Guía de diseño de sistemas HVAC para salas limpias: cambios de aire, filtración y presión

Imagine un equipamiento farmacéutico: se dibuja la sala de llenado ISO 7, se ordenan los paneles y luego alguien le pregunta al contratista de HVAC cuánto aire necesita la sala. Para entonces, la rejilla del techo, el camino de retorno y la cascada de presión ya están fijos, por lo que el sistema de tratamiento de aire debe ajustarse a un diseño que nunca se diseñó en torno a él.

El diseño del sistema HVAC para salas blancas funciona mejor en el orden opuesto. Fije primero la clase de limpieza, la cascada de presión y la carga de calor interna, y luego sigue el manejo, la filtración y la distribución del aire. Tres números impulsan el resto: los cambios de aire por hora (ACH), la proporción de techo cubierto por filtros terminales y la presión diferencial entre zonas adyacentes.

A continuación se explica cómo se eligen esos números en la práctica, dónde suelen fallar los diseños y qué debe ofrecer el sistema para que mantenga sus puntos de ajuste.

Comience con la clase, luego mida el aire

La norma ISO 14644-1 establece un límite de concentración de partículas, no una tasa de cambio de aire. ACH es la ruta práctica hacia ese límite y también es lo que permite que una habitación se recupere después de que se abre una puerta o se transfiere un lote. Cotizar 25 ACH por cada sala limpia es un hábito, no un cálculo.

Dos consecuencias importan. La ACH se calcula sobre el volumen real de la habitación, por lo que un techo de 4 m necesita aproximadamente un 50 por ciento más de aire que un techo de 2,7 m para el mismo número. Y a partir de ISO 5, el flujo de aire se convierte en una velocidad direccional sobre la zona crítica en lugar de un promedio de la habitación, por lo que los cambios de aire por sí solos dicen muy poco.

Filtración: el tren de filtrado conlleva el riesgo real

Las partículas se eliminan por etapas y saltarse una etapa rara vez ahorra dinero; mueve el costo al filtro del terminal. Un tren viable se ve así:

• Prefiltro, ISO Coarse o ISO ePM10: protege serpentines y conductos, se cambia de dos a cuatro veces al año.
• Filtro secundario, ISO ePM1 (F7 a F9): soporta la mayor parte de la carga de retención de polvo y es la etapa más barata de reemplazar.
• Terminal HEPA H13 o H14: 99,95 % a 99,995 % de eficiencia en el tamaño de partícula más penetrante, con un sello de gel o junta y una junta comprobable por escaneo.
• ULPA U15 y superiores: reservado para ISO 4 y más estrictos, o cuando el producto en sí presenta riesgo de partículas.

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Dos tolerancias importan más que el índice de eficiencia. El sello es lo primero: un filtro H14 en un marco deficiente tiene fugas como un conducto sin sellar, razón por la cual ISO 14644-3 requiere un escaneo PAO o DOP de cada filtro instalado en su posición final. El segundo es el punto de cambio: los filtros se reemplazan aproximadamente al doble de su caída de presión limpia, o alrededor de 450 a 500 Pa para un HEPA terminal, no en un cronograma anual fijo.

Patrón de flujo de aire: unidireccional o mixto

ISO 5 y limpiadores requieren flujo de pistón: suministro HEPA en todo el techo, retornos bajos en la pared opuesta a la zona crítica y nada que obstruya el camino entre ellos. La velocidad de diseño es de 0,3 a 0,5 m/s medida de 15 a 30 cm desde la cara del filtro, con aproximadamente más o menos un 20 por ciento de uniformidad en toda el área de trabajo. Una sala con un promedio de 0,45 m/s que cae a 0,2 m/s detrás de un banco de máquinas no es unidireccional en ningún sentido útil.

ISO 6 a 8 puede utilizar flujo mixto con cobertura parcial del techo y cuesta mucho menos. Las unidades de filtro de ventilador se adaptan a ese diseño porque cada unidad se ajusta individualmente, y una unidad de 1.200 x 600 mm a 0,45 m/s mueve alrededor de 1.000 a 1.300 m³/h mientras agrega de 150 a 250 W de calor del ventilador. Veinte de ellos pueden agregar de 3 a 5 kW que los cálculos de carga a menudo acreditan al equipo de proceso.

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Las devoluciones merecen la misma atención. Las paredes de bajo nivel regresan a unos 30 cm por encima del suelo y mantienen el aire barriendo el espacio ocupado en lugar de provocar un cortocircuito en el techo.

Cascada de presión, temperatura y humedad.

La presión es lo que impide que los contaminantes pasen de un espacio más sucio a uno más limpio. Valores típicos:

1. 10 a 15 Pa entre espacios adyacentes de diferentes clases, siendo 5 Pa como suelo práctico cuando las puertas están cerradas y la envolvente estanca.
2. Presión negativa de 10 a 30 Pa para salas de manipulación peligrosas o citotóxicas, medida en relación con el pasillo y no con el aire exterior.
3. Bloqueos de puertas, esclusas de aire y ventanas de paso entrelazadas para mantener la cascada intacta mientras se mueven los materiales.

La temperatura y la humedad son más fáciles de nombrar que de retener. Las salas de dispositivos médicos y farmacéuticos suelen funcionar a una temperatura de 20 a 24 °C con una tolerancia de 1 a 2 K y una humedad relativa del 45 % ± 5 %; Las áreas de semiconductores y baterías aprietan ambas. Allí, el control de la humedad protege los polvos higroscópicos, limita la descarga estática y mantiene la condensación alejada de las superficies frías dentro del sobre.

La envolvente decide si se mantienen los puntos de ajuste

Un sistema HVAC solo puede mantener una cascada si la habitación tiene menos fugas de lo que supone el diseño. En las juntas de paneles, juntas de puertas, pasos de cables y marcos de ventanas es donde desaparece la presión; una pared con una fuga del 5 por ciento del suministro de aire puede reducir una cascada de 15 Pa a unos pocos pascales y dejar que el circuito de control luche contra sí mismo.

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Es por eso que las especificaciones del panel pertenecen a la conversación sobre HVAC y no a una carpeta de adquisiciones separada. Los paneles aislados con núcleos continuos, puertas con junta doble y perfiles de aluminio con sellos integrados brindan al diseñador mecánico una cifra de fuga predecible, mientras que las superficies al ras con repisas mínimas dejan menos lugares para que se asienten las partículas.

Energía, Controles y Puesta en Marcha

La recirculación normalmente funciona entre el 70 y el 90 por ciento del aire suministrado, y solo el volumen de reposición se extrae del exterior. Esa única decisión temprana afecta el costo operativo más que cualquier actualización del filtro, porque el aire exterior transporta toda la carga sensible y latente.

Los controles deben ser independientes de la presión. Los terminales VAV o un ventilador de recirculación modulante mantienen la habitación equilibrada a medida que se cargan los filtros; un ventilador de velocidad fija suministra menos aire cada mes hasta que el recuento de partículas varía. La reducción nocturna al 60 o 70 por ciento de la velocidad del ventilador suele ser aceptable cuando se ha verificado el tiempo de recuperación.

La puesta en servicio prueba el diseño: volúmenes de aire, integridad del filtro, presión ambiente, recuentos de partículas y tiempo de recuperación después de un evento de contaminación simulado, con una nueva verificación a intervalos establecidos por las BPF aplicables o un sistema de calidad interno. Si los tipos de paneles y métodos de construcción aún están abiertos, nuestro guía de selección del sistema de sala limpia cubre las compensaciones que se encuentran antes del diseño de HVAC.

Preguntas frecuentes

¿Cuántos cambios de aire por hora necesita una sala blanca ISO 7?

La mayoría de las salas ISO 7 están diseñadas entre 25 y 60 ACH, y lo común es entre 30 y 40 ACH. El número debe provenir de la generación de partículas, la carga de calor interna y el tiempo de recuperación requerido, no de un valor copiado entre proyectos.

¿Puede una unidad de tratamiento de aire servir para varias clases de limpieza?

Sí, si cada rama tiene un dispositivo de control independiente de la presión y la cascada aún se mantiene cuando cada terminal se ajusta. Un solo conducto con compuertas manuales no funciona porque la carga del filtro cambia el equilibrio en unos meses.

¿Cuál es la diferencia mínima de presión entre una sala blanca y su pasillo?

Diseño para 10 a 15 Pa. Cinco pascales es el mínimo práctico y no deja margen para la apertura de una puerta o una fuga. Las salas peligrosas tienen la misma magnitud en la dirección negativa.

¿Cómo se realizan las pruebas de fugas?

Se libera un aerosol, PAO o DOP, aguas arriba del filtro instalado, y la cara y el marco aguas abajo se escanean con un fotómetro siguiendo la norma ISO 14644-3. La dirección del flujo de aire se verifica por separado con humo en las puertas y aberturas de transferencia.

Un buen diseño de un sistema HVAC para salas blancas es principalmente una disciplina de secuenciación: clase, cascada y carga primero; luego volumen, filtración y distribución del aire; luego un sobre lo suficientemente apretado para que todo sea repetible. Los proyectos salen mal cuando ese orden se invierte y el sistema mecánico se convierte en un parche en un diseño arquitectónico fijo.

Si se encuentra en una etapa en la que los paneles y la estrategia de manejo del aire aún deben llegar a un acuerdo entre sí, envíe el cronograma de la habitación y los dibujos a nuestro equipo de ingeniería y trabajaremos con usted en la cascada, la cobertura del filtro y los detalles del sobre.