Impianti HVAC a servizio dei laboratori

Le aree laboratorio hanno caratteristiche estremamente peculiari dati i requisiti richiesti a loro di interno di mantenimento di condizioni di sicurezza dell’operatore, comfort, produttività ed in taluni casi anche di mantenimento di adeguati livelli di concentrazione particellare aerotrasportata.

Fig. 1 –  Esempio di cappa da laboratorio per applicazioni di chimica generale (Labconco Corporation, Kansas City, US).

Nei laboratori, gli impianti HVAC sono assimilabili ad impianti di processo e devono operare in modo coordinato con i sistemi di contenimento ed estrazione delle sostanze trattate o prodotte all’interno del laboratorio stesso.

È possibile elencare più dettagliatamente le caratteristiche principali che un sistema HVAC a servizio delle aree laboratorio, deve soddisfare:

  • Sicurezza dell’operatore mediante captazione ed espulsione delle sostanze pericolose impiegate o generate all’interno del laboratorio.
  • Mantenimento inalterato delle caratteristiche chimiche e fisiche dei materiali e sostanze.
  • Pressurizzazione degli ambienti a seconda delle esigenze specifiche del processo.
  • Ventilazione al fine di provvedere adeguati livelli di diluizione degli inquinanti interni al laboratorio.
  • Comfort termoigrometrico tale da garantire adeguate condizioni di benessere degli operatori.
  • Eventuale mantenimento di concentrazione particellare e biologica interna conforme a standard ISO 14644 o GMP (Good Manufacturing Practice).

Le cappe da laboratorio

All’interno dei laboratori le operazioni più critiche sono generalmente svolte all’interno delle cappe aventi la funzione di captare le sostanze nocive proprio ove si generano (figura 1). Tali sostanze  a sua volta sono espulse in ambiente esterno. Le cappe possono essere di vario tipo. La tendenza moderna è quella di prevedere cappe a portata di estrazione variabile in virtù del fatto che in genere, tali cappe, sono impiegate solo per brevi periodi nell’ambito delle attività di laboratorio. In figura 2 sono riportate le ore medie annue di funzionamento giornaliere della cappa in un caso reale. Operare a portata variabile consegue un elevato risparmio energetico sia del sistema HVAC sia del sistema di estrazione cappe.

Fig. 2 – Numero di ore medie giornaliere di funzionamento (asse delle ordinate) nel corso dell’anno (asse delle ascisse) per una cappa da laboratorio.

Caratteristiche degli impianti

A secondo delle attività svolte nel laboratorio e delle apparecchiature presenti al suo interno, sono richiesti impianti meccanici aventi caratteristiche operative e prestazionali diverse.

Genericamente i laboratori sono suddivisibili in tre categorie:

  • A ventilazione prevalente, laboratori in cui il valore minimo di ricambi d’aria primaria richiesto ai fini della sicurezza degli operatori per la diluizione dei contaminanti interni emessi è maggiore sia della portata aspirata dalle cappe di laboratorio sia della portata per l’abbattimento di carichi interni.
  • A carico termico prevalente, laboratori in cui la neutralizzazione del carico frigorifero (o termico – più raramente) richiede delle portate di aria superiori alle portate necessarie  sia per la ventilazione interna sia per la compensazione dell’aria di estrazione delle cappe.
  • Ad estrazione prevalente, laboratori in cui l’aria immessa in ambiente per la compensazione dell’aria estratta dalla cappe è superiore sia alla portata di ventilazione richiesta per la diluizione degli inquinanti interni che della portata per la neutralizzazione dei carichi termici o frigoriferi.

A fronte di questa schematica catalogazione dei laboratori, certamente valida in condizioni nominali di operatività del laboratorio, va notato che lo stesso laboratorio può operare alternativamente in tutte e tre le condizioni suddette a seconda delle condizioni che si instaurano al suo interno.

Nella fattispecie, quando le cappe di aspirazione non sono in uso (saliscendi in posizione di chiusura) i laboratori possono essere assimilati  del tipo a carico termico prevalente o a ventilazione prevalente.

Invece, quando la portata di ventilazione è ridotta per inoccupazione si potrà avere un laboratorio del tipo a carico termico prevalente. Qualora il carico di raffreddamento dovesse diminuire per riduzione del carico interno o per riduzione degli apporti esterni, il laboratorio è assimilabile ad estrazione prevalente o  ventilazione prevalente.

Nonostante all’interno dei laboratori siano presenti elevati carichi interni endogeni generati dalle macchine stesse di laboratorio, è più probabile che il laboratorio operi in condizione di  “ventilazione prevalente” o “ad estrazione prevalente”. Difatti tali portate risultano quasi sempre superiori a quelle richieste per il solo abbattimento dei carichi.

La variabilità delle condizioni in cui opera il laboratorio appena descritte, unitamente  alle intrinseche criticità delle attività e processi condotti nei laboratori, chiariscono come gli impianti HVAC a servizio del laboratorio debbano essere caratterizzati da un funzionamento estremamente dinamico,  tale da seguire puntualmente le variazioni operative del laboratorio ma allo stesso tempo garantire i parametri di funzionamento del sistema HVAC che sono particolarmente stringenti per tali applicazioni.

Gli impianti HVAC a servizio dei laboratori

Oggi i nuovi laboratori sono dotati di cappe a portata di estrazione variabile, tali da garantire una velocità frontale alla cappa incrementando o riducendo la portata di aria espulsa in funzione della posizione del saliscendi.

Ciò riduce sensibilmente scostamenti della velocità  frontale che possono causare significative turbolenze con conseguenti non contenimenti delle sostanze manipolate all’interno della cappa stessa. Ai fini della sicurezza dell’operatore, sono sempre più frequentemente presenti “monitor” a bordo cappa che rilevano in modo continuo la velocità frontale alla cappa allertando l’operatore in caso di avarie di funzionamento della cappa stessa (figura 3).

Fig. 3 – Numero di ore medie giornaliere di funzionamento (asse delle ordinate) nel corso dell’anno (asse delle ascisse) per una cappa da laboratorio.

Conseguenzialmente gli impianti HVAC a servizio dei laboratori devono seguire questa evoluzione verso la portata variabile gestita dalle cappe. Ciò si traduce in dovere prevedere impianti HVAC congeniati per rispondere nel più breve tempo possibile alle variazioni delle condizioni operative sia in termini di portata e secondariamente in termini di carico frigorifero/termico.

La tendenza oggi è quella di impiegare sistemi impiantistici del tipo VAV (variabile air volume) dotati di sezione di post trattamento: solo riscaldamento a due tubi  mentre nel caso di riscaldamento e raffreddamento del tipo a quattro tubi – questi meno frequenti (figura 4).

Fig. 4 – Esempio schematico impianto VAV a servizio di un laboratorio.

Altra architettura di impianto impiegabile è quella di sistemi HVAC con cassette di miscelazione ed impianti a doppio canale ove la portata di aria calda è miscelata con aria fredda al fine di raggiungere il valore richiesto dall’ambiente intero (figura 5).

Fig. 5 – Esempio schematico impianto a doppio condotto.

La variazione della portata aspirata dalle cappe può essere compensata modificando la portata di ripresa generale del laboratori, oppure la portata di immissione, o addirittura entrambe opportunamente. In ogni caso, le varie variazioni di portata, atte a compensare la variazione di portata aspirata, dovranno essere sempre tali da garantire i livelli di depressione dell’ambiente ed i livelli minimi di ventilazione richiesti dall’ambiente laboratorio. Non per ultimo, le variazioni di portata devono garantire il mantenimento di velocità frontali alla capa prossime a quelle di progetto (0,3/0,5 m/s).

Le notevoli portate di aria di ventilazione richieste per questo tipo di applicazione orientano la scelta progettuale verso l’adozione di sistemi di climatizzazione a tutta aria esterna.

Il ricircolo dell’aria interna nella grande maggioranza di casi (se non sempre) è da escludere per via della presenza di sostanze stato vapore e gassose emesse in ambiente laboratorio che altrimenti continuerebbero a permanere nell’ambiente interno essendo queste ricircolate.

La velocità frontale

Uno dei parametri più importanti che deve essere controllato dagli impianti HVAC è la “velocità frontale dell’aria sulla cappa”. Tale velocità fa’ riferimento all’aria che transita attraverso la sezione libera di apertura dall’ambiente laboratorio verso il volume interno della cappa (figura 3).

Tale valore deve essere mantenuto il più possibile costante, anche al variare della posizione del saliscendi, nell’intervallo tra 0,3 e 0,5 m/s.

Nelle cappe a portata di estrazione variabile, al fine di mantenere il più possibile costante il valore di velocità frontale, maggiore sarà il grado di chiusura del saliscendi, minore sarà la portata estratta dalla cappa. Viceversa, minore è il grado di chiusura della cappa e maggiore sarà la portata di estratta.

Valori superiori a 0,5 m/s possono causare moti turbolenti in prossimità della stessa apertura con conseguente non contenimento delle sostanze trattate all’interno della cappa. Ciò rappresenta una  condizione operativa di rischio per l’operatore.

Allo spostamento del saliscendi si assisterà ad un intervallo di tempo in cui il sistema dovrà riadattarsi alla nuova condizione operativa di portata estratta da parte della cappa. Tale tempo, per l’appunto detto di “risposta”, è intrinseco alla catena di regolazione stessa dell’impianto. In merito

l’ASHRAE Standard Guideline 110-1995R definisce “tempo di risposta” il tempo necessario a far si che la velocità frontale rientri in un intervallo di +/- 10% del valore prefissato della velocità frontale, allorquando il saliscendi sia stato spostato in una posizione differente.

Il “tempo di risposta” è un indice del livello di sicurezza che sarà tanto maggiore quanto minore è il tempo di risposta del sistema alla variazione della posizione del saliscendi e quindi della portata estratta. Valori di 3 o 4 secondi non sono rappresentativi di adeguate condizioni di sicurezza in quanto si potrebbe assistere ad uno scarso contenimento delle sostanze potenzialmente nocive presenti all’interno della cappa (figura 6).

Fig. 6 – Andamento della velocità frontale in funzione del tempo al variare del grado di apertura del saliscendi.

Il tempo di risposta delle variazioni di portata di immissione dell’impianto HVAC, atta a compensare la variazione di portata estratta, deve essere il più prossimo possibile a quello di modulazione della portata estratta dalla cappa.

Nel caso in cui la risposta del sistema HVAC è in ritardo rispetto alle variazioni di estrazione della portata, si può assistere ad uno sfasamento tra la richiesta di portata di immissione e quella di estrazione causando la temporanea pressurizzare del laboratorio. Tale condizione può causare variazione dei campi interni di velocità e propagazione di sostanze interne al laboratorio verso ambienti adiacenti con possibile contaminazione (figura 7).

Fig. 7 – Confronto tra flusso dell’aria immesso e flusso dell’aria estratto al variare della posizione del saliscendi in relazione al tempo. Condizione in cui si assiste ad uno squilibrio temporale tra i flussi immessi estratti con conseguente pressurizzazione dell’ambiente.

Nei sistemi a portata costante di estrazione, oggi sempre meno diffusi, il valore della velocità dell’aria frontale risulta variabile a seconda del grado di apertura del saliscendi raggiungendo in certe condizioni valori superiori a 0,5 m/s o inferiori a 0,3 m/s. È evidente che in tali condizioni non è possibile garantire il contenimento delle sostanze all’interno della cappa generando un serio rischio per l’operatore.

La diffusione dell’aria

Una particolare attenzione deve essere rivolta allo studio dei flussi dell’aria degli impianti HVAC all’interno del laboratorio. Una delle maggiori criticità riscontrabili è rappresentata dall’interferenza tra il flusso d’aria immesso in ambiente dai sistemi HVAC a la sezione frontale aspirante della cappa. Eventuali deviazioni dei flussi dell’aria in prossimità della sezione frontale possono generare turbolenze localizzate e quindi causare reflussi d’aria dalla cappa verso l’ambiente interno del laboratorio minando la salute dell’operatore.

In linea generale, la letteratura tecnica (ASHRAE “Laboratory design Guide”) suggerisce che all’interno del laboratorio, al disotto di circa 2,1 m di altezza ed in zona occupata, la velocità dell’aria debba risultare sempre inferiore a 0,25 m/s. Quindi in genere la velocità dell’aria in ambiente occupato non deve essere superiore al 50% della massima ammissibile velocità frontale della cappa (0,5 m/s).  Tuttavia, in prossimità della sezione frontale della cappa, è buona norma mantenere valori di velocità pari al 20% della velocità frontale massima ammessa della cappa quindi pari a circa 0,10 m/s. Ciò al fine di evitare fenomeni di  interferenza tra il flusso di aria immessa dai diffusori ed il flusso di aria frontale alla cappa.

Garantire un valore di velocità così basso in corrispondenza della sezione frontale alla cappa (0,10 m/s) risulta di non semplice attuazione alla luce del fatto che in tali ambienti, le portate immesse sono intrinsecamente elevate sia per soddisfare la richiesta di ventilazione degli ambienti sia per la compensazione dei flussi aspirati dalle cappe.

Altra criticità è rappresentata dal fatto che i  terminali di diffusione dell’aria hanno caratteristiche funzionali differenti, specialmente in termini di lancio al variare della portata trattata nei sistemi VAV. Quindi il progettista dovrà condurre tutta una serie di verifiche sulle prestazioni del diffusore, sia alla portata minima prevista che alla portata massima del sistema HVAC, garantendo sempre i limiti imposti di velocità dell’aria di progetto.

Pressurizzazione

I laboratori possono operare in pressione positiva o negativa rispetto agli ambienti adiacenti agendo sullo squilibrio tra la portata di immissione e quella di estrazione dell’aria.

Generalmente immettendo una portata di aria di ventilazione inferiore a quella di estrazione, l’ambiente  risulterà in depressione rispetto agli ambienti adiacenti. Viceversa, l’ambiente sarà in sovrappressione.

I laboratori ove si manipolano sostanze chimiche e materiali pericolosi sono mantenuti sempre in depressione al fine di evitare che vapori, particolati, odori, ed altri sottoprodotti possano migrare verso zone adiacenti occupate.

Talvolta sono richiesti laboratori a pressione positiva ove la pressione è più alta se comparata con quelli adiacenti. In tal caso, per non compromettere le condizioni sperimentali richieste, è necessario che il laboratorio operi in condizione di sovrappressione e se all’interno di questi ambienti si manipolano sostanza pericolose è necessario prevedere o delle cappe di estrazione particolarmente efficaci e delle aree a pressione negativa rispetto a quelle del laboratorio in pressione positiva (ad esempio, airlock).

All’interno del comparto laboratorio sono presenti anche alcune aree a pressione neutra ove non sono richieste particolari condizioni di pressurizzazione. Rientrano tra questi gli ambienti uffici, corridoi, ecc.

Recupero di calore

L’ambiente laboratorio richiede elevate portate di aria esterna trattate dagli impianti a servizio dei laboratori, necessaria sia ai fini della ventilazione degli ambienti interni sia alla compensazione delle portate di aria estratta dalle cappe. Il recupero di calore, oltre ad essere un obbligo di legge in Italia, rappresenta una opportunità di risparmio energetico e quindi anche economico. Tuttavia, in merito a tale tema, si deve porre una particolare attenzione relativamente alle seguenti criticità peculiari dell’ambiente laboratorio:

Devono essere impiegati sistemi di recupero calore del tipo a doppia batteria con scambio indiretto a mezzo di circuito idronico opportunamente glicolato. Sistemi di recupero calore del tipo a flusso incrociato, o entalpici, possono essere causa di cross-contamination tra il flusso immesso di aria esterna (aria pulita) e quello in espulsione (aria contaminata).

Nel caso in cui l’impianto preveda impiego di ventilatori singoli a servizio delle singole cappe (quindi sistema di estrazione non centralizzato), risulta complesso “raccogliere” i vari flussi in unico condotto, o addirittura infattibile porre tante batterie di recupero quanti sono i condotti di espulsione singola. Quindi il sistema di recupero del calore, in ambiente laboratorio, risulta tecnicamente fattibile principalmente in sistemi di espulsione aria cappe del tipo centralizzato.

Le batterie di scambio termico, alla luce dell’aggressività delle sostanze inquinanti impiegate in laboratorio, devono essere trattate superficialmente. Nel caso di laboratori ad alto rischio, anche in virtù della aggressività delle sostanze impiegate, deve essere monitorata la tenuta delle tubazioni del circuito di recupero termico in quanto la non perfetta tenuta può essere causa di contaminazione a mezzo del fluido termovettore tra la sezione di immissione aria primaria e sezione espulsione aria interna dai laboratori.

Conclusioni

Gli impianti a servizio dell’ambiente laboratorio sono particolarmente complessi alla luce de fatto che un laboratorio progettato, o non realizzato a regola d’arte, o non manutenuto correttamente può essere fonte di serio rischio dell’operatore. In tali ambienti non è in discussione tanto il comfort (seppure un parametro importante) ma bensì la salute degli operatori e anche la salvaguardia dei prodotti oggetto dell’attività del laboratorio.

La dinamicità delle condizioni operative del laboratorio complica il tutto.

Si comprende che il progetto degli impianti a servizio del laboratorio è probabilmente una delle sfide più avvincenti e impegnative in cui un progettista HVAC si possa cimentare.

L’utilizzo di simulazioni fluidodinamiche CFD rappresenta un ottimo strumento per lo studio dei flussi dell’aria specialmente in tali ambienti ove anche ridotti discostamenti delle velocità dai valori di progetto possono interferire negativamente con le funzionalità delle apparecchiature del laboratorio.

Ing. Gaetano Trovato, STT Engineering

 

Bibliografia

Phoenix Controls – Laboratories Sourcebook 5th edition.

ASHRAE applications handbook 2019.

Problemi connessi con la presenza di cappe aspiranti nei laboratori – Adileno Boeche – Alberto Cavallini – Memorie Convegno AICARR 2001 “L’impiantistica nei laboratori di analisi, ricerca e sperimentazione”.

Il controllo della portata d’aria nelle cappe da laboratorio: sicurezza e risparmio energetico – Luca Ferrari – Memorie Convegno AICARR 2001 “L’impiantistica nei laboratori di analisi, ricerca e sperimentazione”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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