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Requisiti energetici di strutture sanitarie e ospedali
Richiesta energetica di ospedali e strutture sanitarie: un caso studio italiano
Marco Zini - Università degli Studi di Firenze
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 alle grandi richieste di condizionamento aria e ventilazione che si verificano durante i mesi estivi.
In ogni caso, i consumi mensili non sono sufficientemente dettagliati per poter trarre conclusioni riguardo agli energy drivers della casa di cura analizzata. A tal proposito, il distributore di energia ha reso disponibili dati relativi alla potenza elettrica assorbita da febbraio 2019 a gennaio 2020 con un passo temporale di 15 minuti.
Questi dati sono rappresentati in Figura 2 sotto forma di curve di carico giornaliere medie suddivise per stagione e per tipologia di giorno. In generale, si può notare una marcata differenza tra estate, autunno e inverno
La ricostruzione dei consumi ha permesso di ottenere una buona rappresentazione dei requisiti energetici globali della struttura sanitaria, evidenziando la forte influenza che le condizioni climatiche esterne hanno sulla richiesta di energia elettrica nel caso considerato, dalle determinate caratteristiche di involucro.
La temperatura dell'aria esterna risulta infatti essere il principale energy driver, mentre le attività svolte all'interno della struttura non risultano influenti, aspetto spiegabile considerando le grandi necessità di controllo climatico interno della struttura che porta i relativi impianti a costituire la maggior parte alla richiesta energetica della struttura
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 alle grandi richieste di condizionamento aria e ventilazione che si verificano durante i mesi estivi.
In ogni caso, i consumi mensili non sono sufficientemente dettagliati per poter trarre conclusioni riguardo agli energy drivers della casa di cura analizzata. A tal proposito, il distributore di energia ha reso disponibili dati relativi alla potenza elettrica assorbita da febbraio 2019 a gennaio 2020 con un passo temporale di 15 minuti.
Questi dati sono rappresentati in Figura 2 sotto forma di curve di carico giornaliere medie suddivise per stagione e per tipologia di giorno. In generale, si può notare una marcata differenza tra estate, autunno e inverno
La ricostruzione dei consumi ha permesso di ottenere una buona rappresentazione dei requisiti energetici globali della struttura sanitaria, evidenziando la forte influenza che le condizioni climatiche esterne hanno sulla richiesta di energia elettrica nel caso considerato, dalle determinate caratteristiche di involucro.
La temperatura dell'aria esterna risulta infatti essere il principale energy driver, mentre le attività svolte all'interno della struttura non risultano influenti, aspetto spiegabile considerando le grandi necessità di controllo climatico interno della struttura che porta i relativi impianti a costituire la maggior parte alla richiesta energetica della struttura
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Fonte: La Termotecnica ottobre 2022
Parole chiave: Energia elettrica
