Medidas de eficiencia. Ahorro energético en salas blancas

Ingenieria farmaceutica, Salas blancas, Sin categoría 0 comentarios 26 - 01 - 15

1. Introducción

Históricamente las Salas Blancas han sido instalaciones de alto consumo energético, el desarrollo de estándares en épocas pasadas de energías baratas y el alto grado de valor añadido de los productos elaborados en Salas Blancas han dado lugar a diseños de alto impacto energético en donde el parámetro coste de operación no era valorado.

Con el precio de la energía en continuo ascenso, los márgenes cada vez más estrechos de los medicamentos y los estándares y normativas creciendo en complejidad y exigencia se imponen un análisis de los sistemas e instalaciones de las Salas Blancas, no solo en los nuevos diseños sino también en las reformas y remodelaciones de las zonas existentes para ser eficientes también en esta partida..

Las medidas de ahorro energético deben ser diseñadas específicamente para cada caso particular, teniendo en cuenta factores diversos, como la situación geográfica, los tiempos de operación y las necesidades reales del sistema productivo, tanto en el presente como en el futuro previsible. Todos estos factores deben ponerse en relación con los costes de instalación y de explotación, para estimar el tiempo de retorno de la inversión, que es el factor realmente importante en un estudio de ahorro energético.

2. Medidas de ahorro energético

Las medidas de ahorro energético en una instalación se Salas Blancas se pueden abordar en cinco grandes sectores:

  • Bases de diseño
  • Producción de energías y fluidos,
  • Distribución de fluidos,
  • Operaciones productivas
  • Mantenimiento.

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A. Bases de diseño

Las bases de diseño son el punto de partida de todo proyecto de Salas Blancas, a partir de estas bases se diseñan los sistemas y se especifican los equipos; cuanto más restrictivas y estrictas sean las bases de diseño más complejo y de mayor coste de instalación y explotación será el sistema. Los niveles de exigencia en las Salas Limpias están en continuo crecimiento por lo que unas bases de diseño excesivamente ajustadas a la baja, puede dar lugar a la construcción de sistemas que quedan obsoletos a los pocos años o que deben incurrir en nuevos costes e ineficiencias para cumplir nuevos estándares. Más que ajustar las bases de diseño pensando en el gasto de energía, es más adecuado diseñar sistemas de funcionamiento flexible que puedan funcionar en un amplio rango de condiciones adaptando su consumo energético a los límites seleccionados. Los parámetros más importantes a tener en cuenta en las bases de diseño son: Temperatura, Humedad relativa, Caudal de Aire Exterior, Caudal de Aire Total y Etapas de Filtración.

Temperatura 

Cuanto más baja sea la temperatura que se requiere en un recinto, y más estrecho sea el margen de funcionamiento, mayor es el consumo energético.

Humedad

El control de humedad también es un factor que provoca un aumento de este consumo, ya sea por el uso de enfriamiento y post-calentamiento o el uso de secadores de absorción.

Caudal de aire exterior

El caudal de aire exterior se convierte también en uno de los parámetros con mayor impacto sobre el consumo energético, por la necesidad de compensar tanto calor sensible, como calor latente. Erróneamente se piensa que una alta tasa de aire exterior beneficia a la calidad de aire interior. Esto puede ser cierto en climatización convencional con niveles de filtración básicos o en el caso de áreas con alta generación interior de contaminantes tales como zonas de sólidos, zonas ATEX, zonas de disolventes etc. Sin embargo, en la mayoría de los casos de Salas Blancas no hay necesidad de dilución de contaminantes y el aire de retorno es infinitamente mejor que el aire exterior, que además puede estar altamente contaminado por industrias anexas, polvo, pólenes etc…

Caudal de aire impulsado 

Otro factor energético importante es el caudal de aire impulsado a las Salas Blancas, las famosas “renovaciones por hora”, (que más propiamente deberían denominarse recirculaciones/hora o cambios/hora). Generalmente se admite que la clasificación de una zona depende de las recirculaciones/hora, lo cual es cierto, pero en buena medida también depende de la distribución de las entradas y salidas de aire en la zona. Una correcta distribución de estas permite optimizar el caudal total de aire movido por los ventiladores, y su correspondiente impacto energético.

Etapas de filtración 

Las etapas de filtración son un factor determinante para una Sala Blanca, cuantas más etapas de filtración mejor será la calidad del aire; sin embargo a partir de un cierto ratio de filtración la adición de cada nueva etapa genera un incremento importante en la energía consumida a cambio de una mejora ínfima en la calidad del aire. La mejora de una sala depende más de la correcta selección de eficacias que de la adición de etapas de filtración en serie de la misma eficacia.

B. Producción de energía y fluidos

La producción de energía frigorífica y calorífica representa una parte muy importante del gasto energético, por lo que es recomendable una adecuada selección de los equipos de producción de acuerdo a las características particulares de la instalación sin dejarse influir por modas y tendencias

Producción de frio:

Por lo que respecta a la producción de frío hay una primera decisión que es fundamental:

  • Sistema de agua enfriada
  • Sistema de expansión directa.

Genéricamente los sistemas de agua enfriada son más eficientes que los de expansión directa pero con mayor coste de instalación, por lo que en pequeñas y medianas instalaciones, sin criterios excesivamente estrictos de humedad y temperatura puede resultar que nunca se llegue a amortizar el diferencial de coste de instalación por el ahorro energético conseguido.

Producción de calor:

Por lo que respecta a la producción de calor, también es generalmente reconocido que la generación por combustión (gas, gasóleo) es más eficiente que el calentamiento mediante resistencias eléctricas. Sin embargo la instalación de resistencias requiere un coste ínfimo comparado con los costes de instalación de un sistema de calentamiento por agua; por lo que en instalaciones donde se esperan bajas necesidades de aporte calorífico es posible que nunca se llegue a recuperar la inversión de un sistema de calentamiento convencional por caldera y agua caliente. Un estudio detallado del tiempo previsible de funcionamiento del sistema de aporte calorífico ayuda a clarificar la idoneidad del sistema a utilizar.

Así mismo la generación de calor por bomba de calor puede ser más eficiente que la generación por combustión, aunque en determinadas localizaciones y épocas del año se necesitará apoyo de calentamiento eléctrico. En general los equipos de enfriamiento de agua con opción bomba de calor no son útiles en el entorno de las Salas Blancas ya que son equipos diseñados para funcionamiento estacional invierno/verano en sistema de 2 tubos. Sin embargo existen equipos de producción de frio con recuperación de calor o equipos que pueden producir indistintamente frio y/o calor (denominados a cuatro tubos) que pueden aportar una alta eficiencia energética en la producción de frio y calor con la flexibilidad requerida en una instalación de Salas Blancas.

En el caso de los sistemas de expansión directa la opción bomba de calor si es una buena opción ya que admite un funcionamiento no estacional, cambiando de frio a calor de forma casi inmediata y permitiendo instalaciones económicas y sencillas.Una vez seleccionado el sistema de producción de frío y calor hay que seleccionar los equipos más adecuados. Tradicionalmente en la producción de frío la eficiencia de un equipo se indica mediante el EER (Energy Eficiency Ratio) que es el cociente entre la potencia frigorífica producida y la potencia eléctrica consumida. Sin embargo este ratio es hasta cierto punto engañoso ya que utiliza la potencia total y pocas veces un equipo de producción trabaja al 100% de su capacidad. EUROVENT ha definido el ESEER (European Seasonal Energy Eficiency Ratio) en el que se utiliza una ponderación de los EER con cargas del 100%, 75%, 50% y 25%. El ESEER da una idea mucho más exacta de la eficiencia de un equipo y permite una comparativa más ajustada y real. Pero no hay que perder de vista que el ESEER es un instrumento no un objetivo, no se trata de seleccionar el equipo con mayor valor ESEER sino seleccionar el equipo en función de la relación coste/ESEER.Al seleccionar los equipos de producción de frio y calor debe tenerse en cuenta que estos equipos tienen (o deberían tener) una vida útil superior a los 20 años, por tanto pequeños o moderados incrementos de coste de instalación a cambio de ventajas técnicas debidamente contrastadas, pueden dar lugar a importantes retornos por ahorros en los gastos de explotación.

C. Distribución de fluidos

Fluidos a tener en cuenta:

Distribución de agua de climatización:

El bombeo de agua de climatización es otro campo donde se pueden obtener ahorros energéticos. Típicamente los circuitos de agua fría y caliente de climatización se han diseñado en caudal constante con válvulas de 3 vías en los puntos de consumo; esto significa que la instalación debe mover en todo momento el caudal de agua correspondiente a la carga máxima aunque muy pocas veces el sistema va a trabajar a carga máxima. El gasto energético para el bombeo de agua en instalaciones grandes puede ser importante. Una alternativa interesante es la distribución de agua a caudal variable con válvulas de 2 vías en los puntos de consumo y bombas con variador de frecuencia que adaptan su caudal y por tanto su consumo de energía, a las necesidades reales de la instalación en cada momento.

Distribución de aire:

La distribución de aire, dados los altos caudales necesarios en las Salas Blancas, junto con la alta perdida de carga de los sistemas de filtración requieren un alto consumo de energía. Por tanto la elección del tipo de ventiladores y su regulación puede tener un impacto importante en el consumo de la instalación. Es recomendable la instalación de ventiladores de alta eficiencia, con transmisión directa, evitando las típicas transmisiones de poleas y correas. Un punto importante es la capacidad de regulación de velocidad del ventilador; descartados los antiguos sistemas de regulación por tensión, que reducían la velocidad sin reducir el consumo, en este momento contamos básicamente con dos sistemas de regulación: la variación de frecuencia y los motores con tecnología EC (conmutación electrónica). Ambos sistemas reducen el consumo al reducir la velocidad, el sistema EC tiene la ventaja de estar integrado en el propio motor, produce menos perdidas internas y no genera problemas de armónicos en la red; por lo que suele dar lugar a instalaciones más fáciles y sencillas. La alta eficacia de los ventiladores y la capacidad de regulación no solo redundan en menor consumo en motor, generalmente son ventiladores más silenciosos que pueden obviar la necesidad de silenciadores y por tanto operar con menos caída de presión. 

D. Ahorro en la operación

Un punto a tener en cuanta es el ahorro energético que puede conseguirse en la operación de los sistemas. Un sistema de Sala Blanca puede haber sido sobre-diseñado con el fin de admitir futuras actualizaciones o “up grades”, pero si está realmente bien diseñado debe permitir una optimización del ahorro energético a través de los set points de funcionamiento.

Temperatura:

La selección de set points así como sus límites son una decisión importante; por lo general cuanto más alto es un set point de refrigeración menos energía se requiere para alcanzarlo. En Salas Limpias de alta clasificación el personal debe vestir trajes especiales y es normal requerir temperaturas interiores de 20ºC para mantener el confort de las personas; sin embargo en áreas de baja clasificación solo es preceptivo el uso de bata y gorro con lo que temperaturas de 22ºC serian suficiente desde el punto de vista del confort.

Humedad:

El set point de humedad también puede ser una fuente de alto consumo energético. Por lo que se refiere al confort de las personas se suele admitir un rango de 35 a 65%. Por lo que respecta a una Sala Blanca se entiende que humedades inferiores al 35% pueden empezar a causar problemas de electricidad estática, esto no solo es crítico en Salas de microelectrónica, la electricidad estática puede favorecer la adherencia de las partículas en el aire y evitar su eliminación por el sistema de ventilación. Por otro lado humedades superiores al 65% pueden producir problemas de condensación, micro-corrosión y crecimiento de hongos y bacterias. En muchas ocasiones el proceso realizado en el interior de una Sala Blanca puede requerir de unos límites de humedad relativa más estrictos: es el caso de operaciones con sólidos efervescentes o higroscópicos, operaciones de revelado en circuitos impresos, etc. En estos casos es importante definir los límites admisibles de temperatura y humedad en función del proceso. Hay que tener en cuenta que cuanto menor es la temperatura, mayor coste energético requiere mantener una humedad baja.

Selección noche/día:

Normalmente se acepta que las Salas Blancas, sobre todo las de alta clasificación, deben mantenerse en funcionamiento continuo con el fin de mantener la limpieza de aire interior y el régimen de presiones. Sin embargo debe plantearse si en los momentos en los que no hay actividad productiva deben mantenerse las condiciones de humedad y temperatura con el costo energético que llevan asociado. Es recomendable que el sistema de control permita unos sets point más amplios durante los tiempos de inactividad. Por el mismo razonamiento si la sala no está en producción también podrían rebajarse los requerimientos de caudal impulsado; por un lado no hay producto que pueda contaminarse, por otro lado no hay personal, que suele ser la fuente principal de contaminación; esto permitiría una reducción del caudal impulsado y consecuentemente de la energía consumida en ventilación. El sistema podría funcionar con una velocidad mínima que permita el mantenimiento de la clasificación y el nivel de sobrepresión.

También debe valorarse la opción de la parada total de los sistemas cuando la sala no está en funcionamiento; un análisis de riesgos, particularizado para el proceso productivo concreto, puede ayudar a determinar las medidas que justifiquen la parada total de la instalación fuera del horario de producción con los consecuentes ahorros energéticos y de explotación.

Free cooling en aire:

El free cooling o enfriamiento gratuito es bien conocido en los sistemas de climatización convencional. Se trata de comparar en todo momento las condiciones de aire de retorno con las condiciones del aire exterior y utilizar uno u otro o una mezcla de ambos en función de lo que sea más favorable energéticamente. En el pasado no ha sido muy común el uso de sistemas free cooling de aire en Salas Blancas debido a la complejidad del ajuste de presiones diferenciales; sin embargo en zonas con muy pocos escalonamientos de presiones y con un sistema de control correctamente diseñado el free cooling de aire puede ser una opción válida para incrementar el ahorro energético de la instalación. Zonas como acondicionamientos secundarios o almacenes son ejemplos típicos de aplicación de sistemas free-cooling.

 

E. Ahorro en el mantenimiento

El último punto, breve pero no por ello menos importante, es el ahorro energético obtenido a través de un correcto programa de mantenimiento.

Un correcto aislamiento y sellado de conductos y tuberías evitará perdidas de caudal y temperatura colaborando a la mejora del rendimiento. Un aprovechamiento excesivo de la vida útil de los filtros puede suponer incrementos en el consumo por el aumento exponencial de la perdida de carga y al mismo tiempo comprometerá la eficacia final del sistema de filtración. Un sistema de control que permita monitorizar el funcionamiento integral de la instalación, obteniendo estadísticas, valores, consumos, tendencias de funcionamiento, etc. ayudará a optimizar el rendimiento y prevenir sobre-consumos por funcionamientos deficientes. En general un programa bien definido y ejecutado de mantenimiento predictivo-preventivo mantendrá la instalación en todo momento dentro de sus parámetros óptimos de funcionamiento.

3. Conclusiones

Un correcto diseño de la instalación de HVAC en una instalación pueden suponer ahorros considerables en el coste energético de una instalación. Ingelyt realiza actualmente auditorias para cuantificar dicho ahorro y puede realizar posteriormente todo el proyecto de ingeniería, instalación y documental (análisis de riesgos, cualificación).

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