fluctuer entre 30 et 70% lorsque l’exigence de contrôle de l’humidité est uniquement pour le confort des occupants. Il est également conseillé de préciser des points de consigne, de température et d’humidité, plus flexibles en période de faible occupation ou de repos.
-Rationalisation de l’air extérieur : La prise d’air extérieure (PAE) est l’un des plus grands foyers de charge thermique dans le système HVAC d’une Salle Propre. Le débit d'air extérieur doit être calculé et justifié en fonction des besoins de surpression, d'oxygénation et de ventilation. Il est très courant de déterminer le débit d’air extérieur comme un pourcentage du débit total d’impulsion. Selon la norme ISO 14644-16, cette pratique n’a aucune justification rationnelle, elle n’apporte aucune qualité à la Salle Propre et est source d’inefficacité énergétique.
Malheureusement, dans la version espagnole éditée par AENOR "Fresh Air" a été mal traduit, c’est-à-dire air extérieur ou de remplacement, comme "air propre" de sorte que certains raisonnements comme le Taux de Renouvellement de l’Air (ACE) ou les recommandations de réduction du débit d’air extérieur sont confuses et difficiles à comprendre dans un texte en espagnol. Dans le texte, deux concepts différents sont mélangés sous la même définition, dans certaines parties du texte "air propre" est associé au concept d’air filtré à faible niveau de particules, tandis que dans d’autres parties le concept "air propre" est associée à l’air extérieur de renouvellement.
L'ISO 14644-16 est un document très utile pour rationaliser et réduire la consommation d'énergie dans les Salles Propres. Il offre une méthodologie bien structurée et bien documentée qui couvre tous les facteurs qui influent sur la performance des Salles Propres. Sa méthodologie s’applique tant aux installations nouvelles ou en cours de rénovation qu’aux installations en fonctionnement.
Les industries liées aux Salles Propres ont dans la norme ISO 14644-16 un document fondamental pour maintenir des coûts d'exploitation viables, bénéficier de subventions ou d'exemptions liées aux facteurs d'efficacité énergétique ou se conformer aux politiques de responsabilité sociale en matière de durabilité.
Miguel Ruiz
Consultant GMP