Em 2013, a ASHRAE estimava que a área total de salas limpas construídas em todo o mundo ultrapassava os 12 milhões de m², com um crescimento anual de 5%. Podemos, por isso, assumir que, atualmente, esta área já ultrapassou os 15 milhões de m². No entanto, a situação evoluiu: atualmente, os utilizadores de salas limpas pertencem a setores muito diversificados, muitos dos quais estão sujeitos a condicionantes de mercado e a expectativas mais moderadas em termos de retorno do investimento.
Perante a evolução dos desafios relacionados com o consumo energético, a norma ISO 14644, na sua parte 16, aborda especificamente a eficiência energética das salas limpas. Define uma abordagem destinada a reduzir e otimizar os custos energéticos, atuando de forma global ao longo de todo o ciclo de vida da sala limpa, desde a sua conceção até ao seu desmantelamento. Aplica-se igualmente a salas limpas existentes e em funcionamento.
Abordagem sistemática
A norma ISO 14644-16 propõe uma abordagem sistemática para a avaliação das poupanças de energia, baseada em sete etapas:
- Revisão dos Requisitos do Utilizador (URS) e análise da conceção do ponto de vista da eficiência energética.
- Análise comparativa do desempenho da sala limpa.
- Identificação de oportunidades para reduzir o consumo energético.
- Avaliação do impacto das diferentes oportunidades de redução do consumo.
- Seleção das medidas de redução do consumo energético.
- Implementação.
- Monitorização e análise dos resultados.
URS
Os Requisitos do Utilizador (URS) constituem a «primeira pedra» na construção de uma sala limpa. O consumo energético da futura instalação depende, em grande medida, da forma como estes requisitos são definidos. A norma ISO 14644-16 atribui, por isso, uma grande importância à elaboração de URS simultaneamente precisos e equilibrados.
Por vezes, considera-se que quanto mais rigorosas e restritivas forem as condições impostas a uma sala limpa, maior será o seu nível de qualidade. Na realidade, uma sobreespecificação dos requisitos muitas vezes apenas transmite uma perceção de qualidade adicional, aumentando simultaneamente a complexidade técnica e os custos de instalação e operação.
Em algumas salas limpas, os produtos ou materiais processados podem tolerar intervalos de temperatura e humidade mais amplos do que os necessários para o conforto dos operadores. A ISO 14644-16 recorda que os limites de conforto geralmente aceites para a humidade relativa se situam entre 30 e 70%. No entanto, é frequente encontrar nas instalações especificações muito mais restritivas, na ordem dos 40 a 60%, ou mesmo dos 45 a 50% de humidade relativa.
Uma definição mais exigente de determinados parâmetros pode, ainda assim, contribuir para racionalizar o consumo energético. O pessoal constitui a principal fonte de contaminação numa sala limpa e, consequentemente, uma parte significativa dos esforços de conceção destina-se a eliminar a contaminação gerada pelas pessoas. Requisitos mais rigorosos relativamente ao vestuário utilizado no interior da sala limpa podem, assim, permitir reduzir a emissão de contaminantes.
Volume de ar
A movimentação do ar, bem como o controlo da temperatura e da humidade, estão entre as principais fontes de consumo energético das salas limpas. A redução do caudal de ar insuflado tem, por isso, um impacto direto no consumo energético. De um modo geral, a potência consumida pelo ventilador varia de acordo com o cubo do caudal de ar. Assim, reduzir o caudal de ar para metade pode reduzir o consumo do ventilador por um fator de oito.
Um dos conceitos mais difundidos e mais estreitamente associados às salas limpas é o da taxa de renovações de ar por hora (ACH, Air Changes per Hour). Por vezes, é considerado um critério praticamente incontornável. Muitas salas limpas são, assim, questionadas ou mesmo rejeitadas quando não cumprem rigorosamente o número de ACH especificado, mesmo quando as contagens de partículas em repouso e em funcionamento permanecem claramente dentro dos limites estabelecidos.
A norma ISO 14644-16, no entanto, relativiza a utilização sistemática dos ACH como método de cálculo para determinar os caudais de ventilação. A função da ventilação numa sala limpa é eliminar as partículas geradas pela atividade no interior da própria sala. A norma propõe, por isso, calcular o caudal de ventilação com base na quantidade de partículas emitidas na sala por unidade de tempo, de acordo com a seguinte fórmula:
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......
C: Concentração necessária de partículas de uma determinada dimensão (contagens/m³); D: Taxa total de emissão de partículas geradas pelo pessoal e pelos equipamentos (contagens/s); Q: Caudal de ar insuflado (m³/s); Ɛ: Eficiência da ventilação (adimensional). |
A parte mais complexa reside na estimativa dos parâmetros D e Ɛ.
A taxa de emissão dos equipamentos pode ser considerada relativamente baixa, uma vez que um dos requisitos aplicáveis aos equipamentos e materiais introduzidos numa sala limpa é precisamente que gerem o menor número possível de partículas. A principal fonte de emissão de partículas continua a ser o pessoal, dependendo essencialmente do vestuário utilizado e do nível de atividade.
O parâmetro Ɛ também é difícil de estimar, uma vez que depende das características e da localização das entradas e saídas de ar, da geometria da sala, da disposição dos equipamentos, entre outros fatores. A utilização de simulações CFD pode contribuir para esta estimativa.
O parâmetro C corresponde ao nível de partículas associado à classe ISO pretendida. No entanto, a norma recomenda a adoção de um nível de partículas inferior como «limite de alerta ou de segurança». Assim, para uma sala ISO 7, que permite até 352 000 partículas/m³ de 0,5 µm, seria aconselhável escolher um valor C significativamente inferior, por exemplo, um terço, ou seja, 117 330 partículas/m³, ou um quarto, isto é, 88 000 partículas/m³.
Em qualquer caso, os valores D e Ɛ continuam a ser teóricos e podem ser objeto de discussão. A ISO 14644-16 propõe, por isso, complementar o cálculo teórico com um método experimental alternativo, baseado na medição real das partículas na sala em condições operacionais. Este método desenvolve-se em três etapas:
- Conceção: é determinado um caudal Q1 a partir de uma primeira estimativa das emissões de partículas e da eficiência da ventilação. Para esta conceção inicial, podem ser utilizados dados muito conservadores, uma vez que o caudal obtido, Q1, será otimizado nas etapas seguintes.
- Ensaios: o caudal Q1 é testado na sala em condições operacionais e são medidas as concentrações reais para diferentes dimensões de partículas. Com base nos dados obtidos, é calculado um novo caudal Q2, geralmente inferior a Q1, para alcançar os resultados pretendidos.
- Operação: o caudal Q2 é utilizado durante o funcionamento e os dados de monitorização permitem confirmar se é adequado ou, se necessário, otimizar um novo caudal Q3 ainda mais eficiente.
Em qualquer caso, o caudal final deve permitir atingir o nível de limpeza exigido sem comprometer os restantes parâmetros da sala limpa, nomeadamente a temperatura, a humidade e a pressão.
Esta nova abordagem coloca em causa a relevância do conceito de renovações de ar por hora (ACH). A norma apresenta um exemplo particularmente esclarecedor: duas salas limpas com as mesmas fontes de emissão de partículas necessitam do mesmo caudal de ar. No entanto, se uma delas tiver um pé-direito mais elevado e, consequentemente, um volume superior, os respetivos valores de ACH serão diferentes, apesar de o desempenho em termos de concentração de partículas poder ser semelhante.
Regime reduzido, paragem e recuperação
A redução do caudal deve ser coordenada com uma regulação automática dos registos de retorno, de forma a manter o regime de pressão relativa na sala. Durante os períodos de inatividade com funcionamento em regime reduzido, é importante manter fechados os pontos de acesso à sala para evitar a entrada de contaminantes.
Controlo adaptativo
Uma vez que a ISO 14644-16 relativiza a importância das renovações de ar por hora, ou ACH, outro princípio historicamente associado às salas limpas pode também ser reconsiderado: o caudal de insuflação constante.
Até agora, os princípios básicos da ventilação de uma sala limpa baseavam-se geralmente num caudal de insuflação constante e num caudal de retorno variável para assegurar o controlo da pressão. No entanto, se considerarmos que o caudal de insuflação depende das emissões de partículas, qualquer variação da taxa de emissão pode permitir uma variação do caudal de insuflação.
É neste contexto que surge o conceito de «controlo adaptativo». Alguns setores exigem uma monitorização contínua das partículas nas salas limpas. É o caso, nomeadamente, do Anexo 1 das GMP para os graus A e B, ou das normas europeias ECSS do setor espacial para classes até ISO 8.
Quando existe um sistema de monitorização contínua, torna-se possível definir uma estratégia de regulação que permita ajustar o caudal de insuflação em função da concentração de partículas detetada em tempo real.
A implementação não é, contudo, simples. É necessário, nomeadamente, filtrar os dados e calcular valores médios das contagens para obter um sinal de regulação estável, tendo simultaneamente em consideração outros parâmetros que devem permanecer controlados, como a pressurização, a temperatura e a humidade. Quando corretamente concebido, este sistema pode constituir uma das estratégias de gestão energética mais eficazes para salas limpas.
Redução da velocidade
Nos sistemas de fluxo de ar unidirecional (UDAF), o parâmetro determinante não é o caudal de ar, mas sim a sua velocidade. O valor de 0,45 m/s ± 20% (0,36–0,54 m/s) manteve-se praticamente inalterado desde a sua definição, na década de 1960, pela US Air Force e a sua posterior consagração pela conhecida norma US FED-STD 209.
A ISO 14644-16 sugere aplicar o mesmo princípio utilizado para reduzir o caudal nas instalações de fluxo turbulento, reduzindo a velocidade das unidades UDAF durante os períodos de inatividade. A norma indica que, em situações de baixa atividade ou ausência de atividade, a velocidade pode ser reduzida para cerca de 0,2–0,3 m/s.
A norma recomenda igualmente avaliar a possibilidade de desligar as unidades UDAF instaladas no interior das salas limpas durante os períodos de inatividade. Regra geral, o caudal de ar de uma unidade UDAF é significativamente superior ao da sala limpa onde está instalada. As potenciais poupanças de energia podem, por isso, ser consideráveis.
Ventiladores
Para que uma redução do caudal se traduza efetivamente em poupanças de energia, é necessário dispor de ventiladores capazes de converter essa redução do caudal numa diminuição real do consumo, sem perdas mecânicas nem redução da eficiência.
Na seleção dos ventiladores de uma sala limpa, devem ser considerados vários critérios:
- Elevada eficiência: para converter a redução do caudal em poupanças de energia.
- Variação de velocidade: para assegurar uma regulação precisa do caudal necessário.
- Acionamento direto: para evitar perdas de transmissão entre o motor e a turbina. Os sistemas tradicionais com correias e polias podem, mesmo quando se encontram em bom estado, representar entre 10 e 15% do consumo energético total do motor. Quando as correias estão desgastadas ou com pouca tensão, estas perdas podem ser significativamente superiores.
Filtros
Os filtros de ar são um elemento essencial das salas limpas. Os elevados níveis de eficiência de filtração provocam perdas de carga significativas, diretamente relacionadas com a energia necessária para as compensar.
A perda de carga é proporcional ao quadrado da velocidade, enquanto a potência varia de acordo com o cubo da velocidade. Assim, uma redução de 50% da perda de carga permite reduzir a potência do ventilador por um fator de 2,8.
Uma utilização excessiva dos filtros aumenta o consumo energético da instalação. A ISO 14644-16 recomenda, por isso, uma abordagem baseada no ciclo de vida dos filtros, determinando a sua substituição segundo critérios de eficiência energética, ou seja, quando o custo adicional associado ao consumo de energia se torna superior ao custo de amortização de um filtro novo.
Cargas térmicas
As cargas térmicas, tanto de frio como de calor, constituem outro fator importante no consumo energético de uma sala limpa. A ISO 14644-16 recomenda abordar a sua eficiência energética a partir de várias perspetivas:
- Redução da carga térmica: através da melhoria da eficiência do isolamento em relação ao exterior e da racionalização das cargas internas, analisando, nomeadamente, as possibilidades de redução ou isolamento das fontes de calor no interior da sala.
- Racionalização dos valores de referência: através da definição de valores e intervalos de variação que correspondam às necessidades reais da sala. A ISO 14644-16 indica, nomeadamente, que a humidade pode variar entre 30 e 70% quando o seu controlo responde apenas a requisitos de conforto dos ocupantes. Recomenda-se igualmente a adoção de valores de temperatura e humidade mais flexíveis durante períodos de baixa ocupação ou de repouso.
- Racionalização do ar exterior: a entrada de ar exterior constitui uma das principais fontes de carga térmica do sistema HVAC de uma sala limpa. O caudal de ar exterior deve ser calculado e justificado em função das necessidades de sobrepressão, renovação de ar e ventilação. É muito comum definir este caudal como uma percentagem do caudal total de insuflação. Segundo a ISO 14644-16, esta prática não tem qualquer justificação racional, não melhora a qualidade da sala limpa e constitui uma fonte de ineficiência energética.
Infelizmente, na versão espanhola publicada pela AENOR, o termo inglês Fresh Air, que se refere ao ar exterior ou ar novo, foi traduzido incorretamente como «aire limpio», «ar limpo». Desta forma, alguns conceitos, como a taxa de renovação de ar (ACE) ou as recomendações relativas à redução do caudal de ar exterior, tornam-se confusos e difíceis de interpretar no texto espanhol.
Dois conceitos diferentes acabam, assim, agrupados sob a mesma definição: em algumas partes do texto, «ar limpo» refere-se a ar filtrado com uma baixa concentração de partículas, enquanto noutras se refere ao ar exterior utilizado para renovação.
Conclusões
A ISO 14644-16 constitui um documento particularmente útil para racionalizar e reduzir o consumo energético das salas limpas. Propõe uma metodologia estruturada e sólida que considera todos os fatores que influenciam o desempenho energético destas instalações. Esta abordagem aplica-se tanto a novas instalações e projetos de renovação como a salas limpas já em funcionamento.
Para as indústrias que utilizam salas limpas, a ISO 14644-16 constitui, assim, uma referência importante para manter custos operacionais viáveis, aceder a apoios ou mecanismos de isenção associados à eficiência energética e responder às políticas de responsabilidade social e ambiental em matéria de desenvolvimento sustentável.
