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ISO 14644-16: L’efficienza energetica arriva nelle camere bianche
Nel 2013 ASHRAE ha stimato che la superficie delle Camere Bianche costruite nel mondo ha superato i 12 milioni di mq.2con un tasso di crescita annuale del 5%, per cui è lecito aspettarsi che questa cifra abbia ormai superato i 15 milioni di mq.2. Oggi la situazione è cambiata, gli utenti delle camere bianche appartengono a settori molto diversi e molti di loro hanno condizioni di mercato e aspettative di ritorno sull’investimento più modeste.
Alla luce del cambiamento dei consumi energetici, lo standard ISO 14644 nella sua sezione 16 è stata modificata per parlare di Efficienza energetica nelle camere biancheQuesto standard definisce il processo di riduzione e ottimizzazione dei costi energetici agendo a livello globale sul ciclo di vita della camera bianca, dalla progettazione alla dismissione, ed è applicabile alle camere bianche esistenti e attive.
Approccio sistematico
La ISO 14644-16 propone un approccio sistematico per la valutazione del risparmio energetico basato su sette fasi:
- Revisione dei requisiti dell’utente (URS) ed esame del progetto dal punto di vista dell’efficienza energetica.
- Analisi comparativa delle prestazioni della camera bianca
- Identificazione delle opportunità di riduzione dell’energia
- Valutazione dell’impattodelle opportunità di riduzione dell’energia
- Selezione delle opportunità di riduzione dell’energia
- Implementazione
- Monitoraggio e feedback
URS
I Requisiti dell’utente (URS) sono la “prima pietra” nella costruzione di una camera bianca, la loro corretta definizione dipende in larga misura dal consumo energetico della futura installazione. Lo standard ISO 14644-16 attribuisce grande importanza alla redazione corretta ed equilibrata degli URS.
A volte si crede che più rigide e restrittive sono le condizioni richieste per la camera bianca, più alta sarà la qualità, ma in realtà le specifiche eccessive danno solo l’apparenza della qualità e aggiungono complessità tecnica, costi di installazione e di gestione.
In alcune Camere Bianche i prodotti o i materiali lavorati hanno limiti termoigrometrici più ampi dei limiti di comfort dell’operatore, la ISO 14644-16 ricorda che i limiti di comfort generalmente accettati per l’umidità relativa sono nell’intervallo 30-70%, tuttavia è comune trovare specifiche di umidità relativa interna del 40-60% o 45-50% nelle strutture.
Le specifiche eccessive possono aiutare a razionalizzare l’energia, tuttavia il personale è la principale fonte di inquinamento in una camera bianca e quindi la maggior parte dello sforzo progettuale è destinato a eliminare l’inquinamento prodotto dalle persone, quindi le specifiche più severe degli indumenti all’interno della camera bianca ridurranno l’inquinamento emesso.
VOLUME DELL'ARIA
La norma ISO 14644-16 demistifica e mette in dubbio la reale utilità dell’ACH come metodo di calcolo per definire le portate di ventilazione. La funzione della ventilazione in una camera bianca è quella di eliminare le particelle generate dall’attività all’interno della stanza stessa; pertanto la norma propone di calcolare la portata di ventilazione dalle particelle emesse all’interno della stanza per unità di tempo utilizzando la formula:
D: Tasso di emissione totale di particolato da parte del personale e delle attrezzature, in (conteggi/s);
Ɛ: efficienza di ventilazione (adimensionale).
La parte più difficile è la stima dei parametri D e Ɛ
Si può ritenere che il tasso di emissione delle apparecchiature sia molto basso, poiché una delle condizioni per l’ingresso di apparecchiature e materiali in una camera bianca è che non generino particelle. Il tasso più elevato di particolato 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 entrate e delle uscite dell’aria, dalla geometria della stanza, dalla posizione delle apparecchiature, ecc… Forse l’uso di sistemi CFD può aiutare in questa stima.
Il parametro C è il livello di particelle corrispondente alla classe ISO da raggiungere, anche se lo standard raccomanda di considerare un livello di particelle inferiore come “livello di allerta o di sicurezza”. Quindi, per una ISO 7 che consente fino a 352.000 particelle/m3 di 0,5µ, si dovrebbe scegliere un parametro C molto più basso (ad esempio 1/3 che sarebbe 117.330, o 1/4 che sarebbe 88.000).
In ogni caso i valori di D e Ɛ saranno sempre teorici e soggetti a controversie. La ISO 14644-16 propone di integrare il calcolo teorico con un sistema sperimentale alternativo, basato sulla misurazione effettiva delle particelle nella stanza in condizioni operative. Il sistema si sviluppa in tre fasi:
- Progettazione: la portata Q1 è determinata da una stima iniziale delle emissioni di particolato e dell’efficacia della ventilazione. Per questo primo progetto, si possono prendere dati molto prudenti poiché si ritiene che la portata Q1 ottenuta sarà ottimizzata nelle fasi successive.
- Test: il flusso Q1 viene testato nella stanza in condizioni operative e le concentrazioni effettive vengono misurate per diverse dimensioni di particelle. Sulla base dei dati ottenuti, viene calcolata una nuova portata Q2, generalmente inferiore a Q1, che consente di ottenere i risultati previsti.
- Funzionamento: viene utilizzata la portata operativa Q2 e i dati di monitoraggio vengono utilizzati per confermare che si tratta della portata appropriata o per ottimizzare una nuova portata più efficiente Q3.
In ogni caso, la portata finale, oltre a raggiungere il tasso di pulizia richiesto, non deve compromettere altri parametri della camera bianca come temperatura, umidità e pressione.
Questo nuovo approccio rende il concetto di ricircoli/ora o ACH privo di valore reale. La norma stessa fornisce un esempio molto chiaro: due camere bianche con le stesse fonti di emissioni di particolato necessitano dello stesso flusso d’aria, ma se una ha un’altezza maggiore (e quindi un volume maggiore) l’ACH sarà diverso, anche se il risultato a livello di particolato sarà simile in entrambe le camere.
VELOCITÀ RIDOTTA, SPEGNIMENTO E RECUPERO
La riduzione deve essere coordinata con una regolazione automatica dei composti dell’aria di ritorno per mantenere il regime di pressione relativa nella stanza; durante il periodo di inattività a funzionamento ridotto è importante chiudere i punti di accesso alla stanza per evitare l’ingresso di contaminanti.
CONTROLLO ADATTIVO
Una volta che la ISO 14644-16 demistifica i ricircoli/ora o ACH, la conseguenza è la demistificazione di un altro concetto, anch’esso finora intoccabile e legato all’ACH: il flusso costante in mandata. Finora le premesse di base per la ventilazione in una camera bianca erano il flusso costante in mandata e il flusso variabile (per il controllo della pressione) in ritorno. Ma se si accetta che il flusso di alimentazione dipende dall’emissione di particelle, la variazione del tasso di emissione di particelle implica la possibilità di variazione del flusso di alimentazione.
Questo introduce il concetto di“controllo adattivo“. Esistono settori in cui è richiesto il monitoraggio continuo del particolato nella camera bianca, ad esempio l’Allegato 1 GMP per i gradi A e B o l’ECSS europeo per il settore aerospaziale per tutte le classi fino alla ISO 8.
Se esiste un sistema di monitoraggio continuo, è possibile definire una procedura di controllo che regoli la portata di erogazione proporzionalmente alle particelle rilevate in tempo reale. Non si tratta di una procedura semplice, che prevede il filtraggio e la media dei conteggi per avere un segnale di controllo stabile e che tiene conto di altri fattori da mantenere, come la pressurizzazione e il corretto controllo della temperatura e dell’umidità. Tuttavia, se ben sviluppato, può essere 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 ma la velocità. Il valore di 0,45m/s ±20% (0,36-0,54m/s) è rimasto invariato da quando è stato definito negli anni ’60 dall’Aeronautica Militare degli Stati Uniti ed è stato inserito nel venerabile FED-STD 209.
La norma ISO 14644-16 suggerisce di applicare lo stesso ragionamento utilizzato per ridurre la portata nelle installazioni a flusso turbolento e di ridurre la velocità delle unità UDAF durante i periodi di assenza di attività all’interno. Lo standard indica che in condizioni di scarsa o nulla attività la velocità potrebbe essere ridotta a circa 0,2-0,3 m/s.
Lo standard suggerisce anche di valutare la possibilità di spegnere le unità UDAF installate all’interno delle Camere Bianche durante i periodi di inattività. In genere, il flusso d’aria di una UDAF è molto più elevato di quello della Camera Bianca in cui è installata, quindi il risparmio energetico ottenuto avrà un impatto notevole.
TIFOSI
Affinché la riduzione del flusso si trasformi in risparmio energetico, è necessario disporre di ventilatori in grado di tradurre le riduzioni di flusso in riduzioni di energia senza perdite meccaniche o di efficienza. Quando si scelgono i ventilatori per una camera bianca, bisogna tenere conto di quanto segue:
- Alta efficienza: per trasformare la riduzione del flusso 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 turbina (le classiche trasmissioni a cinghia e puleggia, se in buone condizioni, consumano tra il 10 e il 15% dell’energia totale del motore; con cinghie difettose o usurate dall’uso, le perdite sono molto maggiori).
FILTRI
I filtri dell’aria sono una parte essenziale delle Camere Bianche: un’elevata efficienza di filtrazione significa un’elevata perdita di carico e la perdita di carico è direttamente collegata all’energia necessaria per superarla. La perdita di carico è proporzionale al diagramma della velocità e la velocità è proporzionale al cubo della potenza, quindi una riduzione del 50% della perdita di carico riduce la potenza del ventilatore di un fattore 2,8.
L’uso eccessivo dei filtri aumenta il costo energetico dell’impianto; la norma ISO 14644-16 raccomanda di applicare una politica di ciclo di vita ai filtri, sostituendoli in base a criteri di efficienza energetica, cioè quando l’aumento del costo dovuto al consumo energetico supera il costo di ammortamento del nuovo filtro.
CARICHI TERMICI
I carichi termici, sia caldi che freddi, sono un altro importante fattore di consumo energetico in una camera bianca. La ISO 14644-16 raccomanda di affrontare l’efficienza energetica dei carichi termici da diversi punti di vista:
- Riduzione del carico termico: aumentare l’efficienza dell’isolamento rispetto all’esterno e razionalizzare i carichi interni, studiando come minimizzare o isolare i carichi termici interni.
- Razionalizzazione dei set point: selezionare i set point e gli intervalli di variabilità in base alle reali esigenze dell’ambiente. La norma ISO 14644-16 indica la possibilità di permettere all’umidità di fluttuare tra il 30 e il 70% quando il requisito di controllo dell’umidità è esclusivamente il comfort degli occupanti. È inoltre consigliabile specificare set point più flessibili per la temperatura e l’umidità durante i periodi di bassa occupazione o di riposo.
- Razionalizzazione dell’aria esterna: la presa d’aria esterna (OA) è 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 termini di sovrappressione, ossigenazione e requisiti di ventilazione. È molto comune determinare la portata d’aria esterna come percentuale della portata d’aria di alimentazione totale. Secondo la norma ISO 14644-16 questa pratica non ha una base razionale di giustificazione, non contribuisce alla qualità della camera bianca ed è fonte di inefficienza energetica.
Purtroppo, nella versione spagnola pubblicata da AENOR, “aria fresca”, cioè aria esterna o di reintegro, è stata tradotta erroneamente come “aria pulita”, per cui alcuni ragionamenti, come il tasso di rinnovo dell’aria (ACE) o le raccomandazioni per ridurre il flusso di aria esterna, sono confusi e difficili da capire nella versione spagnola del Testo. In tutto il testo si mescolano due concetti diversi sotto la stessa definizione: in alcune parti del testo “aria pulita” è associata al concetto di aria filtrata con un basso livello di particelle, mentre in altre parti il concetto di “aria pulita” è associato al rinnovo dell’aria esterna.
CONCLUSIONI
La ISO 14644-16 è un documento davvero utile per razionalizzare e ridurre il consumo energetico nelle camere bianche. Fornisce una metodologia ben strutturata e fondata che copre tutti i fattori che influenzano le prestazioni della camera bianca. La metodologia è applicabile sia alle strutture nuove o ristrutturate che a quelle in funzione.
Le industrie legate alle Camere Bianche hanno nella ISO 14644-16 un documento fondamentale per mantenere costi operativi sostenibili, qualificarsi per sovvenzioni o esenzioni legate a fattori di efficienza energetica o rispettare le politiche di responsabilità sociale in materia di sostenibilità.
Miguel Ruiz
Consulente GMP