Sistema de Ventilación de Laboratorio Médico

La ubicación de la sala de máquinas de aire acondicionado de la sala blanca afecta directamente al coste del proyecto, al ruido y al rendimiento del sistema de aire acondicionado, por lo que la disposición de esta sala debe considerarse de forma integral durante la fase de diseño de la distribución en planta. Lo ideal es que la sala de máquinas de aire acondicionado de la sala blanca esté situada cerca de las salas blancas que requieren grandes volúmenes de aire de impulsión, manteniendo los recorridos de los conductos lo más cortos posible. Sin embargo, para la prevención de ruidos y vibraciones, la sala de máquinas debe estar separada de la sala blanca. Deben tenerse en cuenta ambos aspectos. Existen varias formas de separación:

1. Separación estructural

• 1.1 Separación mediante junta de asentamiento: la junta de asentamiento se interpone entre la sala blanca y la sala de máquinas, actuando como elemento divisorio.
• 1.2 Separación mediante muro de cámara: si la sala de máquinas es directamente adyacente a la sala blanca, en lugar de compartir un único muro divisorio, cada lado cuenta con su propio muro divisorio, con una cámara de una anchura determinada entre ambos.
• 1.3 Separación mediante una habitación auxiliar: se coloca una habitación auxiliar entre la sala blanca y la sala de máquinas para que funcione como zona de amortiguamiento.

2. Disposición distribuida

• 2.1 Distribuida en la azotea o por encima de los techos suspendidos.
• 2.2 Distribuida por debajo del nivel del suelo: la sala de máquinas se ubica en el sótano.

Es indiscutible que, debido a los grandes volúmenes de aire y a los equipos adicionales de filtración de aire, la sala de máquinas de un sistema de aire acondicionado para salas blancas es más grande que una sala de máquinas de aire acondicionado ordinaria; debe tenerse en cuenta el área limpia, calcularse el tamaño de las unidades y reservarse un espacio adecuado para la sala de máquinas.

Sección 2 Sistema de ventilación de laboratorios médicos

I. Conceptos básicos de ventilación

• 1. Conceptos de ventilación y campanas de extracción de gases: la ventilación consiste en extraer al exterior el aire interior contaminado, ya sea directamente o después de su purificación, e introducir aire fresco, manteniendo así unas condiciones de aire interior que cumplen las normas de higiene y los requisitos de los procesos de producción; la primera acción se denomina extracción de aire y la segunda, impulsión de aire. Una campana de extracción de gases puede entenderse de forma sencilla como una caja y un ventilador: los gases generados en la caja son extraídos por el ventilador y se descargan de forma segura a la atmósfera.
• 2. Clasificación de la ventilación: según la fuerza motriz, los sistemas de ventilación pueden dividirse en ventilación natural y ventilación mecánica; la ventilación mecánica puede dividirse a su vez en ventilación general (de dilución) y ventilación local. La ventilación general es un método para ventilar toda la habitación; la ventilación local limita el ámbito de ventilación a los lugares donde se concentran sustancias nocivas o donde el personal trabaja con frecuencia, como las campanas de extracción de gases, los brazos de extracción articulados y las campanas de absorción atómica.
• 3. Ventilación de laboratorio: la ventilación de laboratorio es la tecnología que permite controlar la influencia y los daños de las sustancias peligrosas de laboratorio sobre los entornos de aire interior y exterior.

II. Objetivo y requisitos de la ventilación

La ventilación de laboratorio se diferencia del diseño de ventilación de los sistemas de aire acondicionado de confort; su objetivo principal es proporcionar un entorno de trabajo seguro y cómodo y reducir la posibilidad de que el personal se exponga a entornos peligrosos. La ventilación aborda principalmente la salud y la protección laboral del personal de laboratorio en el entorno de trabajo.

III. Principio del aire fresco

Un sistema de aire fresco funciona según el siguiente principio: equipos especializados suministran aire fresco al interior de una habitación cerrada por un lado, mientras que otros equipos especializados expulsan el aire al exterior por el otro, creando un «campo de flujo de aire fresco» en el interior que satisface la necesidad de intercambio de aire fresco interior. Su implementación es la siguiente: un motor sin escobillas de alta velocidad CC de alta altura de presión, alto caudal y baja potencia acciona un ventilador centrífugo; el aire se introduce forzadamente en la habitación por un lado mediante energía mecánica, y un ventilador de extracción de aire fresco especialmente diseñado descarga el aire al exterior por el otro, forzando la formación de un campo de flujo de aire fresco en el sistema. Durante el suministro de aire, el aire entrante se filtra, esteriliza, desinfecta, se enriquece con oxígeno y se precalienta (en invierno). A medida que el aire de extracción pasa por la unidad principal, se recupera su calor y se intercambia con el aire fresco, y la mayor parte de la energía recuperada vuelve al interior junto con el aire nuevo. Aplicando el esquema de formación de espacios limpios de gran superficie, se garantiza que el aire que ingresa a la habitación sea limpio, logrando así la purificación del aire interior.

Los sistemas de aire fresco se dividen en: sistemas de aire fresco de flujo unidireccional, sistemas de aire fresco de flujo bidireccional y sistemas de aire fresco con intercambio de calor de flujo bidireccional.

1. Sistema de aire fresco de flujo unidireccional

Se implementa con un ventilador y una entrada de aire de tipo ventana: al arrancar el ventilador, el aire interior contaminado se expulsa al exterior, generando presión negativa en el interior; bajo la acción de la presión atmosférica exterior, el aire del exterior ingresa a la habitación a través de la entrada de tipo ventana, logrando el reemplazo de aire.

2. Sistema de aire fresco de flujo bidireccional

Se implementa con dos unidades principales: un ventilador expulsa forzadamente el aire interior contaminado al exterior, mientras que el otro introduce aire fresco en la habitación. La característica de un sistema de flujo bidireccional es la entrada y extracción forzada de aire, y se puede añadir un sistema de filtración de aire (opcional) aguas arriba de la unidad de suministro para garantizar que el aire suministrado al interior sea limpio, por lo que es adecuado para laboratorios.

3. Sistema de aire fresco con recuperación de calor de flujo bidireccional

Cuenta con una unidad principal de recuperación de calor: en las regiones del norte, donde la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior en invierno es grande y el aire suministrado al interior es frío, la unidad de recuperación de calor intercambia calor entre el aire expulsado al exterior y el aire fresco entrante para lograr ahorro energético.

[Figura: Plano de planta de distribución de aire fresco y extracción de aire acondicionado de laboratorio, que incluye el salón de bioquímica, la cámara fría, el área de almacenamiento de muestras, los baños, el área de oficinas, las salas de reuniones y capacitación, el salón de recepción y diversas zonas de amortiguamiento, el área de electroforesis, el área de secuenciación, el área de pruebas de bibliotecas, el área de amplificación, etc., con dimensiones de cuadrícula de ejes y recorrido de conductos marcados]

Fig. 6-25 Plano de planta de distribución de aire fresco y extracción de aire acondicionado

IV. Composición básica de un sistema de ventilación

• Equipos terminales de ventilación: incluyen principalmente campanas extractoras de humos, brazos de extracción articulados, campanas de absorción atómica, campanas de extracción de tipo push-pull, etc., como se muestra en las Figuras 6-26 y 6-27.

[Figura: Fotografía de un laboratorio con múltiples brazos de extracción articulados rojos montados sobre las mesas de trabajo de laboratorio]

Fig. 6-26 Brazo de extracción articulado

[Figura: Fotografía de un laboratorio con múltiples campanas de absorción atómica de acero inoxidable montadas sobre una mesa de análisis instrumental]

Fig. 6-27 Campana de absorción atómica

2. Sistema de redes de conductos de ventilación: incluye principalmente conductos, compuertas, silenciadores (amortiguadores de ruido), torres de tratamiento de gases residuales, etc.

3. Unidades de ventilación: principalmente ventiladores.

V. Parámetros de diseño del sistema de ventilación

1. Para los clientes que requieren un diseño de ventilación para laboratorios, el volumen de intercambio de aire de ventilación puede determinarse a partir de la tasa de renovación de aire de la habitación; la tasa de renovación de aire de los laboratorios es de 10 a 12 renovaciones por hora, y puede aumentarse en consecuencia en casos especiales. [Para la ventilación de habitaciones, generalmente se selecciona una campana de chapa metálica de 500 mm × 500 mm como dispositivo terminal; cada campana puede ventilar hasta 600 m³/h. Largo de la habitación × ancho × alto × 10 (renovaciones de aire) = volumen de ventilación horario de la habitación; al dividir el volumen de ventilación horario entre 600 se obtiene el número de campanas; las velocidades de los conductos ramales y principales se calculan a 6 m/s.]

2. La velocidad del conducto ramal para campanas de extracción de gases es de 6 a 10 m/s (generalmente se usan 10 m/s para el cálculo); en casos especiales puede superar los 10 m/s, pero no debe superar los 12 m/s; la velocidad del conducto principal es de 10 a 14 m/s (generalmente se usan 10 m/s; elija 12 m/s para conductos largos y 14 m/s para grandes volúmenes de aire).

3. La velocidad frontal de la campana de extracción de gases generalmente se controla entre 0,375 y 0,75 m/s; el estándar de aceptación es generalmente de 0,5 m/s, y la velocidad frontal óptima es de 0,508 m/s. (Al medir la velocidad frontal, la compuerta corredera generalmente se eleva a 5 cm; se considera aceptable una velocidad de 0,3 a 0,5 m/s. Si la abertura de la compuerta es demasiado grande, también puede aceptarse la velocidad medida 5 cm por debajo de la compuerta). Consulte la Tabla 6-4.

Tabla 6-4 Parámetros de velocidad frontal de campanas de extracción de gases

4. El ruido exterior debe controlarse en 70 dB(A), y el ruido interior del laboratorio en 55 dB(A) (se supera el límite GB de ruido interior de 60 dB cuando el ruido exterior es de unos 75 dB). El ruido del ventilador puede dividirse en ruido mecánico propio del ventilador (causado principalmente por diferencias en la calidad del ventilador) y ruido de flujo de aire (el ruido principal). Cuando la potencia del ventilador no es elevada, el ruido de flujo de aire puede reducirse añadiendo una campana de lluvia sobre el ventilador; para ventiladores de alta potencia, generalmente se añaden silenciadores en la entrada y la salida del ventilador. El ruido mecánico se aborda principalmente mediante la construcción de paredes aislantes de sonido o pequeñas carcasas acústicas, o añadiendo conectores flexibles en la entrada y la salida del ventilador. El principal método de amortiguación de vibraciones consiste en convertir la base del ventilador en una base aislada de vibraciones e instalar aisladores de vibraciones o almohadillas amortiguadoras.

5. Volumen de ventilación (Q) = velocidad frontal (vs) × área de abertura de la campana de extracción de gases. La función de una válvula de control de volumen de aire electrónica es ajustar el volumen de ventilación de cada campana de extracción de gases ajustando el radio del conducto de cada campana, de modo que la velocidad frontal se mantenga constante cuando cambie el área de abertura de la campana.

6. Volumen de extracción (Q) = velocidad frontal (vs) × área de abertura de la campana de extracción de gases. La función de un sistema de frecuencia variable (VFD) es cambiar la velocidad del ventilador y, por tanto, su volumen de ventilación; cuando solo unas pocas campanas de extracción de gases de un sistema de ventilación están en funcionamiento, el sistema VFD ajusta automáticamente la velocidad del ventilador, modificando su volumen de ventilación y manteniendo así constante la velocidad frontal de la campana. El sistema VFD tiene una función similar a la de una válvula de control de volumen de aire, pero si solo se utilizan válvulas de control, el ventilador sigue funcionando a la velocidad máxima cuando solo operan unas pocas campanas; con un sistema VFD, el ajuste de la velocidad del ventilador permite ahorrar energía.

VI. Clasificación y requisitos de los materiales de los conductos de ventilación

1. Clasificación por material del conducto: conducto de acero galvanizado, conducto de acero inoxidable, conducto de fibra de vidrio inorgánica (FRP), conducto de placa de silicato, conducto de panel aislante compuesto, conducto flexible, etc.

Los conductos de acero galvanizado se utilizan habitualmente para los conductos de impulsión y retorno de aire de los sistemas de aire acondicionado (ventajas: vida útil prolongada, baja resistencia por fricción, fabricación rápida y sencilla; desventaja: están limitados por los equipos de procesamiento, y su espesor no debe superar los 1,2 mm). Los conductos de acero inoxidable se utilizan habitualmente como conductos de impulsión aguas abajo de los filtros HEPA en sistemas ultra limpios, y como conductos para transportar gases corrosivos (ventajas: apariencia atractiva, pared interna lisa, baja resistencia, buena estanqueidad al aire, alta resistencia a la presión, resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas; desventaja: costo elevado).

Los conductos de fibra de vidrio inorgánica (FRP) se utilizan habitualmente en sistemas de aire acondicionado y sistemas de control de humo y extracción de incendios (ventajas: resistencia a la corrosión, vida útil larga, resistencia relativamente alta, costo esencialmente igual al de los conductos de acero; desventajas: calidad inestable, superficie interna rugosa, alta resistencia, alta densidad, peso elevado y reparación in situ difícil).

Los conductos de placa de silicato se utilizan habitualmente como conductos de extracción de humo (ventajas similares a las de la placa de fibra de vidrio inorgánica; su característica notable es un mejor comportamiento frente al fuego; desventaja: costo total relativamente elevado).

Los conductos comunes de paneles aislantes compuestos incluyen los conductos aislantes de poliuretano con lámina de aluminio, fenólico con lámina de aluminio, poliuretano BBS y lana de vidrio con lámina de aluminio.

Los conductos flexibles se utilizan para conectar los conductos de ventilación y aire acondicionado a los dispositivos terminales.

Otros tipos de conductos incluyen principalmente los conductos de ladrillo, los conductos de cemento y los conductos de tela.

[Figura: Conductos de acero inoxidable (codos, tes y otros accesorios)]

Fig. 6-28 Conductos de acero inoxidable

[Figura: Conducto de fibra de vidrio inorgánica (conducto rectangular blanco)]

Fig. 6-29 Conducto de fibra de vidrio inorgánica

[Figura: Fotografía de conductos con lámina de aluminio; varios tramos de conductos rectangulares y codos colocados en el suelo]

Fig. 6-30 Conducto con lámina de aluminio

[Figura: Imagen de producto de conductos de acero galvanizado; conductos rectangulares con codos, tes y otros accesorios]

Fig. 6-31 Conducto de acero galvanizado

• Por función del conducto: conductos de aire de impulsión, aire de retorno, aire de extracción, aire fresco, etc.
• Por presión de trabajo del sistema de conductos: sistemas de baja presión, media presión y alta presión.
• Por forma del conducto: conductos circulares y rectangulares.

Los conductos circulares tienen alta resistencia y bajo consumo de acero, pero ocupan más espacio útil, y sus codos y tes requieren tramos más largos; los conductos de alta velocidad deben utilizar conductos circulares en espiral.

Los conductos rectangulares ocupan menos espacio útil y son más fáciles de disponer; la relación entre el lado largo y el lado corto de una sección rectangular no debe superar 4, y en ningún caso debe superar 10.

VII. Tamaños de los conductos de ventilación y métodos de cálculo

• Tamaños comunes de conductos circulares: ① una campana de absorción atómica individual utiliza principalmente tubería de Φ160 (DN150); ② los brazos de extracción articulados utilizan principalmente tubería de Φ110 (DN100); ③ los conductos ramales y principales para una o dos campanas de extracción de humos utilizan principalmente tubería de Φ315 (DN300).
• Tamaños comunes de conductos rectangulares: si el sistema es más complejo, o si se instalan tres o más campanas de extracción de humos en paralelo en la misma habitación, o si la altura del laboratorio es limitada por lo que no se pueden instalar conductos circulares, se pueden considerar conductos rectangulares. Las longitudes de lado estándar de los conductos rectangulares (en mm) son: 120, 160, 200, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250. Dado que el ancho de la campana de extracción de humos es de 800 mm, el lado largo de un conducto rectangular no debe superar los 630 mm; se prefieren los conductos cuadrados: si las condiciones no lo permiten, se pueden utilizar conductos rectangulares, pero cada proyecto debe ser uniforme.
• Métodos de dimensionamiento de conductos: ① cálculo de conductos circulares: Q = (3600 × πd²v)/4 (Q — volumen de extracción, (texto truncado al final de la página)

(continuación de la página anterior) m³/h; d — diámetro del conducto, mm; v — velocidad del aire en el conducto, m/s); ② cálculo de conductos rectangulares: Q = 3600 × a·b·v (Q — volumen de extracción, m³/h; a, b — longitudes de lado del conducto, mm; v — velocidad del aire en el conducto, m/s).

4. Normas de espesor de los conductos: según las normas nacionales, los sistemas de ventilación seleccionados aquí son sistemas de media y baja presión. Las normas de espesor para los conductos circulares de PVC en sistemas de media y baja presión se muestran en la Tabla 6-5.

Tabla 6-5 Normas de espesor para conductos circulares de PVC en sistemas de media y baja presión

Las normas de espesor para los conductos rectangulares de PVC en sistemas de presión media y baja se muestran en la Tabla 6-6.

Tabla 6-6 Normas de espesor para conductos rectangulares de PVC en sistemas de presión media y baja

Las normas de espesor para los conductos circulares de fibra de vidrio (PRFV) en sistemas de presión media y baja se muestran en la Tabla 6-7.

Tabla 6-7 Normas de espesor para conductos circulares de fibra de vidrio en sistemas de presión media y baja

VIII. Diseño de conductos de ventilación

1. Primero determine a partir del plano de planta cuántas campanas de extracción de gases incluye cada sistema, luego determine el volumen de ventilación aproximado del sistema a partir del número de campanas de extracción de cada sistema (el volumen de aire de diseño de cada campana de extracción de 1200 mm es de 1300 m³/h, (texto truncado en el pie de página)

(continuación de la página anterior) cada campana de extracción de 1500 mm tiene 1700 m³/h, cada campana de extracción de 1800 mm tiene 2100 m³/h, cada campana de absorción atómica tiene 600 m³/h y cada brazo de extracción articulado tiene 250 o 300 m³/h), y luego seleccione un ventilador con un volumen de ventilación ligeramente superior al volumen de ventilación del sistema.

• Calcule la pérdida de presión en el proceso de ventilación: la resistencia de un sistema con una sola campana de extracción es de aproximadamente 80–100 Pa; cada metro de conducto pierde 5–6 Pa; cada codo pierde 40–50 Pa; la salida del ventilador y la entrada de extracción pierden cada una 60 Pa; un silenciador pierde 50 Pa. Luego seleccione un ventilador adecuado a partir de los gráficos de curvas características en función del volumen de ventilación y la presión calculados (en el cálculo, solo se calcula el diferencial de presión de la campana de extracción más alejada, y se reserva un margen de 200–300 Pa).

• Luego calcule el radio del conducto a partir de la fórmula volumen de ventilación = sección transversal del conducto × velocidad del aire en el conducto (los conductos ramales se seleccionan de 315 mm según el tamaño de la campana de extracción).

IX. Clasificación y selección de ventiladores

• Clasificación de los ventiladores: según el patrón de flujo de aire, los ventiladores se dividen en tipos centrífugos (generalmente colocados en exteriores), axiales (generalmente colocados en interiores) y de flujo mixto (flujo diagonal); según el material, los ventiladores incluyen principalmente ventiladores de acero ordinario, ventiladores de acero inoxidable, ventiladores de PVC y ventiladores de fibra de vidrio (PRFV). La salida del ventilador debe ser mayor que el tamaño del conducto principal al seleccionar un ventilador.

• ① Características de los ventiladores axiales: bajo consumo de energía y costo operativo, pero alto ruido y baja succión del ventilador (baja presión de aire); adecuados para sistemas simples, generalmente instalados en paredes o conductos. ② Características de los ventiladores centrífugos: alto consumo de energía y costo operativo, ruido relativamente alto y fuerte succión del ventilador (alta presión de aire); adecuados para sistemas complejos, instalados principalmente en exteriores o en azoteas. ③ Características de los ventiladores de flujo diagonal: el consumo de energía, el costo operativo y la succión del ventilador se encuentran entre los dos tipos anteriores; menor ruido; adecuados para sistemas simples, generalmente instalados en interiores.

• Parámetros principales de los ventiladores: ① Caudal (Q): el volumen de fluido que fluye a través de una sección transversal determinada del conducto por unidad de tiempo. ② Velocidad del ventilador (n): la velocidad del rotor del ventilador, en r/min. ③ Eficiencia (η): la eficiencia de trabajo del ventilador η = (W_útil/W_total) × 100%. ④ Presión (P): la presión total (Pt) del ventilador se divide en presión dinámica (Pd) y presión estática (Ps). La presión estática es la presión que debe tener el ventilador para vencer la resistencia por fricción de todo el sistema de ventilación, determinada por las características de todo el sistema: campanas de extracción, rejillas, válvulas de control, conductos y ventilador. La presión dinámica es la parte de la presión que posee el gas descargado a una determinada velocidad; en condiciones estándar, la fórmula es: Pd = 0.5ρV² (ρ — densidad del aire, generalmente 1,2; V — velocidad del aire, m/s).

• Selección de ventiladores: por debajo de 3,5 F, por debajo de 4000 m³/h, y para un máximo de 2 campanas de extracción de humos, se podrá seleccionar un ventilador de flujo diagonal; por encima de estos valores, seleccione un ventilador centrífugo. ① Para un solo brazo de extracción articulado o una campana de absorción atómica, si el recorrido del conducto es relativamente sencillo —con salida directa al exterior a través de la pared o la ventana—, se podrá seleccionar un ventilador de flujo diagonal de fibra de vidrio. El diseñador podrá seleccionar los ventiladores de flujo diagonal modelo FSJG-2.5F (potencia del motor N = 0,09 kW) o FSJG-3.0F (N = 0,18 kW) según las condiciones del sistema; si el recorrido del conducto es más complejo y presenta muchos codos, se podrán seleccionar los ventiladores centrífugos modelo F4-72-3.0A (N = 0,55 kW o 0,75 kW) o F4-72-3.2A (N = 0,55 kW o 0,75 kW). ② Para una sola campana de extracción de humos, si el sistema de conductos es relativamente sencillo (truncado en la parte inferior de la página)