UPS - Pericolo di esplosione dei locali

Una guida alla ventilazione dei locali per evitare il pericolo di esplosione dovuto alla ricarica delle batterie

Ricambi d'aria per evitare il pericolo di esplosione

Generalmente le batterie utilizzate per i moderni gruppi statici di continuità sono del tipo chiuso/ermetico altrimenti dette VRLA. Nel funzionamento ordinario le batterie ermetiche non emettono gas in quantità significativa; possono però emetterne durante la fase di ricarica o in caso di sovratemperatura interna causata, ad esempio, da un cortocircuito non prontamente interrotto dai dispositivi di protezione, con conseguente attivazione delle valvole di sfogo per la sovrapressione interna. I gas emessi contengono essenzialmente idrogeno che forma con l'aria una miscela esplosiva se in concentrazione superiore al 4%.
Le norme EN 50272-2 ed EN 50273 indicano quale sia la corretta ventilazione per garantire la concentrazione di idrogeno al di sotto del 4%.
La portata d'aria di ventilazione si calcola con la seguente formula:

Q = 0,05 * n * Igas * Crt / 1000

dove
Q = portata d'aria [mc/h]
n = numero elementi della batteria
Igas = corrente che produce gas [mA / Ah]
Crt = capacità nominale della batteria [Ah]

Da un punto di vista teorico il problema della ventilazione presenta a questo punto una facile soluzione: è sufficiente richiedere al costruttore dell'UPS le caratteristiche del pacco batterie e svolgere il semplice calcolo. Praticamente il problema è più complesso in quanto:

  • i dati relativi agli armadi batterie non sono generalmente reperibili a catalogo UPS
  • le caratteristiche del pacco batterie cambia a seconda della marca di UPS adottato e generalmente questa non è univocamente definita in fase di progettazione

Nel seguito cercheremo di svolgere un'analisi che con una serie di approssimazioni successive a favore della sicurezza riconduca ad un risultato leggermente sovradimensionato ma praticamente sempre corretto. Le considerazioni che seguiranno valgono unicamente per batterie ermetiche. Per batterie a vaso aperto (il cui uso negli UPS è ormai praticamente nullo) sono necessarie considerazioni totalmente diverse.

Nel caso di batterie VRLA il termine Igas, salvo diverse indicazioni del costruttore, può essere assunto pari a 8 (norme EN 50272-2 ed EN 50273).

Batteria VRLA
Fig. 4 - Tipica batteria VRLA

Restano da determinare il numero di elementi e la loro capacità. Per riuscire ad ottenere un risultato a priori è necessario fare una breve considerazione sul significato fisico di potenza ed energia.
La potenza è l'energia riferita all'unità di tempo, cioè un UPS di potenza 100 kVA funzionante per un'ora avrà erogato un'energia pari a 100 kVA * 1h = 100 kVAh.
Quando utilizziamo una batteria possiamo dire che l'energia chimica in essa contenuta è data dal prodotto della sua tensione nominale per la sua capacità; una batteria 12V - 7Ah sarà pertanto in grado di erogare un'energia pari a 84 VAh (vedi http://it.wikipedia.org/wiki/Batteria_%28chimica%29 ).

Pertanto per poter erogare 100 kVAh saranno necessarie circa 1.190 batterie da 12V - 7Ah ( 100.000 VAh / 84 VAh = 1.190). Considerato che le batterie VRLA 12V - 7Ah sono costituite generalmente da 6 elementi, avremo che sono presenti 6 * 1.190 = 7.140 elementi.
Se ipotizziamo, a favore della sicurezza, di utilizzare anche su UPS di potenze notevoli sempre batterie 12V - 7Ah, avremo che

n * Crt = Pups * Taut * 6 / 12 = 0,5 * Pups * Taut

dove
Pups = potenza apparente dell'UPS [VA]
Taut = autonomia del pacco batterie UPS - in ore [h]

La formula relativa alla portata necessaria si riduce pertanto a

Q = 0,05 * n * Igas * Crt / 1.000 = 0,2 * Pups * Taut / 1.000

Esprimendo Pups in kVA anzichè in VA avremo più semplicemente che

Q = 0,2 * Pups[kVA] * Taut[h]

A favore della sicurezza è opportuno inoltre introdurre un ulteriore coefficiente cautelativo per cui

Q = 0,3 * Pups[kVA] * Taut[h]

Considerando ad esempio un UPS 20 kVA autonomia 15 minuti avremo necessità di una portata d'aria pari a

Q = 0,3 * 20 * 0,25 = 1,5 mc/h

Per ottenere questa portata d'aria per ventilazione naturale le norme EN ci indicano la seguente formula per il calcolo della superficie di aerazione

A = 28 * Q

Dove
A = superficie di aerazione dei fori di mandata e ripresa [cm2]

Nota: per il posizionamento dei fori di aerazione valgono le stesse considerazioni svolte per i gruppi elettrogeni: Ventilazione naturale del locale

Pertanto nel caso in esame avremo due fori di superficie netta pari a 28.1,5 = 42 cm2. Considerando che le griglie occupino un 30% del foro, avremo necessità di un foro pari a 60 cm2 (foro rettangolare 10x6 cm).

Come si può notare la ventilazione necessaria per evitare il pericolo di esplosione del locale è veramente ridottissima. Se tuttavia è necessario ricorrere all'utilizzo di una ventilazione forzata è necessario un dispositivo che verifichi il corretto funzionamento dell'estrattore (flussometro o relè amperometrico sulla linea di alimentazione dell'estrattore) e che in caso di guasto blocchi il processo di ricarica delle batterie.

Ventola di estrazione e Rele' amperometrico
Fig. 5 - Ventola di estrazione e Rele' amperometrico

Poiché inoltre le norme EN 50272-2 ed EN 50273 considerano, anche in presenza della ventilazione sopraindicata, una zona con pericolo di esplosione di classe 1, è necessario determinare l'estensione di questa zona.

L'estensione della zona è pari a

d = 28,8 * radcube(Igas * C)

Dove
radcube = radice cubica

d = estensione della zona 1 espressa in mm

Sulla base delle considerazioni svolte per la ventilazione possiamo assumere

Igas = 8
C = Pups[VA] * Taut[h] / 12

Nota: Pups espressa in VA

E quindi

d = 25,15 * radcube(Pups[VA] * Taut[h])

Nel caso dell'UPS 20 kVA autonomia 15 minuti avremo d = 427 mm. Sarà pertanto sufficiente non installare componenti elettrici a meno di 45 - 50 cm dall'armadio batterie.
Nota : la formula approssimata può portare a risultati eccessivamente sovradimensionati in caso di UPS di notevole potenza ed autonomie elevate (45 - 60 minuti). In tal caso è necessario richiedere maggiori ragguagli al costruttore e svolgere calcoli esatti.

Zona 1 batterie
Fig. 6 - Zona 1 batterie