Requisiti energetici di strutture sanitarie e ospedali
Richiesta energetica di ospedali e strutture sanitarie: un caso studio italiano
Giampaolo Manfrida
Alessandro Bianchini
Carlo Carcasci - Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIEF), Università degli Studi di Firenze
Alessandro Bianchini
Carlo Carcasci - Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIEF), Università degli Studi di Firenze
Le strutture sanitarie sono caratterizzate da requisiti energetici piuttosto particolari a causa della necessità di mantenere la continuità del servizio e dei vincoli relativi agli standard di qualità dell'aria interna. In questo studio è stata svolta l'analisi della richiesta di energia elettrica di una casa di cura situata vicino a Firenze, con l'obiettivo di delineare i principali driver energetici della struttura.
La richiesta energetica di ospedali e strutture sanitarie è spesso caratterizzata da specifiche proprietà. Questo tipo di attività deve infatti garantire la continuità del servizio durante tutto l'anno (24 ore su 24) [1].
Oltretutto, gli ospedali richiedono vettori energetici diversi tra di loro per poter garantire l'efficienza dei servizi sanitari. A causa di queste caratteristiche, le strutture sanitarie sono tra gli edifici commerciali con maggior consumi per unità di superficie [2].
In Spagna, è stata effettuata un'analisi della domanda di energia elettrica e termica relativa a tredici ospedali privati tra il 2008 ed il 2017, con l'obiettivo di definire i principali energy drivers delle strutture [3].
Lo studio analizza la correlazione esistente tra i consumi energetici e diversi parametri relativi alla conformazione delle strutture e alle attività svolte al loro interno. I risultati mostrano che i consumi energetici risultano strettamente correlati alla superfice utile, mentre correlazioni più deboli sono state trovate con il numero di letti e i dipendenti in servizio.
Gli specifici vincoli relativi alla qualità dell'aria interna [4] comportano la presenza di complessi sistemi di ventilazione e trattamento dell'aria (HVAC), i quali risultano fondamentali per rispettare gli standard di comfort e sicurezza degli ambienti interni [5].
Questi sistemi sono energeticamente onerosi e richiedono elettricità per garantire la circolazione dell'aria ed energia termica per il suo trattamento (in forma di acqua calda, acqua refrigerata e vapore). A tal proposito, i sistemi di refrigerazione necessari per la produzione di acqua refrigerata giocano un ruolo centrale nella costituzione del fabbisogno energetico di una struttura sanitaria [6].
È quindi molto comune che, in edifici di questo tipo, gli impianti di trattamento aria costituiscano una porzione rilevante dei consumi totali [7, 8]. Per questo motivo, le caratteristiche climatiche esterne risultano spesso essere tra i principali energy drivers di una struttura sanitaria.
Un totale di venti ospedali sono stati analizzati tra il 2005 e il 2014 con l'obiettivo di definire le correlazioni tra i consumi energetici e i parametri climatici e le caratteristiche dell'involucro dell'edificio [9]. I risultati evidenziano una forte correlazione tra i consumi energetici degli edifici e la temperatura esterna.
Tuttavia, anche le apparecchiature elettromedicali possono giocare un ruolo non trascurabile nella costituzione dei consumi energetici totali. Rhode e Martinez [10] e Christiansen [11] hanno condotto studi relativi al consumo di energia elettrica degli apparecchi elettro-medicali, evidenziando un consumo energetico non trascurabile in confronto al consumo totale delle strutture sanitare in analisi.
Partendo da queste premesse, questo studio riporta i principali risultati dell'analisi della richiesta energetica di un edificio sanitario situato a Sesto Fiorentino, vicino a Firenze. Lo scopo di questa attività è quello di fornire un set di dati dettagliati relativi a questa categoria di strutture ed evidenziarne i principali energy drivers.
PANORAMICA DELLA STRUTTURA SANITARIA
Considerando che spesso in letteratura viene evidenziata la forte influenza delle condizioni climatiche sui consumi energetici, è importante approfondire il contesto climatico della struttura interessata. Sesto Fiorentino (dove la struttura è situata - 43°49'24.9"N - 11°13'22.4"E) è classificata in zona climatica D, con 1772 gradi giorno convenzionali.
Tramite dati forniti da "Consorzio LaMMA", è stato possibile ricalcolare i gradi giorno per il periodo analizzato, ovvero tra Febbraio 2019 e Gennaio 2020. A differenza del periodo convenzionale, i gradi giorno calcolati sono pari a 1946.7. Di conseguenza, il periodo analizzato risulta essere generalmente più freddo rispetto a quello convenzionale.
La struttura sanitaria è stata ottenuta dall'ampliamento di un edificio storico e attualmente raggiunge una superficie utile di 12000 m2. Tramite l'analisi della documentazione disponibile è stato possibile suddividere la struttura e i suoi impianti in due aree principali.
La prima corrisponde all'edificio storico, e comprende la maggior parte degli uffici. In questa parte della struttura non vengono svolte attività sanitarie. La seconda è chiamata "Ampliamento", ed è composta da quattro piani e una copertura accessibile. Il piano interrato è utilizzato principalmente per gli impianti tecnici (power center, centrale idrica, unità di trattamento aria, UPS, ecc.).
Il fabbisogno energetico (a parte l'energia elettrica) è coperto da sistemi di generazione installati in loco. La centrale termica è composta da quattro generatori di acqua calda alimentati a gas naturale per una potenza termica nominale di 2800 kWth (4 x 700 kWth).
L'intero fabbisogno di acqua calda è soddisfatto da tre unità, mentre una quarta agisce come riserva. La generazione di vapore, necessaria per le esigenze di umidificazione dell'aria, è affidata a tre generatori di vapore alimentati a gas naturale con una potenza termica nominale di 606 kWth (3 x 202 kWth).
Il raffreddamento ad acqua è realizzato per mezzo di tre gruppi frigoriferi raffreddati ad acqua. Ciascuna unità è caratterizzata da una potenza elettrica nominale di 320 kWel e da un COP nominale di 3.92. Ogni unità di refrigerazione è inoltre collegata a due torri evaporative con una capacità di raffreddamento totale di 4560 kWel (6 x 760 kWel).
Il sistema HVAC utilizza acqua calda e refrigerata, vapore ed elettricità per il trattamento dell'aria. Esso è composto da ventinove unità di trattamento aria, di cui due servono l'edificio storico e le restanti ventisette sono utilizzate per l'ampliamento.
ANALISI DEI CONSUMI ENERGETICI
In Figura 1 sono riportati i consumi mensili dell'edificio in termini di energia elettrica e gas naturale. In particolare, la Figura 1b mostra i consumi mensili di gas della casa di cura, ai quali è sovrapposta una curva rappresentante la temperatura media mensile dell'aria esterna.
Il consumo di gas risulta fortemente influenzato dalla temperatura esterna, essendo per la maggior parte utilizzato a scopo di riscaldamento degli ambienti interni alla casa di cura. I consumi inferiori si trovano durante i mesi estivi, dove l'energia termica risulta principalmente utilizzata per produrre acqua calda sanitaria. I consumi mensili di energia elettrica sono invece riportati in Figura 1.
Tramite le fatture energetiche è stato possibile suddividere i consumi nelle tre fasce orarie, che sono definite come segue:
- F1 rappresenta i giorni feriali, dalle 08:00 alle 19:00 (festività escluse)
- F2, nei giorni feriali dalle 07:00 alle 08:00 e dalle 19:00 alle 23:00 e il sabato dalle 07:00 alle 23:00
- F3 va dal lunedì al sabato dalle 00:00 alle 07:00 e dalle 23:00 alle 24:00. Tutti i giorni festivi fanno parte di questa fascia.
Anche l'energia elettrica risulta strettamente legata alla temperatura dell'aria esterna. Luglio è il mese caratterizzato dal maggior consumo di energia, arrivando a un +50% rispetto al consumo di febbraio. È ragionevole attribuire questo incremento principalmente all
Oltretutto, gli ospedali richiedono vettori energetici diversi tra di loro per poter garantire l'efficienza dei servizi sanitari. A causa di queste caratteristiche, le strutture sanitarie sono tra gli edifici commerciali con maggior consumi per unità di superficie [2].
In Spagna, è stata effettuata un'analisi della domanda di energia elettrica e termica relativa a tredici ospedali privati tra il 2008 ed il 2017, con l'obiettivo di definire i principali energy drivers delle strutture [3].
Lo studio analizza la correlazione esistente tra i consumi energetici e diversi parametri relativi alla conformazione delle strutture e alle attività svolte al loro interno. I risultati mostrano che i consumi energetici risultano strettamente correlati alla superfice utile, mentre correlazioni più deboli sono state trovate con il numero di letti e i dipendenti in servizio.
Gli specifici vincoli relativi alla qualità dell'aria interna [4] comportano la presenza di complessi sistemi di ventilazione e trattamento dell'aria (HVAC), i quali risultano fondamentali per rispettare gli standard di comfort e sicurezza degli ambienti interni [5].
Questi sistemi sono energeticamente onerosi e richiedono elettricità per garantire la circolazione dell'aria ed energia termica per il suo trattamento (in forma di acqua calda, acqua refrigerata e vapore). A tal proposito, i sistemi di refrigerazione necessari per la produzione di acqua refrigerata giocano un ruolo centrale nella costituzione del fabbisogno energetico di una struttura sanitaria [6].
È quindi molto comune che, in edifici di questo tipo, gli impianti di trattamento aria costituiscano una porzione rilevante dei consumi totali [7, 8]. Per questo motivo, le caratteristiche climatiche esterne risultano spesso essere tra i principali energy drivers di una struttura sanitaria.
Un totale di venti ospedali sono stati analizzati tra il 2005 e il 2014 con l'obiettivo di definire le correlazioni tra i consumi energetici e i parametri climatici e le caratteristiche dell'involucro dell'edificio [9]. I risultati evidenziano una forte correlazione tra i consumi energetici degli edifici e la temperatura esterna.
Tuttavia, anche le apparecchiature elettromedicali possono giocare un ruolo non trascurabile nella costituzione dei consumi energetici totali. Rhode e Martinez [10] e Christiansen [11] hanno condotto studi relativi al consumo di energia elettrica degli apparecchi elettro-medicali, evidenziando un consumo energetico non trascurabile in confronto al consumo totale delle strutture sanitare in analisi.
Partendo da queste premesse, questo studio riporta i principali risultati dell'analisi della richiesta energetica di un edificio sanitario situato a Sesto Fiorentino, vicino a Firenze. Lo scopo di questa attività è quello di fornire un set di dati dettagliati relativi a questa categoria di strutture ed evidenziarne i principali energy drivers.
PANORAMICA DELLA STRUTTURA SANITARIA
Considerando che spesso in letteratura viene evidenziata la forte influenza delle condizioni climatiche sui consumi energetici, è importante approfondire il contesto climatico della struttura interessata. Sesto Fiorentino (dove la struttura è situata - 43°49'24.9"N - 11°13'22.4"E) è classificata in zona climatica D, con 1772 gradi giorno convenzionali.
Tramite dati forniti da "Consorzio LaMMA", è stato possibile ricalcolare i gradi giorno per il periodo analizzato, ovvero tra Febbraio 2019 e Gennaio 2020. A differenza del periodo convenzionale, i gradi giorno calcolati sono pari a 1946.7. Di conseguenza, il periodo analizzato risulta essere generalmente più freddo rispetto a quello convenzionale.
La struttura sanitaria è stata ottenuta dall'ampliamento di un edificio storico e attualmente raggiunge una superficie utile di 12000 m2. Tramite l'analisi della documentazione disponibile è stato possibile suddividere la struttura e i suoi impianti in due aree principali.
La prima corrisponde all'edificio storico, e comprende la maggior parte degli uffici. In questa parte della struttura non vengono svolte attività sanitarie. La seconda è chiamata "Ampliamento", ed è composta da quattro piani e una copertura accessibile. Il piano interrato è utilizzato principalmente per gli impianti tecnici (power center, centrale idrica, unità di trattamento aria, UPS, ecc.).
Il fabbisogno energetico (a parte l'energia elettrica) è coperto da sistemi di generazione installati in loco. La centrale termica è composta da quattro generatori di acqua calda alimentati a gas naturale per una potenza termica nominale di 2800 kWth (4 x 700 kWth).
L'intero fabbisogno di acqua calda è soddisfatto da tre unità, mentre una quarta agisce come riserva. La generazione di vapore, necessaria per le esigenze di umidificazione dell'aria, è affidata a tre generatori di vapore alimentati a gas naturale con una potenza termica nominale di 606 kWth (3 x 202 kWth).
Il raffreddamento ad acqua è realizzato per mezzo di tre gruppi frigoriferi raffreddati ad acqua. Ciascuna unità è caratterizzata da una potenza elettrica nominale di 320 kWel e da un COP nominale di 3.92. Ogni unità di refrigerazione è inoltre collegata a due torri evaporative con una capacità di raffreddamento totale di 4560 kWel (6 x 760 kWel).
Il sistema HVAC utilizza acqua calda e refrigerata, vapore ed elettricità per il trattamento dell'aria. Esso è composto da ventinove unità di trattamento aria, di cui due servono l'edificio storico e le restanti ventisette sono utilizzate per l'ampliamento.
ANALISI DEI CONSUMI ENERGETICI
In Figura 1 sono riportati i consumi mensili dell'edificio in termini di energia elettrica e gas naturale. In particolare, la Figura 1b mostra i consumi mensili di gas della casa di cura, ai quali è sovrapposta una curva rappresentante la temperatura media mensile dell'aria esterna.
Il consumo di gas risulta fortemente influenzato dalla temperatura esterna, essendo per la maggior parte utilizzato a scopo di riscaldamento degli ambienti interni alla casa di cura. I consumi inferiori si trovano durante i mesi estivi, dove l'energia termica risulta principalmente utilizzata per produrre acqua calda sanitaria. I consumi mensili di energia elettrica sono invece riportati in Figura 1.
Tramite le fatture energetiche è stato possibile suddividere i consumi nelle tre fasce orarie, che sono definite come segue:
- F1 rappresenta i giorni feriali, dalle 08:00 alle 19:00 (festività escluse)
- F2, nei giorni feriali dalle 07:00 alle 08:00 e dalle 19:00 alle 23:00 e il sabato dalle 07:00 alle 23:00
- F3 va dal lunedì al sabato dalle 00:00 alle 07:00 e dalle 23:00 alle 24:00. Tutti i giorni festivi fanno parte di questa fascia.
Anche l'energia elettrica risulta strettamente legata alla temperatura dell'aria esterna. Luglio è il mese caratterizzato dal maggior consumo di energia, arrivando a un +50% rispetto al consumo di febbraio. È ragionevole attribuire questo incremento principalmente all
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Fonte: La Termotecnica ottobre 2022
Settori: Abbattimento inquinanti, Ambiente, Aria, Climatizzazione, Efficienza energetica industriale, Elettrotecnica, Energia, Inquinamento, Rete elettrica, Termotecnica industriale, Trattamento aria, Ventilazione
Mercati: Aria e Gas, Inquinamento
- Massimo Plazzer
- Sonny Giansante
- Nicolò Tudurov