2.3 Sistemi energetici e macchine
2.3.1 Impianto fotovoltaico
Parte del fabbisogno di energia elettrica dell’Ospedale Versilia viene coperto dall’impianto fotovoltaico installato sulla copertura dell’edificio. La taglia dell’impianto è di 198 kWp, ed è suddiviso in due sezioni denominate lato Mare e lato Monti, da 99.36 kWp ciascuna. In Tabella 2.2 si riportano le caratteristiche dell’impianto fotovoltaico: i moduli Trina Solar TSM-230PC054 sono in silicio policristallino, con potenza di
picco di 230 Wp, e sono collegati in 72 stringhe di 12 moduli cadauna, mentre l’energia prodotta è convertita da corrente continua in alternata grazie a quattro inverter (due per lato) modello Fronius IG 5005 di potenza
nominale 40 kW.
Figura 2.9: Impianto fotovoltaico installato sui tetti del presidio ospedaliero
4 Schede tecniche moduli fotovoltaici moduli fotovoltaici Trina Solar “Combination 4”, serie TSM. 5 Schede tecnica inverter solare Fronius serie IG.
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Tabella 2.2: Parametri relativi all'impianto fotovoltaico
GENERATORE FOTOVOLTAICO – OSPEDALE VERSILIA Potenza di picco complessiva kWp 198
Area captante m2 1262 Numero di moduli 864 Numero di stringhe 72 Numero di inverter 4 Moduli fotovoltaici Potenza di picco Wp 230
Tecnologia Silicio policristallino
Celle per modulo 60 (6 x 10)
Tensione MPP V 30
Corrente MMP A 7.66
Tensione di circuito aperto V 37
Corrente di corto circuito A 8.18
Efficienza cella % 15.8
Efficienza modulo % 14.1
Dimensione celle mm 156 x 156
Temperatura nominale cella °C 47 ± 2 Dimensioni modulo mm 1650 x 992 x 46 Superficie captante modulo m2 1.46
Inverter
Potenza AC nominale kW 40 kW
Efficienza nominale % 94.3
Frequenza nominale Hz 50
Tensione d’ingresso DC massima V 530 Corrente d’ingresso DC massima A 205 Range di tensione DC MMP V 210 ÷ 420
2.3.2 Cogeneratore
Il primo dei due sistemi di cogenerazione installati presso l’Ospedale Versilia è un motore a combustione interna di produzione Jenbacher, modello JMS320GS-B05. Il motore, avviato praticamente insieme al presidio ospedaliero, è alimentato a gas naturale, e presenta 20 cilindri da 48.7 litri ciascuno. La produzione elettrica nominale è pari a 1003 kWe, mentre quella termica recuperabile si attesta sui 1273 kWt. In Tabella 2.3 sono riportate le principali caratteristiche del motore6:
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Tabella 2.3: Parametri del motore Jenbacher e degli scambiatori per il recupero termico dai gas di scarico
MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA
Ciclo di funzionamento 4 tempi
Disposizione dei cilindri V70°
Numero cilindri 20
Cilindrata litri 48,7
Rapporto di compressione nominale 11.8
Velocità nominale giri/min 1500
Potenza elettrica nominale kW el. 1003 Potenza termica nominale kW th. 1273 Emissioni NOx (5% di O2) mg/Nm3 450 Emissioni CO2 (5% di O2) mg/Nm3 300
Funzionamento ai carichi parziali 100% 75% 50%
Potenza introdotta kW 2593 2000 1408
Potenza elettrica kW 1003 753 499
Recupero termico: primo stadio intercooler kW 154 65 3
Recupero termico: olio kW 115 99 84
Recupero termico: acqua di raffreddamento kW 354 345 295 Recupero termico: gas di scarico raffreddati a 120°C kW 649 491 340 Potenza termica complessiva kW 1272 1000 722
Rendimento elettrico % 38.7 37.6 35.4
Rendimento termico % 49.1 50.0 51.3
Rendimento globale % 87.7 87.6 86.7
Scambiatore fumi/vapore – GVR1
Potenza nominale kW 504
Portata vapore nominale kg/h 750
Pressione di esercizio bar 8
Alimentazione Gas di scarico
Scambiatore acqua/acqua – GAR1
Potenza nominale kW 602
Temperatura acqua all’ingresso del recuperatore °C 60 Temperatura acqua all’uscita del recuperatore °C 80
Il cogeneratore è attualmente utilizzato senza funzione di modulazione, ma segue una programmazione predefinita e modificabile a seconda della stagione corrente, con fattore di carico variabile a scalino da 100% (carico nominale) a 80%. Il funzionamento a pieno carico continuativo è tipico della stagione estiva, mentre il funzionamento a carico parziale è attivo nelle ore meno energivore (solitamente quelle notturne) nella stagione invernale.
39 Il recupero termico avviene mediante un generatore di vapore a recupero (GVR1) con potenza termica nominale di 504 kW. In aggiunta è previsto uno scambiatore acqua/acqua (GAR1) di potenza termica nominale pari a 602 kW, che utilizza l’acqua di raffreddamento del motore, prodotta a temperature inferiori di 110°C, per la produzione di acqua calda. Sono previsti dissipatori di calore nel caso in cui non ci siano richieste di vapore o acqua calda, fondamentali per il corretto smaltimento dell’energia termica in eccesso nell’atmosfera.
2.3.3 Microturbine a gas
Il secondo sistema di cogenerazione, affiancato successivamente al motore nel 2014, consiste in un gruppo di tre microturbine a gas naturale da 200 kWe nominali cadauna, per una potenza elettrica complessiva pari a 600 kW, con funzionalità di modulazione per l’inseguimento del carico elettrico. Le tre turbine sono assemblate in un unico modulo insonorizzato, e il recupero dell’energia termica è effettuato mediante scambiatori gas-vapore (GVR2) e gas-acqua (GAR2) alimentati dai gas di scarico delle turbine, che fuoriescono ad una temperatura di 280°C.
Tabella 2.4: Parametri principali per le turbine a gas e gli scambiatori per il recupero termico dai gas di scarico
TURBINE A GAS
Potenza nominale kW 200
Potenza nominale gruppo kW 600
Potenza meccanica nominale kW 630
Portata gas di scarico kg/h 14˙364
Temperatura dei gas di scarico °C 280
Rendimento elettrico nominale % 32.8
Rendimento termico nominale % 64.8
Scambiatore fumi/vapore – GVR2
Potenza nominale kW 420
Portata vapore kg/h 630
Pressione vapore bar 8
Temperatura gas di scarico all’ingresso dello scambiatore °C 280 Temperatura gas di scarico all’uscita dello scambiatore °C 179.5 Scambiatore fumi/acqua – GAR2
Potenza nominale kW 400
Portata acqua m3/h 17.2
Temperatura acqua all’ingresso dello scambiatore °C 60 Temperatura acqua all’uscita dello scambiatore °C 80 Temperatura gas di scarico all’ingresso dello scambiatore °C 179.5 Temperatura gas di scarico all’uscita dello scambiatore °C 83.7
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41 In Figura 2.10 si riporta uno schema generale del sottosistema impiantistico costituito dalle tre turbine e dal sistema di recupero dell’energia termica, mentre in Tabella 2.4 sono racchiuse le caratteristiche tecniche principali delle turbine e degli scambiatori gas-vapore e gas-acqua.
2.3.4 Centrale frigorifera
L’energia frigorifera per il raffrescamento degli ambienti è fornita da quattro gruppi frigoriferi operanti in parallelo, che forniscono l’acqua refrigerata alle batterie di raffreddamento delle Unità di Trattamento Aria (UTA). In particolare si tratta di:
▪ n.1 gruppo frigo ad assorbimento Thermax SD-20BTCU alimentato a vapore a doppio effetto ▪ n.1 gruppo frigo con compressore a vite Trane RTHD
▪ n.2 gruppo frigo con compressore centrifugo McQuay con compressore modello PEH 079
Il gruppo frigo ad assorbimento utilizza acqua come fluido refrigerante e bromuro di litio come fluido assorbente, e i due fluidi sono separati nella sezione di generatore grazie all’energia termica ceduta dal vapore prelevato dal collettore vapore, che si trova in condizioni di saturazione a 8 bar. Rispetto ad un chiller elettrico, una macchina frigorifera ad assorbimento è caratterizzata da prestazioni inferiori (COP compresi tra 1÷2, contro i 4÷10 di una macchina frigorifera a compressore), ma permette l’utilizzo di una sorgente termica anziché elettrica, con minore degradazione energetica. Nelle centrali di trigenerazione l’assorbitore è la macchina che permette la produzione di energia frigorifera utilizzando l’energia termica in eccesso, in questo caso prodotta dal cogeneratore e dalle turbine, sotto forma di vapore. Il gruppo frigo in questione ha potenzialità di 551 kWf e coefficiente di prestazione nominale ci circa 1.4, ed è raffreddato da una torre evaporativa a convezione forzata.
42 Ognuno dei tre chiller elettrici è raffreddato con acqua proveniente dalla relativa torre evaporativa. Per tutte e tre le unità il fluido refrigerante è freon R134a (HFC-134a) e la potenzialità frigorifera è rispettivamente di 1270 kWf per i gruppi a compressore centrifugo, 1320 kWf per il chiller a vite, che risulta anche il gruppo frigo più performante.
Figura 2.12: Torri di raffreddamento delle macchine frigorifere
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Tabella 2.5: Dati tecnici gruppo frigo ad assorbimento
GFA – GRUPPO FRIGO AD ASSORBIMENTO
Capacità frigorifera kW fr. 551
COP nominale 1.397
Circuito acqua refrigerata
Portata acqua refrigerata m3/hr 78.7 Temperatura acqua refrigerata in ingresso °C 12 Temperatura acqua refrigerata in uscita °C 6 Circuito acqua di raffreddamento
Portata acqua refrigerata m3/hr 170 Temperatura acqua di raffreddamento in ingresso °C 29 Temperatura acqua di raffreddamento in uscita °C 33.8 Circuito del vapore
Potenza termica immessa kW th. 394.4
Pressione del vapore kPa 800
Portata di vapore kg/hr 592.9
Tabella 2.6: Caratteristiche tecniche dei gruppi frigoriferi a compressore rotativo
GF1-GF2 – GRUPPO FRIGO A COMPRESSORE CENTRIFUGO
Capacità frigorifera kW fr. 1270
Potenza assorbita dal compressore kW el. 228.1
Parzializzazione continua 100% - 10% COP nominale 5.567 APVL 6.610 IPVL 75% 6.515 IPVL 50% 7.248 IPVL 25% 4.634 Evaporatore
Portata acqua refrigerata L/s 50.7
Temperatura acqua refrigerata in ingresso °C 12 Temperatura acqua refrigerata in uscita °C 6 Condensatore
Portata acqua di raffreddamento L/s 72 Temperatura acqua di raffreddamento in ingresso °C 30 Temperatura acqua di raffreddamento in uscita °C 35
44 Nelle tabelle soprastanti sono riportate le caratteristiche tecniche principale dei gruppi frigoriferi elettrici a compressore centrifugo7 (Tabella 2.6), e ad assorbimento8 (Tabella 2.5), mentre per il chiller a vite9 sono noti
il coefficiente di prestazione nominale, pari a 5.67, e la capacità frigorifera nominale, pari a 1320 kW.
2.3.5 Centrale termica
Nel caso in cui la produzione di acqua calda tramite i generatori a recupero a valle dei sistemi di cogenerazione non sia sufficiente a coprire la richiesta (anche a causa di possibili ed eventuali fermo macchina del cogeneratore), sono installate tre caldaie tradizionali a gas metano. Due di queste sono caldaie identiche di taglia 3500 kW che lavorano in regime di attacca e stacca, mentre non di rado viene utilizzata la caldaia di taglia minore, di potenza nominale 895 kW, che risulta necessaria in particolare nei periodi più freddi dell’anno, quando la richiesta di energia termica per il riscaldamento degli ambienti è maggiore.
In Tabella 2.7 si riportano le principali caratteristiche dei tre generatori di acqua calda tradizionali, tutti e tre prodotti dalla Viessmann, modello Turbomat-Duplex10 per quelli di taglia maggiore (GA1 e GA2), Vertomat11
per la caldaia di taglia più piccola (GA3), dotata di uno scambiatore a piastre che cede il calore prodotto dalla caldaia al resto dell’impianto, componente necessario a causa della pressione di bollo della caldaia inferiore a quella dell’impianto principale.
Figura 2.14: Caldaie tradizionali, sulla destra quella di taglia minore
In aggiunta ai sistemi di recupero calore degli impianti di cogenerazione sono installati presso l’Ospedale Versilia due generatori di vapore alimentati a gas metano. Il più grande dei due ha potenza nominale di 2093 kW, il più piccolo è utilizzato come back-up e ha potenza nominale di 460 kW. Solitamente non è necessaria l’accensione dei due boiler, in quanto i generatori di vapore a recupero sono sufficienti per sopperire alla richiesta di vapore.
7 Scheda tecnica del frigorifero a compressore centrifugo McQuay PEH-079. 8 Scheda tecnica del frigorifero ad assorbimento Thermax SD-20BTCU. 9 Catalogo gruppo frigo a vite RTHD (500-1500 kW).
10 Scheda tecnica delle caldaie Viessmann Turbomat-Duplex 1869 ÷ 5900 kW.
45 Il vapore prodotto si trova in condizioni sature alla pressione di 8 bar, ed è raccolto nei due collettori vapore, dal quale viene diramato alle varie utenze: sterilizzazione, lavaggio carrelli, alimentazione del gruppo frigorifero ad assorbimento.
In Tabella 2.8 sono riportate le principali caratteristiche dei due generatori di vapore tradizionali, quello di taglia minore (GV1) di marca Viessmann, modello Vitoman 200 HS, l’altro (GV2) di fabbricazione Caldaie
Carimati, modello Multigir MPA 3000.
Tabella 2.7: Principali caratteristiche tecniche delle caldaie tradizionali
GENERATORI ACQUA CALDA TRADIZIONALI Caldaie GA1-GA2
Potenza nominale kW 3500
Portata vapore nominale kW 3785
Alimentazione Metano
Temperatura gas di scarico °C 210 Portata gas di scarico kg/h 5960 Pressione minima di esercizio bar 6
Caldaia GA3
Potenza nominale kW 895
Potenza al focolare kW 992
Alimentazione Metano
Pressione minima di esercizio bar 4
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Tabella 2.8: Principali caratteristiche tecniche dei generatori di vapore tradizionali
GENERATORI DI VAPORE TRADIZIONALI Generatore di vapore GV1
Potenza nominale kW 460
Portata vapore nominale kg/hr 700
Pressione vapore bar 8
Alimentazione Metano
Generatore di vapore GV2
Potenza nominale kW 2093
Portata vapore nominale kg/hr 3000
Pressione vapore bar 8
Alimentazione Metano
2.3.6 Scambiatori vapore/acqua
Il vapore prodotto grazie ai recuperi termici o dai generatori di vapore tradizionali viene raccolto in due collettori e smistato alle varie utenze, rappresentate fondamentalmente dai locali adibiti alla sterilizzazione, al lavaggio carrelli e al gruppo frigo ad assorbimento. In aggiunta sono installati due scambiatori di calore vapore/acqua che sfruttano il vapore in eccesso per la produzione di acqua calda. Questa operazione può essere vista come un ulteriore recupero termico, dato che il vapore è prodotto quasi esclusivamente dalle due unità cogenerative. I due scambiatori, entrambi marca Spirax Sarco e denominati SC1 e SC2, hanno potenzialità rispettivamente di 511 kW12 e 406 kW13.
2.3.7 Impianto di climatizzazione
La climatizzazione dell’edificio è effettuata principalmente per mezzo delle 45 Unità di Trattamento Aria (UTA), utilizzate sia per la climatizzazione estiva che per quella invernale. Esse si suddividono in due sezioni installate al secondo e al settimo livello della struttura. A seconda della destinazione d’uso dei locali è previsto l’utilizzo di impianti di tipologia differente, in particolare:
▪ Impianti a tutt’aria esterna per le degenze
▪ Impianto misto aria/acqua a ventilconvettore a due tubi per laboratori ed uffici
▪ Impianto a tutt’aria esterna con filtri assoluti sui terminali di immissione per i reparti speciali e le sale operatorie
▪ Impianto VRF (Variable Refrigeratnt Flow, o Flusso Refrigerante Variabile) a servizio del laboratorio analisi
12 Dalle dichiarazioni di conformità e potenzialità dello scambiatore Spirax Sarco modello UPI 61 PL CI. 13 Dalla dichiarazione di potenzialità dello scambiatore Spirax Sarco modello UPI 53 PL.
47 Sono inoltre previste serrande di free-cooling per il raffrescamento dei locali senza la necessità di accensione dei gruppi frigo, quando le temperature esterne lo permettono.
Tabella 2.9: Parametri termoigrometrici dei locali dell'Ospedale Versilia
Destinazione d’uso del locale Inverno Estate
Temperatura U.R. Temperatura U.R.
Camere degenza 22°C 50% ± 10% 26°C 50% ± 10%
Studi medici, sale visita 22°C 50% ± 10% 26°C 50% ± 10% Corridoi, locali accessori, servizi igienici 22°C 50% ± 10% 27°C 50% ± 10% UTIC (Unità di Terapia Intensiva Cardiologica) 22°C 50% ± 5% 24°C 50% ± 5% UTIN (Unità di Terapia Intensiva Neonatale) 22°C 50% ± 5% 26°C 50% ± 5%
Sale operatorie 24°C 50% 24°C 50% ± 5%
Preparazione chirurghi 24°C 50% 24°C 50% ± 5%
Spogliatoi blocco operatorio 22°C 50% 26°C 50% ± 10%
Sala parto, travaglio 22°C 50% 24°C 50% ± 5%
Nido 22°C 45% ± 10% 24°C 55% ± 5%
Sale visita e studi medici 22°C 50% ± 10% 26°C 50% ± 10%
Spazi comuni e di attesa 22°C 26°C
Rianimazione 22°C 50% ± 5% 24°C ± 2°C 50% ± 5% Sale diagnostica 22°C 50% 26°C ± 2°C 50% ± 10% Studi medici 22°C 50% 26°C ± 2°C 50% ± 10% Refertazione radiologia 22°C 50% 26°C ± 2°C 50% ± 10% Palestre fisioterapia 22°C 50% 26°C 50% ± 10% Laboratori analisi 22°C 50% 26°C ± 2°C 50% ± 10% Locali sterilizzazione 22°C 50% 24°C 50% ± 5% Poliambulatori 22°C 50% 26°C ± 2°C 50% ± 10% Stanze dialisi 22°C 50% 26°C ± 2°C 50% ± 10% Sala autopsie 21°C 50% 24°C 50% ± 10% Camera ardente 21°C 50% 24°C 50% ± 10%
Laboratori farmacia e confezionamento 22°C 50% 26°C ± 2°C 50% ± 10%
Mensa 20°C 50% 27°C ± 2°C 55% ± 10%
Uffici, negozi, biblioteca 20°C 50% ± 10% 26°C ± 2°C 50% ± 10%
In Tabella 2.9 sono riportate le condizioni termoigrometriche di riferimento dei locali dell’Ospedale Versilia in condizioni invernali ed estive: i valori sono manipolabili, dato che è possibile intervenire tramite telecontrollo utilizzando il sistema BMS, modificando i parametri di set-point della temperatura e dell’umidità relativa. Sono inoltre da rispettare le prescrizioni riguardanti l’immissione di aria all’interno dei vari reparti:
▪ Reparti operatori, reparti ospedalieri speciali e tutti i locali annessi: - Ricambi d’aria minimi: 15 volumi/ora;
48 - Velocità terminale dell’aria ambiente: max 0.15 m/s;
▪ Reparti di rianimazione, terapia intensiva e blocco parto: - Ricambi d’aria minimi: 6 volumi/ora;
- Velocità terminale dell’aria ambiente: max 0.15 m/s; ▪ Degenze e locali assimilabili:
- Ricambi d’aria minimi: 2 volumi/ora;
- Velocità terminale dell’aria ambiente: max 0.15 m/s.