Monitoraggio energetico per impianti tecnici di camere bianche

Figura 1: Messa in funzione del modulo centrale di acquisizione dati nel centrale di ventilazione

Figura 2: Processo DMAIC come parte di un processo di miglioramento Six Sigma

Figura 3: Principio del sistema di monitoraggio energetico utilizzato

Figura 4: Schema del principio di tecnologia dell'aria dell'impianto (WRG = recupero del calore; MK = camera di miscelazione; KÜ = raffreddatore; BEF = umidificatore a vapore; NE = riscaldatore secondario; PWT = scambiatore di calore a piastre)

Figura 5: Regolazione WRG difettosa dell'impianto: riscaldamento e raffreddamento simultanei

Tabella 1:
Panoramica delle varianti di impianti RLT analizzate

Figura 6: Consumo energetico stimato o fabbisogno energetico delle varianti di impianto esaminate, periodo giugno - dicembre 2012.

Dipl.-Ing. (FH) Polina Bitsch (Ingegnere di progetto STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Michael Kuhn (Responsabile STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Hoferer (Ingegnere di progetto STZ Euro)

Attraverso un monitoraggio energetico speciale è possibile rilevare dati di misurazione e consumo temporaneamente ravvicinati di impianti di trattamento dell'aria (RLT). Le potenzialità di ottimizzazione così individuate, in particolare nel settore della regolazione, possono portare a notevoli risparmi energetici e di costi, senza violare i requisiti GMP. Il successo delle misure implementate può essere dimostrato in modo quantitativo e corretto rispetto alle condizioni atmosferiche.

Situazione di partenza

Un operatore di camere bianche (produzione sterile) ha pianificato un’ottimizzazione della regolazione delle alette di miscelazione dell’aria come misura di risparmio energetico sugli impianti RLT esistenti. In particolare, si prevedeva di aggiornare tutte e otto le RLT, attualmente funzionanti con una percentuale minima di aria esterna, con una regolazione delle alette di miscelazione basata sull’entalpia, per sfruttare così il cosiddetto "raffreddamento gratuito". Prima di tutto, si doveva analizzare l’efficienza delle misure pianificate su un impianto rappresentativo. A tal fine, su un impianto RLT selezionato, è stata attivata la regolazione delle alette di miscelazione basata sull’entalpia e, con l’ausilio di un sistema di monitoraggio energetico speciale (vedi figura 3), sono stati registrati e analizzati i dati di misurazione e i flussi energetici. Per valutare lo stato attuale, è stato creato un modello di simulazione dell’impianto RLT con una percentuale minima di aria esterna. I risultati dell’analisi (risparmio energetico) sono stati usati come base decisionale per l’attuazione delle misure.

Monitoraggio energetico per la rilevazione dello stato attuale

Il monitoraggio energetico fa parte di un processo DMAIC (metodo Six Sigma) e comprende le fasi rappresentate in figura 2, Measure (M) e Control (C). Per monitoraggio energetico degli impianti RLT si intende una procedura di rilevamento del consumo energetico per le variazioni orarie dello stato termico dell’aria nel trattamento dell’aria, basata sull’analisi e l’elaborazione dei dati meteorologici registrati durante un periodo di tempo scelto e dei dati rilevati dall’impianto, come temperatura, umidità, portata volumetrica dell’aria, ecc. [1], [3]. I consumi energetici determinati tramite monitoraggio energetico includono i flussi energetici per il trattamento dell’aria al fine di ottenere le condizioni desiderate nell’ambiente e, se necessario, le perdite di energia nella conversione di energia durante la produzione di freddo, calore e vapore.

Inoltre, rispetto a questa metodologia di rilevamento, a differenza dell’uso di contatori di quantità di energia, è possibile individuare errori di regolazione, poiché tutti i dati di misurazione rilevanti sono disponibili per un’analisi appropriata.

I dati di misurazione necessari possono essere rilevati e trasmessi in vari modi. La precisione dei consumi energetici determinati dipende esclusivamente dalla posizione e dalla precisione dei sensori utilizzati. Perciò, è utile definire prima dell’inizio della rilevazione tutti i sensori necessari, inclusi i punti di misurazione, o verificare l’idoneità della sensoristica esistente. Inoltre, è importante progettare un metodo sicuro e possibilmente automatizzato per la trasmissione dei dati.

Nel caso dell’impianto esistente analizzato, i dati sono stati rilevati, tra l’altro, dai sensori già installati e registrati come valori medi di 10 minuti tramite il software di automazione degli edifici esistente. Sono stati installati e rilevati anche altri sensori. I dati di misurazione memorizzati sono stati importati in un software speciale di elaborazione dei dati di misurazione e utilizzati per il calcolo del consumo energetico e l’analisi delle criticità. Il principio del sistema di monitoraggio energetico utilizzato si evince dalla figura 3.

L’impianto RLT analizzato fornisce aria di mandata ai locali di produzione con una portata di 32.000 m³/h ed è in funzione 24 ore su 24, come mostrato nello schema in figura 4. L’impianto comprende i seguenti stadi di trattamento termico dell’aria:

- Recupero di calore KVS con scambiatore di calore a piastre,
- Miscelazione dell’aria di ricircolo (camera di miscelazione),
- Raffreddamento con deumidificazione (acqua fredda di raffreddamento),
- Umidificazione a vapore
- Riscaldamento successivo

e viene gestito con portata costante di aria in immissione e in espulsione, e con condizioni di aria di mandata costanti.

I dati di misurazione dell’impianto sono stati raccolti da giugno a dicembre 2012, consentendo di analizzare il funzionamento dell’impianto durante le giornate estive, invernali e di transizione. Come effetto secondario, è stato riscontrato che l’impianto presenta alcuni errori di regolazione. La regolazione delle alette di miscelazione basata sull’entalpia, appena attivata, ha funzionato correttamente, ma non è stata coordinata con la regolazione del recuperatore di calore (WRG) nel condotto di aria esterna, fornito da un altro produttore. Di conseguenza, il recuperatore di calore, incluso lo scambiatore di calore a piastre, ha spesso preriscaldato l’aria più del necessario, portando a un aumento del consumo di energia di raffreddamento attraverso il registro di raffreddamento successivo (vedi diagramma in figura 5).

Per valutare l’aumento di consumo dovuto agli errori di regolazione, è stata simulata una condizione ideale di funzionamento (variante A, vedi tabella 1).

Simulazione dell’impianto come base per la valutazione

Come metodo efficace di calcolo del fabbisogno energetico annuale si è rivelata la simulazione dell’impianto tramite programmi di simulazione adeguati. La simulazione dell’impianto consiste nel calcolo del consumo energetico per le variazioni orarie dello stato termico dell’aria nel trattamento dell’aria. Per questo, si utilizzano le configurazioni e le prestazioni reali degli elementi di trattamento dell’aria, le funzioni di regolazione e sequenza implementate e i dati meteorologici rilevati sul sito.

Per confrontare i diversi tipi di regolazione delle alette di miscelazione, è stato creato un ulteriore modello di simulazione dell’impianto con una percentuale costante di aria esterna (variante B). Un’altra variante dell’impianto dovrebbe mostrare le potenzialità di risparmio attraverso l’ottimizzazione dei valori di umidità desiderati (estensione della banda di valori desiderati di ± 5 % r.F., variante C).

Poiché la modifica del funzionamento delle alette non ha un impatto significativo sui consumi elettrici dei ventilatori, nel confronto tra varianti si è evitato di calcolare il consumo di energia elettrica dell’impianto. Sono state semplificate le assunzioni, senza considerare i fattori di conversione energetica, ovvero si considera solo l’energia utile fornita al generatore centrale.

Risultati

Da figura 6 si evince che il fabbisogno energetico totale nel periodo di rilevamento varia da 363 MWh (variante C) a 570 MWh (stato attuale). Lo stato attuale presenta il consumo energetico più elevato a causa di errori di regolazione e di alcune posizioni di misurazione non ottimali di sensori di regolazione. Considerando lo stato attuale come 100%, il consumo energetico totale (termico) dopo la correzione degli errori risulterebbe pari all’89%. La variante A, grazie alla regolazione con aria di mandata a variazione variabile, ha un consumo di energia di raffreddamento molto inferiore rispetto alla variante B (-17%). Tuttavia, il consumo di energia per l’umidificazione aumenta (+7%). Di conseguenza, il risparmio energetico totale tramite la regolazione delle alette di miscelazione basata sull’entalpia è di 49 MWh, pari al 9%.

Confrontando lo stato ideale (variante A) con la variante C, si ottiene un’ulteriore riduzione del consumo di energia del 29% grazie all’ottimizzazione dei valori di umidità desiderati. La variante C si dimostra la modalità di funzionamento più efficiente dal punto di vista energetico, realizzabile senza interventi costosi e senza violare i requisiti GMP stabiliti.

Sintesi

In base all’analisi descritta, si prevede di attivare la regolazione basata sull’entalpia delle alette di miscelazione su tutte e 8 le unità e di correggere gli errori rilevati nel monitoraggio energetico. Inoltre, si intende ottimizzare i valori di umidità come descritto (cfr. [2]). Rispetto al funzionamento con una percentuale minima costante di aria esterna, si stima un risparmio energetico di circa il 36%, che corrisponderebbe a un risparmio di circa 28.000 euro all’anno per l’impianto di riferimento, e circa 174.000 euro all’anno considerando tutte e 8 le unità. Il monitoraggio energetico sarà prolungato di un anno per verificare le stime di risparmio.

Il monitoraggio energetico svolto nel progetto descritto, in combinazione con la simulazione dell’impianto, ha mostrato che l’efficienza energetica degli impianti RLT è fortemente influenzata dal concetto di regolazione adottato. Grazie al monitoraggio energetico, non solo è possibile determinare i consumi di energia di un impianto RLT, ma anche individuare vari errori di regolazione, come il riscaldamento e il raffreddamento simultanei. La correzione di tali errori può contribuire in modo sostanziale al risparmio energetico di un impianto RLT, senza richiedere interventi di investimento.

Bibliografia
[1] VDI 2083 Foglio 4.2: Tecnologia delle camere bianche - Efficienza energetica, aprile 2011.
[2] Bitsch, P. e Kuhn, M.: Disidratante energeticamente efficiente nelle unità di condizionamento delle camere bianche. In: Tecnologia delle camere bianche 2010 (2), pp. 16-20.
[3] Kuhn, M.: Nuovo metodo per l’ottimizzazione operativa di unità di condizionamento delle camere bianche. In: Rapporti VDI; 2083, Francoforte 2009, pp. 195-203.