La deumidificazione delle sale operatorie

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1 Luca Ferrari La deumidificazione delle sale operatorie IL CONTROLLO DELL UMIDITÀ NELLE SALE OPERATORIE PUÒ RISULTARE PROBLEMATICO IN QUANTO A VOLTE L EQUIPE MEDICA PREDILIGE CONDIZIONI CLIMATICHE AMBIENTALI NON CONVENZIONALI. DIVENTA COSÌ NECESSARIO CONSENTIRE ALL IMPIANTO HVAC DI POTER CONTINUARE AD OPERARE CON SUCCESSO, IN EFFICIENZA ENERGETICA ED ECONOMICA, ANCHE PER QUESTE INUSUALI CONDIZIONI DI LAVORO. L e condizioni termoigrometriche richieste all interno delle camere operatorie variano in funzione del tipo di attività chirurgica (ad esempio, in ortopedia sono necessari valori bassi di temperatura per facilitare le operazioni di cementificazione), ma anche e soprattutto dalle esigenze dei chirurghi che sovente richiedono temperature ambiente ben al di sotto delle prescrizioni, nell ordine dei C, dove al contrario gli anestesisti e gli altri membri del personale preferiscono di norma temperature moderatamente più elevate (tabella 1). Questo porta la conseguenza che molto spesso in camera operatoria la temperatura ambiente sia impostata su valori minori di quella di progetto, ma nel contempo rimane invece costante la richiesta di mantenere un valore di umidità relativa nell intorno del 50% In genere, le camere operatorie vengono controllate ad una temperatura da C con un set point di deumidificazione di 50-60% umidità relativa (RH) (tabella 2). Va da se che rispettare un controllo preciso dell umidità relativa riveste un importanza preminente, non solo per le condizioni operative di comfort, ma anche in virtù di un attento controllo delle infezioni e per evitare l essiccazione del rivestimento dei tessuti mucosi dei pazienti. Poter assicurare inoltre con continuità adeguate condizioni termoigrometriche nelle sale operatorie risulta importante per le attività 74

2 TAB.1 CONDIZIONI TERMOIGROMETRICHE E PARAMETRI PROGETTUALI PER REPARTI OPERATORI. Temperatura ( C) U.R. (%) Classi di pulizia Ambienti Aria esterna (vol/h) secondo UNI EN ISO Inverno Estate Inverno Estate Sale Operatorie a elevatissima qualità dell aria ISO5 Sale operatorie a elevata qualità dell aria 15 ISO7 Sale operatorie a qualità dell aria standard 15 ISO8 Fonte: UNI EN ISO TAB. 2 CONDIZIONI TERMOIGROMETRICHE ESTRATTE DALL ASHE/ASHRAE STANDARD Reparto Ricambi orari minimi totali (Vol/h) Umidità relativa (%) Temperatura di progetto ( C) Sala operatoria (Classe B e C) ,8 Sale operatorie/chirurgiche e citoscopia ,8 Sale per parto ,8 Sale per intervento laser agli occhi ,8 Sale operatorie classe A ,8 Sale post operatorie ,8 Fonte: Ashe/Ashrae standard (Ventilation of Health Care Facilities) delle delicate apparecchiature chirurgiche, che spesso per funzionalità richiedono un escursione molto ristretta dei valori di umidità relativa. Succede invece, in particolar modo di prima mattina, che vengano inoltrate delle lamentele in quanto la camera operatoria presenta una temperatura troppo elevata e soprattutto che si segnalino fenomeni di condensa dai diffusori di distribuzione dell aria o su altre parti della stanza, in special modo nel controsoffitto. Questo capita perché le normali macchine HVAC non sono in grado di soddisfare i nuovi requisiti di deumidificazione imposti dall equipe medica, e il valore di umidità relativa viene lasciato schizzare verso livelli di molto superiori a quella previsti. Diviene così necessario ricorrere a nuove e avanzate tecnologie in grado di garantire oltre a migliori prestazioni, una dote di flessibilità e di efficienza per assicurare i giusti requisiti di ventilazione, di umidità e temperatura in camera operatoria. C è un problema di umidità I vantaggi del processo di deumidificazione dell aria immessa in sala operatoria - quali la rimozione dell umidità in eccesso, una migliore qualità dell aria interna, uniti ad un adeguato comfort dei pazienti, medici, personale paramedico - non hanno bisogno di ulteriori commenti. A questi si deve comunque aggiungere il mantenimento degli standard di sicurezza previsti e la garantita funzionalità delle apparecchiature presenti. Un moderno ospedale è costituito da molteplici aree e zone dove vengono svolte attività diverse tra loro e nelle quali sono ovviamente richieste condizioni termoigrometriche in genere molto differenti. Succede così che sia necessario in determinati ambienti la fornitura di aria con umidità relativa particolarmente bassa, processo questo che richiede una temperatura minore della batteria raffreddante o l aggiunta di nuove unità frigorifere. Questa specifica richiesta comporta nuove e maggiori spese di esercizio, e oltretutto tende a diminuire l efficienza dell intero sistema HVAC. Capita infatti, che il chirurgo imposti il termostato della sala operatoria ben al di sotto della temperatura di progetto - per esempio a 16 C, quando invece il set-point era stato previsto a 20 C - convinto che l impianto riesca a mantenere comunque il valore dell umidità relativa in ambiente sui valori del 50%. E cosi vero che in questi casi il sistema di norma, è in grado di raffreddare la temperatura della camera operatoria a 16 C, ma per mantenere anche il 50% di umidità relativa, l aria deve essere ulteriormente deumidificata. Difatti in questo caso, l aria immessa per mantenere l umidità relativa in ambiente intorno al valore del 50%, 75

3 Fig. 1 - Rappresentazione psicrometrica del processo di raffreddamento e deumidificazione dell aria immessa in camera operatoria. In assenza di ulteriori step, le condizioni ambiente RA raggiungono una umidità relativa del 70%, maggiore di quella di progetto (RA, 60%). 76 deve ora essere deumidificata ad una minore temperatura di rugiada, pari a circa 6 C, invece di quella prevista di progetto di 9 C. Va considerato inoltre che un ulteriore disponibilità della potenzialità raffreddante può risultare in questi casi non sufficiente allo scopo, in quanto il problema consiste proprio nella capacità di raggiungere il punto di rugiada. Se infatti la sala operatoria necessita di un punto di rugiada dell aria a 6 C e il sistema produce acqua refrigerata a 6 C, è facile comprendere che l aria non può essere deumidificata con l impianto HVAC disponibile. Alcune considerazioni sul dimensionamento Ipotizzando di voler climatizzare una camera operatoria con un sistema a tutt aria, è possibile utilizzare una stima approssimata di una portata d aria di 54 L/s per ogni kw di carico termico da neutralizzare (solo carico sensibile). In questo modo si riuscirà ad ottenere il solo controllo della temperatura ambiente, mentre risulta molto più difficile soddisfare le esigenze igrometriche della camera operatoria. Se si prevede in una camera operatoria dalle misure standard - superficie in pianta di 42 m² e un altezza del soffitto di 3 m - con un ricambio di aria previsto in 15 volumi/ora, è possibile stimare una portata d aria immessa di 525 L/s. Quanto ai carichi termici presenti, dando per scontato che ci si trova davanti ad un ambiente senza nessuna esposizione esterna, con i valori usuali di stima dei carichi di illuminazione, delle apparecchiature e dell indice di occupazione, il carico di raffreddamento sensibile stimato per questa camera operatoria risulta di 2,4 kw, mentre è di 0,47 kw la stima del carico latente da neutralizzare. Il rapporto comprendente questi due carichi individuano il fattore termico R (rapporto tra calore sensibile e calore totale), che aiuta a determinare le caratteristiche dell aria che si deve immettere in ambiente per mantenere le condizioni di temperatura e umidità desiderate. Il fattore termico per l ambiente descritto è pari a 0,84, e porta a considerare dunque che l 84% del raffreddamento deve essere fornito per smaltire il calore sensibile prodotto in ambiente. Determinando le condizioni di progetto, che prevedano una temperatura ambiente dell aria (RA) di 17 C e un umidità relativa del 60%, equivalente a 7,2 g/kg, o 9 C del punto di rugiada Quando viene tracciata sul diagramma psicrometrico (figura 1), la linea R 0,84, questa si estende dalla condizione ambiente desiderate (RA) fino al punto di intersezione con la curva di saturazione. Per compensare dunque i carichi sensibili e latente di raffreddamento e mantenere la condizione ambiente previste, le condizioni dell aria immessa (SA) devono posizionarsi in punto sulla linea tracciata (retta ambiente). Se si ipotizza in primo luogo, un approccio progettuale sulla sola temperatura ambiente - considerando dunque solo il carico sensibile - questo risulta deficitario nella capacità del sistema HVAC di soddisfare i requisiti di umidità della sala operatoria. Il bilancio energetico del calore sensibile indica che per compensare il carico sensibile dell ambiente di 2,4 kw, mantenendo una temperatura ambiente di 17 C, e una portata d aria di progetto di 525 L/s, l aria deve

4 essere immessa alla temperatura di 13 C (bulbo asciutto). In virtù del fatto che il numero di ricambi/ora previsto risulta elevato (15 volumi/ora rispetto ai valori standard di 6 volumi/ora normalmente previsti), il salto termico dell aria t risulta così decisamente inferiore rispetto alle progettazioni più convenzionali. In questo esempio, l aria viene dunque inviata con una temperatura di soli 4 C inferiore di quella ambiente, e non di 11 C come consueto. Tuttavia, se l aria viene raffreddata a 13 C, l umidità relativa risultante nell ambiente raggiungerà percentuali nell intorno del il 70%, valori questi decisamente superiori al limite raccomandato del 60%. Pertanto, la progettazione di un sistema HVAC per una sala operatoria non può limitarsi a considerare solo i carichi sensibili, ma deve tenere in precisa considerazione anche i valori latenti del carico e considerare dunque un controllo dell umidità. Nel caso poi che si voglia utilizzare la medesima batteria di raffreddamento, l aria deve essere raffreddata ad una temperatura di bulbo secco più fredda rispetto a quella progettuale, onde poter deumidificare adeguatamente la sala operatoria. Anche qui il bilancio energetico sul carico latente determina che per compensare i 0,47 kw in precedenza stimati, l aria deve essere immessa con un valore di umidità assoluta di 6,9 g/kg, valore questo che equivale ad punto di rugiada di circa 8 C. Dunque per raggiungere - e mantenere - il livello di umidità relativa di progetto in ambiente, la portata dell aria immessa di 525 L/s deve essere deumidificata fino al punto di rugiada di 8 C, valore questo che corrisponde alla temperatura a bulbo secco di circa 9 C. Si è così nella condizione che immettendo una quantità di aria di 15 ricambi/ora alla temperatura di 9 C a bulbo secco, decisamente minore rispetto alle esigenze dettate dal carico sensibile, si incorre quasi certamente nel rischio di raffreddare eccessivamente l ambiente, in quanto questo viceversa avrebbe bisogno di un invio di aria alla temperatura di 13 C. Ecco dunque che si pone il problema di avere in ambiente o una temperatura troppo bassa dell aria o un valore di umidità troppo elevato. La soluzione più immediata per uscire da questo corto circuito consiste nell aggiungere una batteria di post-riscaldamento a valle della batteria fredda di raffreddamento. La batteria di post-riscaldamento aumenta la temperatura a bulbo secco dell aria deumidificata a 13 C prima che questa venga immessa nella camera operatoria. Un altra soluzione Una diversa possibile soluzione alla gestione dell umidità in sala operatoria che permette una diminuzione del punto di rugiada dell aria, offrendo altresì una maggiore efficienza e un consistente riduzione dei consumi energetici rispetto con l aggiunta di refrigeratori, viene dall utilizzo in serie di un rotore essiccante di Tipo III con una batteria di raffreddamento. Il rotore essicante sfrutta il principio della deumidificazione chimica per adsorbimento, realizzata a mezzo di sostanze dette essiccanti (o adsorbenti), le quali hanno la proprietà di trattenere, all interno di microporosità, il vapor d acqua presente nell aria. Questa soluzione consente di non aggiungere ulteriore potenzialità alla batteria raffreddante, e dunque migliora l efficienza dell intero sistema in virtù del fatto che la temperatura della batteria fredda viene mantenuta elevata, e inoltre, abbassando la temperatura di rugiada dell aria trattata al valore richiesto, riduce al minimo (o annulla) la necessità di post-riscaldare l aria da immettere per raggiungere il controllo corretto dell umidità. Il rotore essiccativo attivo sottrae il vapore acqueo dal flusso d aria quando questo esce dalla batteria di raffreddamento e ruotando lentamente lo trasferisce, rigenerandosi, o alla sola aria di ripresa o alla miscelazione di questa con l aria esterna, senza che sia necessario ricorrere all utilizzo Fig. 2 - Curve isoterme dei vari tipi di essicante. Il Tipo III presenta ottime capacità di adsorbimento del vapor d acqua solo per alti livelli di umidità relativa. 77

5 di un ulteriore flusso d aria calda di rigenerazione. Di conseguenza le sale operatorie possono operare con temperature di 16 C e con il 50% di umidità relativa, anche durante i caldi mesi estivi, senza incorrere in alcun aumento significativo dei costi energetici, mantenendo i propri consumi allo stesso livello di quelli necessari per condizionare la camera operatoria a 20 C e al 50% di umidità relativa, in quanto si evitano ulteriori richieste di raffreddamento e poi di postriscaldamento dell aria immessa. Il rotore essicante Visto come un interessante alternativa ai tradizionali sistemi HVAC, il rotore essicante è parte integrante dell unità di trattamento aria. L asportazione dell umidità dall aria si basa in questo caso sul principio di funzionamento sulla deumidificazione chimica per adsorbimento ottenuta da un rotore essicante posto in serie con una batteria di raffreddamento. La rigenerazione del rotore essicante avviene nella parte di ripresa (o miscelazione) dell aria ambiente, dunque a monte della batteria di raffreddamento, mentre il processo vero e proprio di deumidificazione si ottiene invece a valle della batteria stessa. Dunque la ruota essiccante assorbe il vapore acqueo dall aria a valle della batteria di raffreddamento, e permette cosi di immettere in ambiente aria più asciutta (con un punto di rugiada inferiore), senza per questo dover abbassare ulteriormente la temperatura della batteria fredda. Il rotore essicante in questa configurazione utilizza un essiccante di Tipo III selezionato specificatamente per questo tipo di applicazioni. Come si evince dal grafico (figura 2) la capacità del rotore essiccante di assorbire il vapore acqueo è decisamente più significativa quando l umidità relativa dell aria è elevata, viceversa diminuisce rapidamente quando l umidità relativa dell aria diventa minore, in quanto viene meno la capacità di trattenere l umidità da parte delle sostanze adsorbenti. Di norma comunque in questi casi, l aria lascia la batteria di raffreddamento con valori di umidità relativa superiori al 90%. E quindi possibile per il rotore essiccante posto in serie assorbire una quantità elevata di vapore acqueo dall aria. Quando il rotore transita a monte della batteria di raffreddamento viene esposto all aria di ripresa (o di miscela) che possiede un tenore di umidità relativa inferiore, in genere tra il 40% e il 60% (figura 3). In queste condizioni, le sostanze essiccanti presenti nel rotore cedono il vapore acqueo precedentemente assorbito, e così l umidità viene trasferita al flusso entrante dell aria di ripresa. Questo passaggio consente altresì alla batteria fredda di avere una seconda ulteriore possibilità per rimuovere l umidità, attraverso la condensazione dell ulteriore vapore acqueo assimilato dall aria di ripresa. Come detto, questo tipo di rotore essicante non necessita di nessuna rigenerazione da parte di sorgenti esterne di aria calda. Il processo di adsorbimento infatti non viene ispirato da un flusso supplementare di aria calda di rigenerazione, ma dalla capacità dell essiccante di Tipo III di rigenerare a basse temperature, senza l impiego di calore supplementare. Il rotore gira lentamente e massimizza il trasferimento di vapore acqueo, limitando il trasferimento di calore sensibile. L aumento della temperatura a bulbo secco dell aria trattata è associato solo con la quantità di calore prodotto dal processo di adsorbimento. La figura 4 mostra le prestazioni psicrometriche di questa soluzione con l utilizzo di aria miscelata e preriscaldata a servizio di una camera operatoria. La figura 5 illustra invece i componenti dell unità di trattamento dell aria. L aria esce dalla batteria di raffreddamento (CA) con un alto valore di umidità relativa. La ruota essiccante posta in serie assorbe il vapore acqueo dell aria, 78 Fig. 3 - Il rotore essicante posto in serie dopo la batteria di raffreddamento viene rigenerato dalla miscela d aria ottenuta tra il ritorno e l aria esterna. Il preriscaldamento consente, tra l altro, di asportare una quantità maggiore di vapor acqueo dal rotore essicante.

6 Fig. 4 - Rappresentazione psicrometrica del processo di raffreddamento e deumidificazione dell aria inviata in una camera operatoria con l utilizzo di un rotore essicante in serie. fino al punto di rugiada di 6 C, in modo che venga inviata in ambiente in condizioni asciutte (SA). Come conseguenza del fenomeno di adsorbimento, il calore sensibile prodotto dal processo aumenta la temperatura a bulbo secco dell aria di mandata fino a 13 C. Contemporaneamente nella sezione di ripresa dell aria, l aria miscelata (MA) a basso tenore di umidità relativa (50% circa) consente di rigenerare il rotore, attraverso il rilascio, del vapore acqueo adsorbito in precedenza, al flusso d aria miscelato (MA ). A completamento del processo il flusso d aria miscelato (MA ) cede in parte il vapore d acqua nella condensazione sulla batteria fredda. Le condizione ambiente ottenute (RA) in questo esempio sono di una temperatura di 17 C bulbo secco e di un umidità relativa al 55%. Notare che con il rotore essicante posto in serie dopo la batteria di raffreddamento, si ottiene un minore scambio del calore sensibile, ma aumento un ben maggiore dello scambio di calore latente. La capacità latente (deumidificazione) della batteria di raffreddamento aumenta mentre la capacità totale di raffreddamento (variazione di entalpia attraverso la batteria) rimane costante. I numerosi vantaggi La tecnologia descritta offre numerosi vantaggi, tra cui una la migliore efficienza di raffreddamento, perché la temperatura dell acqua refrigerata o della batteria dell evaporatore può essere mantenuta da 5 a 8 gradi più alta rispetto ai processi standard di deumidificazione. La possibilità di utilizzare una temperatura dell acqua più calda permette così alla gestione ospedaliera di realizzare consistenti risparmi energetici ed economici. Inoltre, viene richiesta una minore potenzialità di raffreddamento per mantenere i valori di progetto dell umidità relativa nelle sale operatorie, poiché non risulta più necessario raffreddare l aria da immettere alla temperatura al punto di rugiada richiesto. L unità di trattamento dell aria provvista di un rotore essicante di Tipo III consente di risparmiare su eventuali ed ulteriori investimenti in refrigeratori, riducendo (o annullando) nel contempo anche la quantità di post-riscaldamento necessaria sull aria da immettere. Oltre al risparmio energetico ed un aumento dell efficienza, la maggiore flessibilità in termini di prestazioni fornite da questa tecnologia, consente alla struttura ospedaliera di soddisfare una ampia gamma di condizioni termoigrometriche, e lascia abbastanza liberi i chirurghi di poter scegliere le condizioni ambientali preferite in camera operatoria. Un altro vantaggio, non secondario, deriva inoltre dal fatto che la camera operatoria può essere preparata più velocemente, in quanto con questa sistema l ambiente può essere raffreddato in modo decisamente più rapido. Infine, il rotore essicante, evita che l aria immessa nella camera operatoria sia nelle condizione di saturazione, evitando cosi il rischio di bagnare le delicate sezioni filtranti e scongiurare gli eventuali fenomeni di condensa dell aria sui diffusori, situazioni queste che rendono out of order la camera operatoria. Una scelta convincente Nel nostro paese purtroppo questa tecnologia trova pochissime applicazioni e altrettanto rare sono le macchine (UTA), dotate di rotori essicanti di Tipo III, disponibili sul mercato interno. Viceversa dall altra parte dell oceano questo sistema di deumidificazione con rotore essiccante in serie, incontra via via maggiori fortune in virtù del fatto che consente di raggiungere una temperatura e una regolazione precisa dell umidità necessaria nelle camere operatorie e in generale in tutte le camere bianche ad umidità controllata, garantendo una rimozione oraria di umidità dall aria di molto superiore ai sistemi tradizionali. In una classica camera operatoria chirurgica, il sistema con rotore essicante di deumidificazione permette di mantenere un controllo preciso di 79

7 Fig. 5 - Schema del processo di deumidificazione dell aria movimentata da un unità di trattamento provvista di rotore essicante posto in serie con una batteria raffreddante. L aria che proviene dalla batteria fredda viene deumidificata fino a 5 C del punto di rugiada, permettendo così di mantenere una temperatura ambiente in camera operatoria di 17 C con un valore di umidità relativa nell interno del 50%. 80 temperatura e umidità, anche quando le condizioni esterne presentano valori elevati di umidità assoluta (ad esempio, mesi estivi e nelle aree dove l umidità relativa scende raramente sotto il 50%) e soddisfa le critiche condizioni termoigrometriche e di ricambi di aria esterna. Come detto il sistema consente di non sovradimensionare la batteria di raffreddamento e di evitare significativamente il post-riscaldamento dell aria trattata rispetto ad un sistema con unità di trattamento dell aria convenzionale. Questo consente un minore investimento iniziale (minore potenzialità frigorigena), ma soprattutto un abbassamento significativo dei costi operativi e del life cycle cost. Considerazioni progettuali Le specifiche per realizzare idonei sistemi di deumidificazione dovrebbero indicare separatamente le modalità di funzionamento delle apparecchiature e soprattutto la loro possibilità di controllo. Per interventi sull esistente, l implementazione di questo nuovo sistema richiede la sostituzione dell unità di trattamento dell aria, ma si dovrebbe poter mantenere la possibilità di utilizzare la medesima stazione frigorifera, ottenendo comunque valori minori di umidità dell aria trattata. Per una scelta opportuna, è consigliabile scegliere l unità di trattamento dell aria con un involucro a tenuta (bassi trafilamenti), dotata di una pannellatura ben isolata al fine di evitare eventuali fenomeni di condensa sull involucro esterno. Un ulteriore attenzione va invece posta al controllo della reale portata d aria elaborata dall unità ventilante, situazione questa che aiuta a monitorare le reali condizioni termoigrometriche dell aria di mandata (con portate diverse da quelle di progetto, cambiano i punti di lavori psicrometrici). Bisogna comunque sempre ricordare che queste tecnologie vanno ad influenzarae le prestazioni e la precisione dei sistemi HVAC negli ambienti ad alta criticità come le camere operatorie. Esistono sul mercato (estero) unità di trattamento dell aria che comprendono numerose opzioni pre-costruite e testate per le esigenze di deumidificazione richieste, condizioni queste che facilitano l approccio progettuale all installazione. Scontato invece scegliere macchine HVAC in grado di interfacciarsi con l esistente sistema di building automation. Conclusione Una insufficiente deumidificazione dell aria immessa in sala operatoria può influenzare negativamente le prestazioni dei medici e del personale paramedico, oltre ad essere un problema per la salute e la sicurezza dei pazienti e il regolare funzionamento delle apparecchiature chirurgiche. La sfida che si presenta al progettista è quella di saper controllare l umidità e la temperatura in sala operatoria anche per richieste di valori termoigrometrici non convenzionali, evitando nel contempo di far salire i costi energetici. L utilizzo di nuove tecnologie ad adsorbimento chimico dell umidità consentono un miglior controllo e un aumento dell efficienza energetica del sistema, in quanto permettono, abbassando il punto di rugiada dell aria, di aumentare la capacità di deumidificazione delle batterie di raffreddamento presenti. Oggi è dunque possibile soddisfare l ampia varietà di richieste climatiche in camera operatoria mantenendo invariate le condizioni di comfort, di lavoro per l equipe medica e di sicurezza per i pazienti. ^ Bibliografia RIPRODUZIONE RISERVATA Hospital Operating-Room Dehumidification - Ronnie Moffitt, HPAC Engineering -Dicembre 2015, USA