Introduzione
Lo scopo principale di una Camera Bianca o di un’Area Pulita è isolare le operazioni e i processi dall’ambiente esterno, considerato non controllato e altamente contaminante. Tuttavia, la natura stessa delle operazioni e dei processi richiede una continua interazione con l’esterno, sia per l’ingresso di materie prime e materiali nella Camera Bianca, sia per l’uscita dei prodotti finiti e dei rifiuti dalla Camera Bianca verso l’esterno. La continua interazione con l’esterno o con altre parti della stessa Area Pulita caratterizzate da un Grado di pulizia inferiore rappresenta una delle principali fonti di contaminazione e uno degli aspetti fondamentali da considerare nella progettazione di un’Area Pulita.
Nel 2013, ASHRAE stimava che la superficie delle Camere Bianche costruite nel mondo superasse i 12 milioni di m², con una crescita annuale del 5%, per cui è ragionevole supporre che oggi tale cifra abbia superato i 15 milioni di m². Attualmente la situazione è cambiata: gli utilizzatori delle Camere Bianche appartengono a settori molto diversi e molti di essi operano in mercati caratterizzati da vincoli e aspettative di ritorno sull’investimento più contenute.
In risposta al cambiamento dei consumi energetici, la norma ISO 14644 è stata modificata nella sua sezione 16 per affrontare il tema dell’efficienza energetica nelle Camere Bianche. La norma definisce un processo volto a ridurre e ottimizzare i costi energetici intervenendo in modo globale sull’intero ciclo di vita della Camera Bianca, dalla progettazione fino allo smantellamento, ed è applicabile anche alle Camere Bianche esistenti e in esercizio.
Approccio sistematico
La ISO 14644-16 propone un approccio sistematico alla valutazione del risparmio energetico basato su sette fasi:
- Revisione dei Requisiti dell’Utilizzatore (URS) e analisi del progetto dal punto di vista dell’efficienza energetica.
- Analisi comparativa delle prestazioni della Camera Bianca.
- Identificazione delle opportunità di riduzione dei consumi energetici.
- Valutazione dell’impatto delle opportunità di riduzione dei consumi energetici.
- Selezione delle opportunità di riduzione dei consumi energetici.
- Implementazione.
- Monitoraggio e raccolta dell’esperienza operativa.
URS
I Requisiti dell’Utilizzatore (URS) rappresentano la “prima pietra” nella costruzione di una Camera Bianca. La loro corretta definizione determina in larga misura il consumo energetico della futura installazione; la ISO 14644-16 attribuisce quindi un’importanza fondamentale alla redazione corretta ed equilibrata degli URS.
Talvolta si ritiene che quanto più rigorose e restrittive siano le condizioni richieste per la Camera Bianca, tanto maggiore sarà la sua qualità. In realtà, la sovraspecificazione conferisce soltanto un’apparenza di qualità e comporta una maggiore complessità tecnica, costi di installazione più elevati e maggiori costi di esercizio.
In alcune Camere Bianche, i prodotti o i materiali sottoposti a processo presentano limiti termoigrometrici più ampi rispetto ai limiti di comfort degli operatori. La ISO 14644-16 ricorda che i limiti di comfort generalmente accettati per l’umidità relativa sono compresi tra il 30 e il 70%; tuttavia, negli impianti è comune trovare specifiche di umidità relativa interna comprese tra il 40-60% o il 45-50%.
La sovraspecificazione può contribuire alla razionalizzazione energetica; tuttavia, il personale rappresenta la principale fonte di contaminazione di una Camera Bianca e, pertanto, gran parte dello sforzo progettuale è destinato a eliminare la contaminazione generata dalle persone. Di conseguenza, una specifica più rigorosa relativa all’abbigliamento all’interno della Camera Bianca ridurrà la contaminazione emessa.
Volume d’aria
Il movimento dell’aria, insieme alla compensazione della temperatura e dell’umidità, rappresenta una delle principali fonti di consumo energetico nelle Camere Bianche. La riduzione della portata d’aria immessa incide quindi direttamente sul consumo energetico. In generale, la potenza del ventilatore è proporzionale al cubo della portata d’aria; pertanto, una riduzione della portata d’aria della metà può ridurre il consumo del ventilatore di un fattore pari a otto.
Probabilmente uno dei concetti più diffusi e strettamente associati alle Camere Bianche è quello dei ricambi d’aria/ora o cambi d’aria/ora (ACH, Air Changes per Hour). Si tratta di un concetto quasi “sacro” e praticamente intoccabile. Molte Camere Bianche vengono messe in discussione o addirittura rifiutate perché non rispettano scrupolosamente gli ACH specificati, indipendentemente dal fatto che i conteggi delle particelle a riposo e in attività rimangano chiaramente entro i limiti.
La ISO 14644-16 ridimensiona e mette in discussione l’effettiva utilità degli ACH come metodo di calcolo per la definizione delle portate di ventilazione. La funzione della ventilazione in una Camera Bianca è eliminare le particelle generate dall’attività all’interno della sala; pertanto, la norma propone di calcolare la portata di ventilazione a partire dalle particelle emesse all’interno della sala per unità di tempo mediante la formula:
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...... |
C: concentrazione richiesta di particelle di una determinata dimensione (conteggi/m³); D: tasso totale di emissione di particelle da parte del personale e delle apparecchiature (conteggi/s); Q: portata d’aria di mandata (m³/s); Ɛ: efficacia della ventilazione (adimensionale). |
La parte più difficile consiste nella stima dei parametri D ed Ɛ.
Il tasso di emissione delle apparecchiature può essere considerato effettivamente basso, poiché uno dei requisiti per le apparecchiature e i materiali che entrano in una Camera Bianca è proprio che non generino particelle. La maggiore emissione di particelle proviene dalle persone e dipende principalmente dall’abbigliamento e dal livello di attività.
Anche il parametro Ɛ è difficile da stimare, poiché dipende dalle caratteristiche e dalla posizione delle prese e delle uscite dell’aria, dalla geometria della sala, dalla posizione delle apparecchiature, ecc. L’utilizzo di sistemi CFD può probabilmente contribuire a effettuare questa stima.
Il parametro C corrisponde al livello di particelle previsto per la classe ISO che si intende ottenere, sebbene la norma raccomandi di considerare un livello di particelle inferiore come “livello di allerta o sicurezza”. Pertanto, per una ISO 7, che consente fino a 352.000 particelle/m³ di dimensione 0,5 µm, si dovrebbe scegliere un parametro C nettamente inferiore (ad esempio 1/3, pari a 117.330, oppure 1/4, pari a 88.000).
In ogni caso, i valori D ed Ɛ saranno sempre teorici e soggetti a discussione. La ISO 14644-16 propone di integrare il calcolo teorico con un sistema sperimentale alternativo, basato sulla misurazione reale delle particelle nella sala in condizioni operative. Il sistema si sviluppa in tre fasi:
- Progettazione: viene determinata una portata Q1 mediante una stima iniziale dell’emissione di particelle e dell’efficacia della ventilazione. Per questa prima progettazione possono essere utilizzati dati molto conservativi, considerando che la portata ottenuta, Q1, verrà ottimizzata nelle fasi successive.
- Test: la portata Q1 viene testata nella sala in condizioni operative e vengono misurate le concentrazioni reali per diverse dimensioni delle particelle. Sulla base dei dati ottenuti viene calcolata una nuova portata Q2, generalmente inferiore a Q1, in grado di ottenere i risultati attesi.
- Operazione: viene utilizzata la portata Q2 durante il funzionamento e i dati di monitoraggio vengono utilizzati per confermare che si tratti della portata adeguata oppure per ottimizzare una nuova portata Q3, più efficiente.
In ogni caso, la portata finale, oltre a garantire il livello di pulizia richiesto, non deve compromettere altri parametri della Camera Bianca, come temperatura, umidità e pressione.
Questo nuovo approccio ridimensiona il valore reale del concetto di ricambi d’aria/ora o ACH. La norma stessa fornisce un esempio molto chiaro: due Camere Bianche con le stesse fonti di emissione di particelle necessitano della stessa portata d’aria; tuttavia, se una delle due ha un’altezza maggiore (e quindi un volume maggiore), gli ACH saranno differenti, anche se il risultato in termini di particelle sarà simile in entrambe le sale.
Regime ridotto, spegnimento e recupero
La riduzione della portata deve essere coordinata con una regolazione automatica delle serrande di ripresa, al fine di mantenere il regime di pressione relativa nella sala. Durante il periodo di inattività o di funzionamento a regime ridotto è importante mantenere chiusi i punti di accesso alla sala per evitare l’ingresso di contaminazione.
Controllo adattativo
Una volta che la ISO 14644-16 ridimensiona il concetto di ricambi d’aria/ora o ACH, la conseguenza è il ridimensionamento di un altro concetto finora considerato intoccabile e strettamente legato agli ACH: la portata costante dell’aria di mandata. Finora, i principi fondamentali della ventilazione di una Camera Bianca erano una portata di mandata costante e una portata variabile in ripresa (per il controllo della pressione). Tuttavia, se si accetta che la portata di mandata dipenda dall’emissione di particelle, la variazione del tasso di emissione delle particelle implica la possibilità di variare anche la portata di mandata.
Questo introduce il concetto di “controllo adattativo”. Esistono settori nei quali è richiesto un monitoraggio continuo delle particelle nella Camera Bianca; ad esempio, l’Allegato 1 GMP per i gradi A e B o la normativa aerospaziale europea ECSS per tutte le classi fino a ISO 8.
Se è presente un sistema di monitoraggio continuo, è possibile definire una procedura di controllo che regoli la portata dell’aria di mandata in proporzione alle particelle rilevate in tempo reale. Non si tratta di una procedura semplice: implica un filtraggio e un calcolo della media dei conteggi per ottenere un segnale di controllo stabile, oltre alla considerazione di altri fattori che devono essere mantenuti, come la pressurizzazione e un adeguato controllo della temperatura e dell’umidità. Tuttavia, se adeguatamente sviluppato, può rappresentare uno dei sistemi di gestione energetica più efficienti per le Camere Bianche.
Riduzione della velocità
Nei sistemi a flusso unidirezionale (UDAF), il fattore determinante non è la portata d’aria, bensì la velocità. Il valore di 0,45 m/s ±20% (0,36-0,54 m/s) è rimasto invariato da quando è stato definito negli anni ’60 dalla US Air Force e consacrato dall’ormai storico standard US FED-STD 209.
La ISO 14644-16 suggerisce di applicare lo stesso ragionamento utilizzato per ridurre la portata negli impianti a flusso turbolento e di ridurre la velocità delle unità UDAF nei periodi di inattività al loro interno. La norma indica che, in condizioni di attività ridotta o nulla, la velocità potrebbe essere ridotta a circa 0,2-0,3 m/s.
La norma suggerisce inoltre di valutare la possibilità di arrestare le unità UDAF installate all’interno delle Camere Bianche durante i periodi di inattività. In generale, la portata d’aria di un sistema UDAF è solitamente molto superiore alla portata d’aria della Camera Bianca in cui è installato, per cui il risparmio energetico ottenuto può avere un impatto considerevole.
Ventilatori
Affinché una riduzione della portata si traduca in un risparmio energetico, è necessario disporre di ventilatori in grado di trasformare le riduzioni di portata in riduzioni dei consumi senza perdite meccaniche o di efficienza. Per la selezione dei ventilatori di una Camera Bianca è opportuno considerare:
Alta efficienza: per trasformare la riduzione della portata in risparmio energetico.
Variazione della velocità: per consentire un controllo adeguato della portata richiesta.
Trasmissione diretta: per evitare le perdite di trasmissione tra il motore e la girante. Le trasmissioni tradizionali a cinghie e pulegge, quando sono in buone condizioni, consumano tra il 10 e il 15% dell’energia totale del motore; con cinghie usurate o allentate a causa dell’utilizzo, le perdite sono molto maggiori.
Filtri
I filtri dell’aria sono una parte essenziale delle Camere Bianche. Elevate efficienze di filtrazione comportano elevate perdite di carico e la perdita di carico è direttamente correlata all’energia necessaria per superarla. La perdita di carico è proporzionale al quadrato della velocità e la velocità è proporzionale al cubo della potenza; pertanto, una riduzione della perdita di carico del 50% riduce la potenza del ventilatore di un fattore pari a 2,8.
L’utilizzo eccessivo dei filtri aumenta il costo energetico dell’impianto. La ISO 14644-16 raccomanda di applicare una politica basata sul ciclo di vita dei filtri, sostituendoli secondo un criterio di efficienza energetica, ovvero quando l’incremento dei costi dovuto al consumo energetico supera il costo di ammortamento del nuovo filtro.
Carichi termici
I carichi termici, sia di raffreddamento sia di riscaldamento, rappresentano un altro dei principali fattori di consumo energetico in una Camera Bianca. La ISO 14644-16 raccomanda di affrontare l’efficienza energetica dei carichi termici da diverse prospettive:
- Riduzione del carico termico: aumentando l’efficacia dell’isolamento rispetto all’esterno e razionalizzando i carichi interni, valutando come minimizzare o isolare i carichi termici interni.
- Razionalizzazione dei setpoint: selezionando setpoint e intervalli di variabilità coerenti con le reali esigenze della sala. La ISO 14644-16 indica la possibilità di consentire all’umidità di variare tra il 30 e il 70% quando il controllo dell’umidità è richiesto esclusivamente per il comfort degli occupanti. Si consiglia inoltre di definire setpoint di temperatura e umidità più flessibili durante i periodi di bassa occupazione o di riposo.
- Razionalizzazione dell’aria esterna: la presa d’aria esterna (TAE) rappresenta una delle principali fonti di carico termico nel sistema HVAC di una Camera Bianca. La portata d’aria esterna deve essere calcolata e giustificata in funzione delle esigenze di sovrapressione, ossigenazione e ventilazione. È molto comune determinare la portata d’aria esterna come percentuale della portata totale di mandata. Secondo la ISO 14644-16, questa pratica non ha alcuna base razionale, non apporta qualità alla Camera Bianca ed è una fonte di inefficienza energetica.
Purtroppo, nella versione spagnola pubblicata da AENOR, il termine “Fresh Air”, ovvero aria esterna o aria di rinnovo, è stato tradotto erroneamente come “aire limpio” (“aria pulita”), rendendo confusi e difficili da comprendere alcuni ragionamenti, come il Tasso di Ricambio dell’Aria (ACE) o le raccomandazioni sulla riduzione della portata d’aria esterna. Nel testo vengono mescolati due concetti differenti sotto la stessa definizione: in alcune parti del documento, il concetto di “aria pulita” è associato all’aria filtrata con un basso livello di particelle, mentre in altre il concetto di “aria pulita” viene associato all’aria esterna di rinnovo.
Conclusioni
La ISO 14644-16 è un documento estremamente utile per razionalizzare e ridurre il consumo energetico delle Camere Bianche. Offre una metodologia strutturata e solida che comprende tutti i fattori che influenzano le prestazioni delle Camere Bianche. La sua metodologia è applicabile sia agli impianti nuovi o in fase di ristrutturazione, sia agli impianti già in esercizio.
Le industrie legate alle Camere Bianche trovano nella ISO 14644-16 un documento fondamentale per mantenere sostenibili i costi operativi, accedere a sovvenzioni o agevolazioni legate all’efficienza energetica o rispettare le politiche di responsabilità sociale e sostenibilità.
