UNIVERSITÀ DI PISA
Scuola di Ingegneria
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica
T
RIGENERAZIONE IN AMBITO OSPEDALIERO
:
MODELLAZIONE
ENERGETICA DI UN IMPIANTO COMPLETAMENTE MONITORATO E
OTTIMIZZAZIONE DELLA GESTIONE OPERATIVA
Relatore Candidato
Prof. Ing. Daniele Testi Gabriele Risoli
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Abstract
La grande richiesta energetica è uno dei punti critici delle voci di bilancio dei complessi ospedalieri. La domanda di energia elettrica, di energia termica per la produzione di vapore e acqua calda, unita alla richiesta di energia frigorifera per il raffrescamento dei locali, è fonte di grandi spese economiche. Una possibile soluzione a questo problema è rappresentata dall’installazione di impianti di cogenerazione (CHP: Combined Heat and Power) o trigenerazione (CCHP: Combined Cooling, Heat and Power), per la produzione simultanea di energia elettrica, energia termica ed energia frigorifera.
L’Ospedale Versilia di Lido di Camaiore possiede una centrale di cogenerazione costituita da un motore a combustione interna a gas naturale e un complesso di tre microturbine a gas naturale, adibita alla generazione elettrica e termica, tramite recupero del calore dai gas di scarico. Un gruppo frigorifero ad assorbimento permette di sfruttare parte dell’energia termica recuperata per sopperire ad una quota del fabbisogno di energia frigorifera: nel complesso il sistema è quindi considerabile un vero e proprio impianto di trigenerazione. In aggiunta sono previsti sistemi di generazione tradizionale, quali boiler per la produzione di vapore e acqua calda, chiller elettrici, ed un impianto fotovoltaico che aiuta a ridurre la richiesta di elettricità complessiva. L’obbiettivo di questo elaborato è ricercare la strategia operativa ottimale per la gestione dell’impianto di trigenerazione secondo un criterio di tipo economico, puntando alla minimizzazione dei costi annuali per l’energia, dovuti all’acquisto di gas naturale ed energia elettrica dalla rete.
A seguito di una panoramica sulla normativa italiana vigente riguardante gli aspetti impiantistici in ambito ospedaliero e relativi alla cogenerazione, e dopo una descrizione della struttura e degli impianti presenti, è stato definito il fabbisogno energetico dell’ospedale (elettrico, termico, frigorifero e richiesta di vapore) su base oraria della durata di un anno, previa pulizia, filtrazione ed analisi dei dati raccolti. L’Ospedale Versilia è infatti dotato di un complesso sistema di monitoraggio, e la presenza di un sistema centralizzato di tipo Building Management System (BMS) facilita il compito di gestione. Per rendere più realistica la simulazione è stato implementato un semplice modello di previsione delle variabili in ingresso (curve di carico, condizioni climatiche e prezzi dell’energia), dato che sarebbe ideale quanto poco realistico conoscere in anticipo le richieste energetiche orarie della struttura.
Sono stati quindi creati modelli per descrivere il comportamento delle macchine, e proposte quattro possibili strategie operazionali ritrovabili in letteratura, alternative a quella attualmente adottata dall’azienda, nel particolare: inseguimento elettrico, inseguimento termico, produzione massima continua dell’impianto di cogenerazione, e gestione operativa ottimizzata per ridurre al minimo i costi, basata sulla previsione dei carichi. Queste sono poste in confronto ad una teorica soluzione ideale con previsione perfetta dei carichi energetici che minimizzi i costi ogni ora, e alla produzione separata di energia elettrica e termica.
A seguito di considerazioni di carattere economico sono stati valutati anche altri parametri, in un’ottica di tipo ambientale, come emissioni di inquinanti, risparmio di energia primaria, sprechi energetici, oltre ad un confronto sui fattori di utilizzo delle macchine in funzione della strategia adottata. Per valutare la robustezza e la flessibilità del sistema complessivo al variare dei prezzi di mercato dell’energia elettrica e del gas naturale, si propone inoltre una breve analisi di sensibilità al variare questi parametri, che rappresentano un punto chiave per uno studio sui costi annuali di gestione di un sistema di trigenerazione.
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I risultati evidenziano che l’attuale gestione possiede ancora margine per un’ottimizzazione economica, in quanto una strategia operativa che agisca minimizzando il costo e basandosi sulla previsione del fabbisogno orario, permette risparmi di quasi 17˙000 € l’anno, che possono diventare 40˙000 con una previsione perfetta. Sulla base dei dati relativi alla cessione energetica delle microturbine si è operato un confronto tra le prestazioni teoriche e le prestazioni nel funzionamento reale delle macchine, ed è stato analizzato uno scenario di gestione non CCHP, con turbine meno performanti e gruppo frigorifero ad assorbimento assente, che ha sottolineato ulteriormente l’importanza della trigenerazione, poiché generalmente si assiste ad un incremento del costo orario, ma questi risulta nettamente più elevato nel periodo estivo (oltre 12 € l’ora), quando l’assorbitore garantirebbe una riduzione della richiesta elettrica.
Infine sono state proposte possibili modifiche impiantistiche al sistema di trigenerazione al fine di migliorarne l’efficienza e incrementarne le prestazioni, e con l’obbiettivo primario di abbattere ulteriormente i costi relativi alla spesa energetica e ridurre l’impatto ambientale: tra la sostituzione dell’attuale frigorifero ad assorbimento con una unità che abbia capacità di modulazione, e la sostituzione del cogeneratore e delle turbine con un unico motore a combustione interna, anch’esso con capacità di modulazione (previo ridimensionamento di massima delle due macchine), la seconda soluzione sembra permettere una sensibile diminuzione dei costi (16.000 €), in particolare durante la stagione estiva.
Si suggerisce, come possibile sviluppo futuro, l’adozione di modelli di forecasting più avanzati per una migliore previsione delle condizioni al contorno, il corretto dimensionamento di macchine per la trigenerazione alternative a quelle attualmente utilizzate, e l’aggiornamento del sistema BMS, in modo che, oltre all’integrazione di software previsionali e per la stima in tempo reale del fabbisogno della struttura, permetta un campionamento ed un monitoraggio più accurato e a frequenza più elevata.
Gli algoritmi delle varie strategie adottate, il modello per la previsione dei carichi, dei dati climatici e dei prezzi dell’energia, e i modelli delle macchine e dei dispositivi sono stati scritti ed implementati utilizzando il software MATLAB (R2016b), col quale sono stati prodotti la quasi totalità dei grafici che riportano i risultati delle simulazioni.
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Indice
Abstract ... 1
Obiettivi ... 6
1 – Introduzione ... 7
1.1 Utilizzi energetici delle strutture ospedaliere ... 7
1.2 Cogenerazione e trigenerazione negli ospedali ... 9
1.3 Quadro normativo italiano ...11
1.3.1 Normativa impiantistica...11
1.3.2 Cogenerazione ad Alto Rendimento ...17
2 – L’Ospedale Versilia ... 27
2.1 Struttura e servizi ...28
2.2 BMS: Building Management System ...31
2.3 Sistemi energetici e macchine ...35
2.3.1 Impianto fotovoltaico ...36 2.3.2 Cogeneratore ...37 2.3.3 Microturbine a gas ...39 2.3.4 Centrale frigorifera ...41 2.3.5 Centrale termica ...44 2.3.6 Scambiatori vapore/acqua ...46 2.3.7 Impianto di climatizzazione ...46
2.4 Consumi tipici dell’ospedale ...48
3 – Stima dei carichi, microclima e prezzi dell’energia... 54
3.1 Condizioni climatiche locali ...54
3.1.1 Temperatura di bulbo umido ...55
3.2 Carichi energetici ...56
3.2.1 Fabbisogno di energia termica per il riscaldamento ...58
3.2.2 Fabbisogno di vapore ...60
3.2.3 Fabbisogno di energia frigorifera per il raffrescamento ...62
3.2.4 Fabbisogno di energia elettrica ...69
3.3 Prezzi dell’energia ...73
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3.4.1 Modello autoregressivo ...75
3.4.2 Post-processing ...79
3.4.3 Validazione ...80
3.4.4 Considerazioni aggiuntive ...82
4 – Modelli dei dispositivi e delle macchine ... 86
4.1 Generatore fotovoltaico...87
4.2 Impianto di cogenerazione ...91
4.2.1 Cogeneratore ...91
4.2.2 Turbine ...93
4.2.3 Scambiatori per il recupero termico ...94
4.3 Gruppi frigoriferi ...95
4.3.1 Chiller ad assorbimento ...97
4.3.2 Chiller a compressore centrifugo ...98
4.3.3 Chiller con compressore rotativo a vite ... 100
4.4 Caldaie tradizionali ... 102
4.4.1 Generatori di vapore ... 102
4.4.2 Generatori di acqua calda ... 102
4.5 Altri dispositivi ... 103
4.5.1 Torri evaporative ... 103
4.5.2 Scambiatori vapore/acqua ... 104
5 – Simulazione delle strategie operative ... 105
5.1 Valutazioni preliminari... 105
5.1.1 Turbine: accensione in cascata ... 105
5.1.2 Input della simulazione ... 107
5.2 Post-strategy ... 108
5.3 Strategie proposte ... 110
5.3.1 Actual Management – AM ... 110
5.3.2 Ideal Optimal Management – IOM ... 114
5.3.3 Real-time Operation Optimization – RTOO ... 115
5.3.4 Following the Electric Load – FEL ... 115
5.3.5 Following the Thermal Load – FTL ... 117
5.3.6 Continuous Full-Load – CFL... 119
5.3.7 Separate production – SP ... 120
5.4 Output della simulazione ... 121
5
6 – Risultati ... 125
6.1 Analisi economica ... 125
6.2 Fattori di utilizzo dell’impianto di trigenerazione ... 130
6.2.1 Cogeneratore e turbine ... 130
6.2.2 Gruppo frigo ad assorbimento ... 131
6.3 Impatto ambientale ... 133
6.4 Sprechi di energia ... 136
6.5 Analisi di sensibilità ai prezzi dell’energia ... 138
7 – Modifiche impiantistiche e stato reale ... 141
7.1 Stato reale delle macchine ... 141
7.1.1 Turbine: Raccolta dati ... 141
7.1.2 Turbine: Analisi dati ... 143
7.1.3 Chiller ad assorbimento ... 146
7.1.4 Confronto ... 147
7.2 Modifiche all’impianto trigenerativo ... 149
7.2.1 Unica unità di cogenerazione ... 150
7.2.2 Gruppo frigo ad assorbimento modulante ... 151
7.2.3 Confronto ... 152
8 – Conclusioni... 157
8.1 Considerazioni finali ... 157
8.2 Spunti e possibili sviluppi futuri ... 158
Bibliografia, fonti e riferimenti ... 160
Normativa ... 162
Sitografia ... 163
Appendice ... 164
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Obiettivi
Questo studio ha come obbiettivo principale l’ottimizzazione della gestione operativa dell’impianto di trigenerazione presente presso l’Ospedale Versilia di Lido Camaiore, esempio di struttura ospedaliera pensata e progettata secondo principi di utilizzo razionale dell’energia.
A seguito di una breve panoramica sulla cogenerazione e sulla normativa impiantistica vigente in ambito ospedaliero, sarà analizzato l’impianto di produzione dell’energia del presente caso studio. L’Ospedale Versilia possiede infatti un complesso impianto costituito non soltanto da due unità cogenerative, un motore a combustione interna e tre microturbine a gas naturale, ma anche da un generatore fotovoltaico installato sulla copertura dell’edificio, e da sistemi di generazione tradizionale dell’energia termica e frigorifera (caldaie e chiller elettrici). È inoltre presente una macchina frigorifera ad assorbimento, alimentata con il vapore prodotto dal recupero termico della cogenerazione, che permette di sopperire in buona misura alla richiesta di energia frigorifera durante il periodo estivo, rendendo l’impianto una centrale di trigenerazione.
Grazie alla presenza di un sistema centralizzato di tipo Building Management System per la gestione degli impianti e dell’edificio, con circa 12˙000 punti di analisi e regolazione dell'impiantistica elettrica e meccanica, sarà possibile ricostruire i fabbisogni energetici orari prelevando le grandezze di interesse dalle registrazioni storiche archiviate; questi costituiranno gli input iniziali della simulazione, assieme alle condizioni climatiche della zona, che influenzano le performance delle macchine, e ai prezzi dell’energia. Si procederà quindi all’implementazione di un modello per la previsione del fabbisogno energetico in tempo reale, alla base di tutte le strategie.
Successivamente verranno costruiti i modelli per descrivere il comportamento delle macchine, basandosi sia su datasheets e schede tecniche, sia su modelli ritrovabili in letteratura. Questo consentirà di descrivere accuratamente le prestazioni dei dispositivi al variare delle condizioni in ingresso.
Il capitolo successivo sarà incentrato principalmente sulla descrizione delle strategie di gestione, con particolare interesse per le due strategie che si basano sulla minimizzazione del costo orario, una teoricamente irrealizzabile, con perfetta previsione dei carichi, e che rappresenta un caso ideale, l’altra che si basa sui carichi previsti con il modello previsionale adottato. Oltre alle due strategie sopracitate, saranno analizzate la gestione attuale, l’inseguimento termico ed elettrico, produzione massima continua e produzione separata, quest’ultima inclusa per evidenziare i vantaggi della trigenerazione.
A valle della simulazione, condotta interamente sul software MATLAB, sarà effettuata l’analisi dei risultati, sia relativamente agli aspetti economici che all’impatto ambientale e agli utilizzi energetici della struttura, per valutare eventuali criticità e vantaggi delle differenti conduzioni dell’impianto. Una analisi di sensitività permetterà di determinare la robustezza delle strategie al variare dei prezzi dell’energia.
Saranno quindi proposte alternative impiantistiche che puntino ad arginare eventuali problematiche riscontrate sulle macchine dell’impianto di trigenerazione.
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1 – Introduzione
Le aziende ospedaliere sono sistemi energetici sempre attivi e fortemente energivori, con elevati consumi annuali di energia elettrica, termica e frigorifera. Il servizio offerto deve essere mantenuto in maniera continuativa e deve essere di qualità adeguata a garantire il comfort e il benessere fisiologico del personale e degli ospiti della struttura ospedaliera.
Per ridurre le spese e garantire risparmi di energia primaria, molti ospedali ricorrono all’utilizzo di impianti di
cogenerazione o trigenerazione, sistemi ad elevata efficienza per la produzione di energia sotto forme diverse
(elettrica, termica, frigorifera), che permettono di abbattere nel bilancio spese i costi relativi al consumo di energia elettrica e di combustibile, e che in un contesto più ampio come quello della riduzione delle emissioni di gas serra e delle oramai limitate risorse fossili disponibili, consentono un utilizzo più razionale dell’energia. Sebbene siano attualmente presenti sul mercato una grande varietà di sistemi per la cogenerazione, i più diffusi, anche in virtù della tecnologia ben consolidata, sono rappresentati da macchine endotermiche che utilizzano combustibile fossile o biomassa per la produzione di energia elettrica, e che sfruttano il calore altrimenti disperso in ambiente (gas caldi o acqua calda proveniente dal circuito di raffreddamento della macchina) per generare energia termica in forma di acqua calda e/o vapore. L’accoppiamento con una macchina frigorifera ad assorbimento, alimentata grazie al calore recuperato, permette di ricoprire anche il fabbisogno di freddo, che in ambito ospedaliero è fondamentalmente attribuibile al raffrescamento degli ambienti, o dei locali speciali per la conservazione dei farmaci. In quest’ultimo caso si parla quindi di
trigenerazione, o CCHP (Combined Cooling, Heat and Power), in quanto gli effetti utili sono la produzione di
energia elettrica, di energia termica e di energia frigorifera. In assenza di un sistema che permetta la produzione di energia frigorifera si parla di CHP (Combined Heat and Power).
1.1 Utilizzi energetici delle strutture ospedaliere
L’obbiettivo primario di una struttura sanitaria, ovvero generare salute, comporta un notevole dispendio di risorse per garantire processi di cura, condizioni di benessere per i pazienti, accoglienza ed ospitalità per i parenti, operatività e comfort per i dipendenti, con un’ampia diversificazione negli utilizzi finali dell’energia, tra i quali si ricordano: illuminazione dell’edificio interna ed esterna, alimentazione di dispositivi e macchinari ad uso sanitario, diagnostici e terapeutici, riscaldamento, raffrescamento e condizionamento degli ambienti, ventilazione, produzione di vapore per la sterilizzazione, la disinfezione e l’umidificazione, produzione di acqua calda per attività di pulizia, produzione di acqua calda sanitaria, oltre alla quota termica ed elettrica dovuta a servizi ausiliari quali lavanderia e cucina.
Secondo quanto riportato da ENEA [1], i consumi specifici di un ospedale sono circa tre volte più elevati rispetto a quelli di una abitazione in analoghe condizioni climatiche. La ragione è da ricercarsi nella tipologia del servizio, che deve essere costante e continuativo 24 ore su 24, ogni giorno dell’anno, e deve garantire elevati livelli di comfort, salubrità e sicurezza, possibile grazie a strumenti sofisticati e altamente energivori, come impianti di trattamento aria e impianti VCCC (Ventilazione e Condizionamento a Contaminazione Controllata). Ovviamente i consumi di una struttura sanitaria sono influenzati anche dalla differente tipologia di servizi offerti, dall’efficienza energetica dell’edificio e dalla collocazione geografica, oltre che alla periodica variabilità delle destinazioni d’uso dei locali, alla ricollocazione dei reparti, alle modifiche strutturali di carattere edilizio a cui sono fortemente soggetti gli ospedali.
8 In Figura 1.1 si riporta la distribuzione dei consumi tipici di una struttura ospedaliera italiana, principalmente attribuibili ai sistemi di climatizzazione degli ambienti, sia per la stagione invernale che per la stagione estiva. Bisogna però sottolineare che i consumi relativi al riscaldamento e al raffrescamento possono subire forti variazioni in dipendenza della località, delle condizioni climatiche locali, mentre altre tipologie di consumi come il carico elettrico, quelli relativi all’utilizzo di vapore per la sterilizzazione, i consumi per i servizi di lavanderia, mensa e cucina, sono influenzati in maniera meno evidente dal microclima locale.
Figura 1.1: Distribuzione tipica dei consumi in una struttura sanitaria italiana [2]
La climatizzazione riveste un ruolo importante all’interno delle strutture ospedaliere, in quanto risulta fondamentale mantenere le condizioni di benessere per i pazienti ed in generale per gli ospiti della struttura (medici, infermieri, personale ospedaliero, persone in visita dei pazienti). Anche per questo interventi di razionalizzazione dell’energia nel campo del riscaldamento e raffrescamento degli ambienti sono attuati in continuazione sia con opere di carattere strutturale, sia con modifiche a livello gestionale e di controllo dei dispositivi e dei terminali di climatizzazione, sia attraverso la sensibilizzazione dei dipendenti e degli ospiti della struttura sull’importanza di alcune regole per garantire condizioni di comfort (ad esempio evitando l’apertura delle finestre, la frequente apertura delle porte delle degenze, assicurarsi delle chiusura delle sale operatorie, che risultano tra le utenze più energivore in ambito ospedaliero a causa dell’elevata ventilazione di cui necessitano).
Tra le variabili operative analizzate nei rapporti di diagnosi relativi al Servizio Sanitario Nazionale (SSN) [1], le più significative in termini di influenza sui consumi energetici sono:
▪ Posti letto
▪ Superficie della struttura ▪ Volume riscaldato
Nello stesso report si precisa che non è stato però possibile individuare variabili che, con un buon grado di affidabilità, siano correlabili con i consumi energetici delle strutture ospedaliere. In Figura 1.2 sono riportate le differenti tipologie di strutture sanitarie analizzate nello studio, e la relativa percentuale sui consumi complessivi. Risulta evidente che la complessità delle tecnologie a disposizione e la variabilità dei servizi offerti incide fortemente sui consumi, dato che Istituti di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico (IRCCS) e ospedali
9 del Servizio Sanitario Nazionale, che sono le strutture più energivore, coprono il 55% dei consumi complessivi, nonostante rappresentino a malapena il 30% delle strutture prese in considerazione.
Figura 1.2: Distribuzione delle strutture analizzate e suddivisione percentuale dei consumi [1]
1.2 Cogenerazione e trigenerazione negli ospedali
La cogenerazione è uno degli strumenti più efficaci per ridurre sensibilmente i consumi di una struttura ospedaliera. La continua richiesta di energia elettrica e termica (sia per riscaldamento che per raffrescamento), nella gran parte dei casi simultanea, rende l’installazione di impianti di cogenerazione una soluzione ottimale, con riduzioni dei consumi comprese tra il 35 ÷ 40%. Altri possibili interventi per l’abbattimento dei costi possono essere l’installazione di moduli fotovoltaici per sopperire in parte al fabbisogno di energia elettrica, soluzione praticabile per edifici con elevata superficie dei tetti, e la riqualificazione energetica dell’edificio con interventi di carattere edile quali coibentazione dell’involucro della struttura e sostituzione degli infissi. I principali vantaggi di un sistema di cogenerazione sono:
▪ Risparmio di energia visto come diminuzione del consumo di combustibile (fonte primaria) a parità di usi finali e conseguente risparmio economico;
▪ Minori perdite di trasmissione dell’energia elettrica prodotta, in quanto una parte è prodotta e consumata in loco;
▪ Riduzione dell’impatto ambientale, legato alle minori emissioni date dal minore utilizzo di combustibile rispetto all’utilizzo di sistemi tradizionali;
▪ Continuità della fornitura energetica.
Un aspetto tutt’altro che irrilevante che riguarda il passaggio da produzione separata a produzione combinata è legato al ritorno economico derivante dal mercato dei Certificati Bianchi, o Titoli di Efficienza Energetica: ogni Tonnellata Equivalente di Petrolio (TEP) di energia primaria risparmiata grazie alla cogenerazione viene premiata tramite emissione di un Certificato Bianco, che può essere scambiato e valorizzato su apposite piattaforme di mercato gestite dal GME (Gestore dei Mercati Energetici). Ad oggi un Certificato Bianco ha un valore pari a circa 260 €, e tutti gli impianti di taglia inferiore a 1 MW possono ambire all’accumulo di questi titoli, non essendo richieste specifiche prestazioni dell’impianto, a patto che si consegua un effettivo risparmio di energia primaria rispetto alla generazione tradizionale. Poiché la maggior parte degli impianti di
10 cogenerazione negli ospedali e nelle case di cura ricade nella piccola e microcogenerazione1, la pratica della Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) assume un ruolo interessante per queste strutture.
L’energia termica utile prodotta in cogenerazione, disponibile principalmente come gas caldi provenienti dallo scarico delle macchine, è recuperata all’interno di scambiatori a recupero. I gas caldi cedono quindi l’energia termica in eccesso ad un secondo fluido termovettore per la produzione di:
▪ Acqua calda ad alta e bassa temperatura: che può essere sfruttata per il riscaldamento degli ambienti nella stagione invernale e per acqua calda sanitaria;
▪ Vapore: negli ospedali è frequente la richiesta di vapore, necessario per la sterilizzazione o per servizi quali la cucina (nelle strutture provviste di mensa);
▪ Energia frigorifera: L’accoppiamento di un sistema di cogenerazione con gruppi frigoriferi ad assorbimento permette di utilizzare il calore residuo di scarto come fonte termica alla sezione di generatore, in particolare per il raffrescamento degli ambienti nella stagione estiva. In questo caso si parla di sistemi di trigenerazione.
Le tecnologie odierne per la cogenerazione sono molteplici, con un’ampia variabilità nella taglia e nelle prestazioni degli impianti. In Figura 1.3 sono riportate le differenti tecnologie in un grafico che correla potenza installata e rendimento elettrico: si osservi che quest’ultimo risulta direttamente proporzionale alla taglia dell’impianto, fatta eccezione per le celle a combustibile, caratterizzate da elevati rendimenti e un range di potenza che va da pochi kilowatt a decine di Megawatt. Le tecnologie più diffuse e ormai consolidate sono:
▪ Motori a combustione interna ▪ Turbine a gas
▪ Turbine a vapore
▪ Impianti a ciclo combinato turbina a gas/turbina a vapore
Figura 1.3: Grafico Potenza-Rendimento delle differenti tecnologie per la cogenerazione
1 Microcogenerazione: Potenza ≤ 50 kWe;
Piccola cogenerazione: 50 kW < Potenza ≤ 1000 kWe; Grande cogenerazione: Potenza > 1 MWe.
11 L’utilizzo di turbine a vapore e impianto a ciclo combinato è preferibile esclusivamente per applicazioni di grande potenza, per questo motivo si ritrovano fondamentalmente nel settore industriale, mentre i motori a combustione interna e le turbine a gas trovano un campo di applicazione più vasto: grazie anche all’elevata varietà di taglie disponibili è possibile utilizzare queste macchine per grande, piccola e microcogenerazione, coprendo potenze che vanno da pochi kilowatt a decine di Megawatt.
Nelle realtà ospedaliere le soluzioni più utilizzate per la cogenerazione sono i motori endotermici a combustione interna e le turbine a gas. L’installazione di un sistema di trigenerazione in una struttura ospedaliera è da considerarsi una soluzione efficace anche in virtù dell’elevata e frequente richiesta di energia in maniera continuativa. In Figura 1.4 si riportano i profili di carico di differenti strutture: gli ospedali, preceduti soltanto dalle reti di teleriscaldamento, sono i sistemi che lavorano per un numero maggiore di ore a fabbisogni elevati. Un impianto trigenerativo che lavori costantemente e con capacità di modulazione per l’inseguimento dei carichi, può garantire la copertura totale o parziale del fabbisogno termico ed elettrico.
Figura 1.4: Profilo di carico di diverse tipologie di edificio [44]
1.3 Quadro normativo italiano
1.3.1 Normativa impiantistica
La normativa vigente in merito alla progettazione di una struttura sanitaria è ampia, anche in virtù del ruolo estremamente importante e delicato che questa riveste. In questa sezione ci limiteremo a descrivere i parametri e gli accorgimenti da adottare per garantire le condizioni di benessere ambientale, concentrandoci quindi sugli aspetti relativi agli impianti di condizionamento e ventilazione dei locali, per i quali è necessario progettare e predisporre particolari accorgimenti per garantire elevati standard di salubrità dell’aria.
12 I testi di riferimento in materia di comfort termoigrometrico nelle strutture sanitarie sono fondamentalmente due, ma esiste una vasta serie di normative e specifiche tecniche necessarie per la progettazione impiantistica. In questa sede esamineremo solamente le seguenti normative:
▪ Circolare del Ministero dei Lavori Pubblici del 22/11/1974, n.13011 [28]: rappresenta quello che è stato l’unico testo legislativo a disciplinare il settore sanitario, definendo in maniera poco esaustiva i principali requisiti fisico-tecnici da garantire e/o rispettare.
▪ Decreto del Presidente della Repubblica del 14/01/1997 [30]: rappresenta un enorme passo in avanti per la definizione dei requisiti minimi per l’esercizio dell’attività sanitaria, fornendo indicazioni tecniche dettagliate necessarie per la progettazione degli impianti e dell’edificio.
▪ UNI 10339 [29]: fornisce dati tecnici in merito alla ventilazione e ai dispositivi per garantire una buona qualità dell’aria. La norma, del 1995, è stata oramai superata e sostituita da normative più recenti. ▪ UNI 11425 [32]: nella quale sono definiti i requisiti riguardanti gli impianti di Ventilazione e
Condizionamento a Contaminazione Controllata (VCCC), che interessano principalmente i blocchi operatori.
▪ UNI/TS 11300 [31]: è attualmente suddivisa in sei sezioni. La seconda di queste fornisce dei valori plausibili di richiesta di acqua calda sanitaria da parte delle strutture ospedaliere e conseguenti metodi di calcolo del fabbisogno di energia primaria.
Tra gli altri testi che prescrivono parametri e requisiti minimi da rispettare per la progettazione impiantistica in strutture ospedaliere si ricordano anche il Decreto del Ministero dell’Interno del 18 settembre del 2002, dal titolo “Approvazione della regola tecnica di prevenzione incendi per la progettazione, la costruzione e l'esercizio
delle strutture sanitarie pubbliche e private”. Il D.M.I. si concentra principalmente sugli accorgimenti da
adottare ai fini della prevenzione degli incendi in nosocomi, ma non sarà approfondita in questo elaborato.
Prima dell’avvento del D.P.R. del 14/01/1997, la Circolare 13011 prescriveva il rispetto dei seguenti punti: ▪ Temperatura degli ambienti di 20°C ± 2°C in tutti i reparti ospedalieri, compresi i servizi, garantita
durante il periodo invernale mediante impianto di riscaldamento2;
▪ Nelle camere di degenza, nei locali ad uso collettivo e nei disimpegni durante il periodo invernale deve essere garantito un valore di umidità relativa del 40% ± 5%;
▪ I valori di ricambio d’aria devono essere quelli riassunti in Tabella 1.1 e garantiti da un impianto di ventilazione forzata in cui l’aria venga opportunamente filtrata e successivamente immessa negli ambienti a velocità non superiori a 0.15 m/s;
▪ Nei blocchi operatori, sale travaglio, rianimazione, parti prematuri, lattanti, terapia intensiva, centro dialisi, settore sterile e laboratori d’analisi deve essere presente un impianto di condizionamento senza ricircolo, che garantisca sia in estate sia in inverno il rispetto degli obblighi su esposti, o in ogni caso devono essere rispettati i valori della UNI 5104 (successivamente superata dalla UNI 10339).
2 Si ricordi che anche nel Decreto del Presidente della Repubblica n.412 del 1993 viene confermata come temperatura massima ammissibile in tale tipologia di edificio (e in tutte le altre ad eccezione delle strutture industriali) quella di 20°C ± 2°C, senza ulteriori differenziazioni.
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Tabella 1.1: Ricambi d'aria riportati sulla Circolare 13011 [28]
Zona Ricambi d’aria
Degenze 2 volumi/ora
Degenze bambini 3 volumi/ora Reparti diagnostica 6 volumi/ora Reparti speciali 6 volumi/ora Isolamento 12 volumi/ora Servizi igienici 10 volumi/ora
Soggiorno 30 m3/ora per persona (valore minimo)
In Tabella 1.2 sono riportati invece i parametri di ventilazione minimi obbligatori secondo la UNI 10339 per ospedali, case di cura, cliniche e assimilabili, norma sulla quale si ricorda che non è ammesso usare aria di ricircolo, neanche per le stanze di degenza o per le corsie ospedaliere, accorgimento volto a conseguire elevata qualità e salubrità dell’aria immessa. Nella stessa normativa vengono anche specificate le classi di filtri e l’efficienza di filtrazione riassunte in Tabella 1.3 per la tipologia di edifici presi in esame, mentre in Tabella 1.4 sono indicati i valori massimi ammissibili della velocità dell’aria per mantenere le condizioni di benessere.
Tabella 1.2: Ventilazione minima in accordo con la UNI 10399 [29]
Zona Portata aria esterna minima
Degenze 11 litri/s per persona Corsie 11 litri/s per persona Camere sterili 11 litri/s per persona Camere per infettivi Specificata in base alle esigenze Sale mediche/soggiorni 8.5 litri/s per persona
Terapie fisiche 11 litri/s per persona Sale operatorie/sale parto Specificata in base alle esigenze
Servizi igienici Estrazione di 8 volumi/ora
Tabella 1.3: Efficienza di filtrazione riportata sulla UNI 10399 [29]
Zona Classe di filtri Efficienza di filtrazione
Minima Massima
Degenze (2-3 letti) 6 8 Alta M+A
Corsia 6 8 Alta M+A
Camere sterili e infettivi 10 11 Altissima M+A+AS Maternità, anestesia, radiazioni 10 11 Altissima M+A+AS Prematuri, sale operatorie 11 12 Altissima M+A+AS
Visite mediche 6 8 Alta M+A
14
Tabella 1.4: Velocità massima consentita dell’aria immessa da impianti per la climatizzazione, a seconda della destinazione d'uso
del locale e della stagione, riportate in UNI 10399 [29]
Zona Riscaldamento Raffrescamento
Degenze, corsie, camere sterili,
infettivi, visite mediche e soggiorni 0.05 ÷ 0.1 m/s 0.05 ÷ 0.15 m/s Maternità, anestesia, radiazioni,
prematuri e sale operatorie 0.05 ÷ 0.1 m/s 0.05 ÷ 0.15 m/s Terapie fisiche 0.1 ÷ 0.2 m/s 0.15 ÷ 0.25 m/s
Con l’entrata in vigore del D.P.R. del 14/01/1997 si definiscono i requisiti minimi che devono essere rispettati ed applicati da parte di una struttura sanitaria, in termini di politica, obbiettivi ed attività, di struttura organizzativa, di gestione delle risorse umane e tecnologiche, di valutazione e miglioramento della qualità, di sistema informativo. Inoltre i requisiti minimi strutturali, tecnologici e organizzativi specifici per le varie strutture, differenziate in quelle di assistenza ambulatoriale, ricovero ospedaliero a ciclo continuato o diurno per acuti e ricovero non ospedaliero, sono ulteriormente suddivisi in base alla destinazione d’uso delle varie zone della struttura stessa.
Tabella 1.5: Requisiti minimi di ventilazione, temperatura e umidità riportate sul D.P.R. del 14 gennaio 1997 [30] Ambiente
funzionale Temperatura
Umidità relativa
Ricambio
aria esterna Requisiti aggiuntivi
Pronto soccorso – – –
Area degenza – – –
Reparto operatorio 20 ÷ 24°C 40 ÷ 60% 15 vol/h (*) Filtraggio aria del 99.97 % Blocco parto 20 ÷ 24°C 30 ÷ 60% 6 vol/h
Rianimazione e
terapia intensiva 20 ÷ 24°C 40 ÷ 60% 6 vol/h
Medicina Nucleare – – –
Radioterapia – – –
Day Hospital – – –
Day Surgery – – –
Gestione farmaci 20 ÷ 26°C 45 ÷ 55 % 2 vol/h Classe di purezza del filtraggio dell’aria in conformità a filtri di media efficienza Servizio
sterilizzazione 20 ÷ 27°C 40 ÷ 60 % 15 vol/h
Classe di purezza del filtraggio dell’aria in conformità a filtri di media efficienza Servizio
disinfezione 20 ÷ 27°C 40 ÷ 60 % 15 vol/h
Classe di purezza del filtraggio dell’aria in conformità a filtri di media efficienza Servizio mortuario 18°C 55 ÷ 65 % 15 vol/h
(*) Linee Guida ISPESL del 23/07/1999: in linea con gli altri Stati europei, che prevedono la possibilità di ricircolo, si può incrementare questo valore utilizzando anche aria di ricircolo limitata alla singola sala operatoria, senza miscelazione di flussi d’aria provenienti da due distinte sale operatorie
15 In Tabella 1.5 sono riassunti i principali requisiti per la ventilazione degli ambienti e per il rispetto del benessere termoigrometrico (umidità e temperatura), con suddivisione dei locali in 13 ambienti funzionali specificati nel D.P.R.: poiché per sei zone non vengono definite delle specifiche condizioni di benessere, ma sussistono soltanto altri obblighi di sicurezza e di igiene, molti progettisti si riferiscono alla Circolare 13011 o a normativa estera, con particolare riguardo alle norme tecniche dell’ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating
and Air-Conditioning Engineers).
La norma di riferimento per i sistemi di filtraggio a servizio dei blocchi operatori è invece la UNI 11425, nella quale sono presentati i valori di sovrappressione, temperatura e umidità relativa, volumi di aria di ricircolo e livello di filtrazione del sistema VCCC per garantire livelli di contaminazione minimi, oltre a definire le classi di pulizia e il livello acustico sonoro limite. Se ne riporta un estratto in Figura 1.5.
16 Per quanto concerne le indicazioni relative alla richiesta d’acqua calda sanitaria, la normativa UNI/TS 11300-2 fornisce i valori riportati in Tabella 1.6, che si riferiscono ad una temperatura dell’acqua calda di 40°C e ad una temperatura dell’acqua prelevata dall’acquedotto di 15°C. Nel caso di struttura ospedaliera a ciclo continuato (non solo diurno) senza lavanderia non si hanno valori di riferimento e quindi sono stati riportati i valori di fabbisogno per strutture paragonabili a quelle sanitarie (Hotel da 1-4 stelle per i quali non è previsto il servizio di lavanderia). Inoltre occorre tener presente che in molti ospedali il numero di posti letto non è un dato particolarmente significativo, come già anticipato al Capitolo 1.1: onde evitare stime errate per ACS è sempre bene integrare con dati reali, se disponibili.
Tabella 1.6: Fabbisogno giornaliero di acqua calda riportata nella UNI/TS 11300-2 [31]
Categoria di edificio Fabbisogno di ACS
Attività ospedaliera con day hospital 10 litri/giorno per posto letto Attività ospedaliera con pernottamento e lavanderia 90 litri/giorno per posto letto Hotel a 1 stella senza lavanderia 40 litri/giorno per posto letto Hotel a 2 stelle senza lavanderia 50 litri/giorno per posto letto Hotel a 3 stelle senza lavanderia 60 litri/giorno per posto letto Hotel a 4 stelle senza lavanderia 70 litri/giorno per posto letto Attività sportive e palestre 100 litri/giorno per posto letto
L’ultimo aspetto preso in considerazione riguarda l’illuminazione dei locali a destinazione d’uso sanitaria, disciplinata dalla Circolare 13011 e dal DPR del 14/01/1997. In particolare, la prima prescrive valori minimi per i livelli d’illuminazione (naturale e artificiale combinate), riportati in Tabella 1.7, e che devono essere garantiti in qualsiasi condizione, evitando fenomeno di abbagliamento, mentre il DPR si limita ad indicare come requisito minimo la presenza di illuminazione d’emergenza in alcuni dei reparti ospedalieri: reparto operatorio, punto nascita, terapia intensiva, reparto di rianimazione, pronto soccorso, ambulatori e degenze, locali per la sterilizzazione e disinfezione, servizio mortuario.
Tabella 1.7: Illuminazione minima riportata nella Circolare 13011 [28]
Zona e/o attività Illuminazione minima
Piano di lavoro o osservazione medica (escluso il
piano operatorio) 300 lux
Piano di lavoro negli spazi per lettura, laboratori e
uffici 200 lux
Spazi per riunioni e per ginnastica – misurati su un
piano ideale posto a 0.60 m dal pavimento 100 lux Corridoi, scale, servizi igienici, atrii, spogliatoi –
misurati su un piano ideale posto a 1 m dal pavimento
17
1.3.2 Cogenerazione ad Alto Rendimento
Come anticipato nei capitoli precedenti, la cogenerazione negli ospedali è una pratica ampiamente diffusa sul territorio nazionale, in quanto le richieste di energia termica (sia sotto forma di vapore che sotto forma di acqua calda) ed elettrica in maniera continuativa e sinergica rendono particolarmente efficace l’installazione di una centrale CHP o CCHP. Secondo quanto riportato dal Gestore dei Servizi Energetici (GSE) [24] la tecnologia più diffusa presso istituti ospedalieri e case di cura è quella dei motori a combustione interna a gas naturale, che costituisce la quasi totalità dei casi, mentre risulta sporadico l’utilizzo di turbine a gas naturale. In Figura 1.6 si riportano le distribuzioni degli impianti di cogenerazione in base alla fascia climatica di appartenenza e alla taglia installata.
Figura 1.6: Distribuzione per fascia climatica e per potenza installata dei sistemi CHP in ambito ospedaliero [24]
La Cogenerazione ad Alto Rendimento, abbreviata con l’acronimo CAR, è un sistema che permette ai produttori da impianti di cogenerazione di vedersi riconosciuti ed assegnati i Certificati Bianchi (CB-CAR), chiamati anche
Titoli di Efficienza Energetica (TEE), che rappresentano il principale meccanismo di incentivazione
dell’efficienza energetica in ambito industriale, e che valorizzano il risparmio in termini di energia primaria che l’installazione di un impianto di cogenerazione comporta. Un TEE è equivalente ad una Tonnellata Equivalente di Petrolio (TEP) risparmiata.
Nel seguito si riporta il procedimento utilizzato per determinare la quantità di Certificati Bianchi annuali, ai quali viene riconosciuto ad oggi un prezzo cadauno di circa 260 € [43], praticamente costante nell’ultimo periodo, come osservabile in Figura 1.7. Uno schema semplificato del processo di determinazione dei CB-CAR è riportato in Figura 1.8. Si farà riferimento ai principali testi normativi in materia, che ad oggi sono rappresentati da:
18 ▪ Decreto Ministeriale del 4 agosto 2011 [34]
▪ Decreto Ministeriale del 5 settembre 2011 [35] e relative Linee Guida [36] ▪ Regolamento delegato UE 2015/2402 [37]
Figura 1.7: Prezzo dei Titoli di Efficienza Energetica [43]
19 Un sistema di cogenerazione deve innanzitutto garantire un risparmio in termini energetici, sostanzialmente un risparmio di combustibile di alimentazione. Perché si possa parlare di Cogenerazione ad Alto Rendimento si deve almeno raggiungere il requisito minimo in termini di risparmio energetico previsto dal D.Lgs 20/07, poi integrato nel DM del 4 agosto 2011, pari a:
▪ 0% per i sistemi di cogenerazione di taglia inferiore a 1 MW
▪ 10% per i sistemi di cogenerazione con taglia uguale o superiore a 1 MW
Gli impianti relativi alla piccola e microcogenerazione possono essere quindi sempre soggetti a CAR, purché garantiscano almeno un risparmio di energia primaria rispetto alla produzione separata, mentre per taglie elevata è necessario conseguire risparmi più consistenti.
Per il calcolo del risparmio di energia primaria ci si riferirà principalmente alla procedura suggerita nel Regolamento delegato UE 2015/2402.
Il parametro che indica la percentuale di risparmio annuale per un impianto soggetto a CAR è il PES (Primary
Energy Savings), parametro adimensionale definito dalla relazione seguente:
𝑃𝐸𝑆 = 1 − 1
(𝜂𝜂𝐻,𝐶𝐻𝑃
𝐻,𝑟𝑖𝑓 +
𝜂𝐸,𝐶𝑃𝐻 𝜂𝐸,𝑟𝑖𝑓)
𝑃𝐸𝑆 Primary Energy Savings: è il risparmio di energia primaria nel passaggio da un impianto
di produzione tradizionale ad un impianto cogenerativo. È un parametro equivalente all’Indice di Risparmio Energetico (IRE)
𝜂𝐻,𝐶𝐻𝑃 Rendimento termico della produzione tramite cogenerazione, definito come rapporto
tra la quantità di calore utile generata e l’energia del combustibile utilizzato per la cogenerazione
𝜂𝐻,𝑟𝑖𝑓 Rendimento termico di riferimento per la produzione separata di energia termica
𝜂𝐸,𝐶𝐻𝑃 Rendimento elettrico della produzione tramite cogenerazione, definito come
rapporto tra la quantità di energia elettrica prodotta e l’energia del combustibile utilizzato per la cogenerazione
𝜂𝐻,𝑟𝑖𝑓 Rendimento elettrico di riferimento per la produzione separata di energia elettrica
Per la determinazione dei rendimenti elettrico e termico relativi alla produzione in regime CHP, la prima differenziazione è da effettuarsi sulla base del rendimento globale raggiunto in cogenerazione. In Tabella 1.8 sono riportati i valori soglia per le differenti tecnologie. Nel caso in esame il rendimento di soglia è del 75%: se il rendimento globale è superiore a questo valore tutta l’energia (termica ed elettrica) prodotta dalla cogenerazione è riconosciuta come tale, ed è possibile esprimere queste due grandezze come:
20 𝜂𝐻,𝐶𝐻𝑃= 𝑄𝐶𝐻𝑃 𝐹𝐶𝐻𝑃 𝜂𝐸,𝐶𝐻𝑃 = 𝐸𝐶𝐻𝑃 𝐹𝐶𝐻𝑃
Tabella 1.8: Rendimento di soglia per impianti cogenerativi [25]
Tecnologia ηsoglia
Turbina a vapore a contropressione
75% Turbina a gas con recupero di calore
Motore a combustione interna Microturbine
Motori Stirling Pile a combustibile Motori a vapore
Cicli Rankine a fluido organico
Ogni altra tecnologia o combinazioni di tecnologie che non includono turbine a condensazione con estrazione di vapore Turbina a gas a ciclo combinato con recupero di calore
80% Turbina a condensazione con estrazione di vapore
Ogni altra tecnologia o combinazioni di tecnologie che includono turbine a condensazione con estrazione di vapore
Se il rendimento globale non raggiunge il valore soglia è necessario correggere i due rendimenti, seguendo la procedura descritta dalle Linee Guida, mediante l’introduzione di una unità virtuale suddivisa in sezione di cogenerazione e sezione tradizionale, come riportato in Figura 1.9. La sezione “CHP” ha come output parte dell’energia elettrica prodotta e la totalità del calore utile in uscita dal sistema di cogenerazione, mentre la sezione “non CHP” è alla stregua di un sistema tradizionale per la produzione di energia elettrica, e ad entrambe le sezioni è assegnato il rendimento elettrico ηE calcolato come rapporto tra energia elettrica
prodotta ed energia di alimentazione da combustibile.
𝜂𝐸 = 𝐸 𝐹 𝜂𝐻 = 𝑄 𝐹 𝜂𝑔𝑙𝑜𝑏 = 𝐸 + 𝑄 𝐹 𝐸 Energia elettrica 𝑄 Energia termica
21 Per semplicità e per alleggerire la trattazione ci riferiremo solamente al caso di interesse, relativo al rendimento di soglia del 75%, e tralasceremo il caso di turbine a condensazione con estrazione di vapore, per il quale è prevista l’introduzione di un coefficiente β noto come coefficiente di perdita di potenza.
Figura 1.9: Unità virtuali che costituiscono il sistema di cogenerazione [24]
La correzione ha inizio con l’introduzione del coefficiente Ceff, che rappresenta il rapporto effettivo tra energia prodotta e calore; a seguito di passaggi analitici può essere espresso dalla relazione:
𝐶𝑒𝑓𝑓=
𝜂𝐸,𝑛𝑜𝑛𝐶𝐻𝑃
𝜂𝑔,𝑠𝑜𝑔𝑙𝑖𝑎− 𝜂𝐸,𝑛𝑜𝑛𝐶𝐻𝑃
Dove il rendimento ηE,nonCHP rappresenta il rendimento elettrico della sezione virtuale non cogenerativa,
coincidente con il rendimento elettrico generale dell’impianto sottoposto a CAR. Da questo si risale all’energia elettrica e al consumo di combustibile relativi alla sezione cogenerativa dell’unità virtuale, e sulla base di quest’ultimo si determina il nuovo rendimento termico corretto, espresso come rapporto tra il calore utile della sezione cogenerativa e l’energia di alimentazione della medesima sezione. Ricordando la definizione di
Ceff: 𝐶𝑒𝑓𝑓= 𝐸𝐶𝐻𝑃 𝑄𝐶𝐻𝑃 → 𝐸𝐶𝐻𝑃= 𝑄𝐶𝐻𝑃∙ 𝐶𝑒𝑓𝑓 𝐹𝐶𝐻𝑃= 𝐹 − 𝐹𝑛𝑜𝑛𝐶𝐻𝑃= 𝐹 − 𝐸𝑛𝑜𝑛𝐶𝐻𝑃 𝜂𝐸,𝑛𝑜𝑛𝐶𝐻𝑃 = 𝐹 −𝐸 − 𝐸𝐶𝐻𝑃 𝜂𝐸,𝑛𝑜𝑛𝐶𝐻𝑃 𝜂𝐻,𝐶𝐻𝑃= 𝑄𝐶𝐻𝑃 𝐹𝐶𝐻𝑃
22 In Tabella 1.9 e Tabella 1.10 si riportano i rendimenti termici ed elettrici di riferimento da applicare per differenti tipologie di combustibile, differente applicazione e diverso anno di costruzione, contenuti nell’Allegato II del Regolamento UE, per la determinazione del PES. Il Decreto Ministeriale del 4 agosto 2011 non prevede distinzione tra applicazioni per la produzione di acqua calda e produzione di vapore.
Tabella 1.9: Rendimento elettrico per tipologia di combustibile e anno di costruzione [37]
Categoria Tipo di combustibile
Anno di costruzione Antecedente al 2012 2012 - 2015 Dal 2015 So lid i S1
Carbon fossile compresa antracite, carbone bituminoso, carbone sub-bituminoso, coke, semicoke, coke di petrolio
44.2 44.2 44.2 S2 Lignite, mattonelle di lignite, olio di scisto 41.8 41.8 41.8 S3 Torba, mattonelle di torba 39 39.0 39.0
S4
Biomassa secca fra cui legna e altri tipi di biomassa solida compresi pellet e mattonelle di legno, trucioli di legno essiccati, scarti in legno puliti e asciutti, gusci e noccioli d'oliva e altri noccioli
33.0 33.0 37.0
S5
Altri tipi di biomassa solida compresi tutti i tipi di legno non inclusi in S4 e liquame nero e marrone
25.0 25.0 30.0 S6 Rifiuti urbani e industriali (non rinnovabili) e
rifiuti rinnovabili/biodegradabili 25.0 25.0 25.0
Liq
uid
i
L7 Olio combustibile pesante, gasolio, altri prodotti
petroliferi 44.2 44.2 44.2
L8 Bioliquidi compresi biometanolo, bioetanolo,
biobutanolo, biodiesel e altri bioliquidi 44.2 44.2 44.2 L9 Liquidi residui, compresi rifiuti biodegradabili e
non rinnovabili (inclusi sego, grasso e trebbie) 25.0 25.0 29.0
G
as
so
si
G10 Gas naturale, GPL, GNL e biometano 52.5 52.5 53.0 G11 Gas di raffineria, idrogeno e gas di sintesi 44.2 44.2 44.2 G12 Biogas da digestione anaerobica, gas da impianti
di trattamento di acque reflue e gas di discarica 42.0 42.0 42.0 G13
Gas di cokeria, gas di altoforno, gas da estrazioni minerarie e altri gas di recupero (escluso il gas di raffineria) 35.0 35.0 35.0 A ltr i O14
Calore di scarto (compresi i gas di scarico ad alta temperatura e i prodotti da reazioni chimiche esotermiche)
- - 30.0
O15 Energia nucleare - - 33.0
O16 Energia solare termica - - 30.0
O17 Energia geotermica - - 19.5
23
Tabella 1.10: Rendimento termico di riferimento per alimentazione, anno di costruzione e tipologia di recupero termico [37]
Categoria Tipo di combustibile
Anno di costruzione Antecedente al 2016 Dal 2016 Acqua calda Vapore (*) Gas di scarico (**) Acqua calda Vapore (*) Gas di scarico (**) So lid i S1
Carbon fossile compresa antracite, carbone bituminoso, carbone sub-bituminoso, coke, semicoke, coke di petrolio
88 83 80 88 83 80
S2 Lignite, mattonelle di lignite, olio di scisto 86 81 78 86 81 78 S3 Torba, mattonelle di torba 86 81 78 86 81 78
S4
Biomassa secca fra cui legna e altri tipi di biomassa solida compresi pellet e mattonelle di legno, trucioli di legno essiccati, scarti in legno puliti e asciutti, gusci e noccioli d'oliva e altri noccioli
86 81 78 86 81 78
S5
Altri tipi di biomassa solida compresi tutti i tipi di legno non inclusi in S4 e liquame nero e marrone
80 75 72 80 75 72
S6
Rifiuti urbani e industriali (non rinnovabili) e rifiuti rinnovabili/biodegradabili 80 75 72 80 75 72 Liq uid i
L7 Olio combustibile pesante, gasolio, altri
prodotti petroliferi 89 84 81 85 80 77
L8
Bioliquidi compresi biometanolo, bioetanolo, biobutanolo, biodiesel e altri bioliquidi
89 84 81 85 80 77
L9
Liquidi residui, compresi rifiuti
biodegradabili e non rinnovabili (inclusi sego, grasso e trebbie)
80 75 72 75 70 67
G
as
so
si
G10 Gas naturale, GPL, GNL e biometano 90 85 82 92 87 84 G11 Gas di raffineria, idrogeno e gas di sintesi 89 84 81 90 85 82 G12
Biogas da digestione anaerobica, gas da impianti di trattamento di acque reflue e gas di discarica
70 65 62 80 75 72
G13
Gas di cokeria, gas di altoforno, gas da estrazioni minerarie e altri gas di recupero (escluso il gas di raffineria)
80 75 72 80 75 72
A
ltr
i
O14
Calore di scarto (compresi i gas di scarico ad alta temperatura e i prodotti da reazioni chimiche esotermiche)
- - - 92 87 -
O15 Energia nucleare - - - 92 87 -
O16 Energia solare termica - - - 92 87 -
O17 Energia geotermica - - - 92 87 -
O18 Altri combustibili non menzionati - - - 92 87 - (*) Se tali impianti non tengono conto del riflusso della condensa nel calcolo del rendimento della produzione di calore per cogenerazione, i rendimenti per il vapore di cui alla tabella soprastante sono aumentati di 5 punti percentuali (**) Occorre utilizzare i valori relativi all'utilizzo diretto dei gas di scarico se la temperatura è pari o superiore a 250 °C
24 In aggiunta, sono previsti fattori correttivi che tengano conto della zona climatica e delle perdite evitate sulla rete derivanti dal consumo in loco dell’energia elettrica prodotta. In particolare, il rendimento elettrico di riferimento corretto assume la seguente forma:
𝜂𝐸,𝑟𝑖𝑓 = (𝜂𝐸,𝑟𝑖𝑓∗+ 𝑓𝑍𝐶) ∙ (𝑓𝐼𝑀𝑀∙ 𝐸%,𝐼𝑀𝑀+ 𝑓𝐴𝐶∙ 𝐸%,𝐴𝐶)
Dove le percentuali di energia elettrica consumata in loco e immessa in rete sono valori complementari.
𝑓𝑍𝐶 Fattore correttivo per zona climatica
𝑓𝐼𝑀𝑀 Fattore correttivo per energia elettrica immessa in rete
𝑓𝐴𝐶 Fattore correttivo per energia elettrica consumata in loco
𝐸%,𝐼𝑀𝑀 Frazione di energia elettrica immessa in rete
𝐸%,𝐴𝐶 Frazione di energia elettrica autoconsumata
In Tabella 1.11 si riportano i fattori di correzione per zona climatica, che tengono conto della differente temperatura media ambiente nelle diverse Zone climatiche in Italia, definiti nell’Allegato VI del Decreto Ministeriale del 4 agosto 2011. Il Regolamento UE propone una differente definizione nell’Allegato III: perdita di rendimento di 0.1% per ogni grado al di sopra dei 15°C, guadagno di rendimento di 0.1% per ogni grado al di sotto dei 15°C, correzione applicabile solo a combustibili gassosi.
In Tabella 1.12 si riportano invece i fattori correttivi da applicare, in relazione alle perdite di rete evitate grazie all’autoconsumo in loco dell’energia elettrica prodotta in regime di cogenerazione: i fattori correttivi hanno valori differenti a seconda della tensione di collegamento alla rete elettrica, e sono definiti nell’Allegato IV del Regolamento delegato UE del 2015.
Tabella 1.11: Correzione per zona climatica [34]
Zona climatica Temperatura
media (°C)
Fattore di correzione in % Zona A: Valle d’Aosta, Trentino Alto-Adige,
Piemonte, Friuli-Venezia Giulia, Lombardia, Veneto, Abruzzo, Emilia-Romagna, Liguria, Umbria, Marche, Molise, Toscana
11,315 +0,369 Zona B: Lazio, Campania, Basilicata, Puglia, Calabria,
25
Tabella 1.12: Correzione correlata alle perdite di rete [37] Livello di tensione di
connessione
Fattore di correzione (all'esterno del sito)
Fattore di correzione (all'interno del sito)
≥ 345kV 1 0.976 ≥ 200 — < 345kV 0.972 0.963 ≥ 100 — < 200kV 0.963 0.951 ≥ 50 — < 100kV 0.952 0.936 ≥ 12 — < 50kV 0.935 0.914 ≥ 0.45 — < 12kV 0.918 0.891 < 0.45kV 0.888 0.851
Se un sistema di cogenerazione è quindi assimilabile ad un sistema CAR, è possibile avviare il calcolo per la quantificazione dei Certificati Bianchi. Secondo quanto riportato dall’Art.4 del DM del 5 settembre 2011 la relazione da applicare è la seguente:
𝐶𝐵 = (𝑅𝐼𝑆𝑃 ∙ 0.086) ∙ 𝐾
𝐶𝐵 [ – ] Quantità di Certificati Bianchi 𝑅𝐼𝑆𝑃 [MWh] Risparmio di energia primaria
𝐾 [ – ] Fattore di armonizzazione
Tabella 1.13: Fattore di armonizzazione per differenti taglie d'impianto [34] Potenza dell’impianto di cogenerazione K
≤ 1 MWe 1.4
> 1 — ≤ 10 MWe 1.3 > 10 — ≤ 80 MWe 1.2 > 80 — ≤ 100 MWe 1.1 > 100 MWe 1.0
Dove K è un fattore di armonizzazione previsto dall’art. 4 del DM del 5 settembre 2011, pari a 1.4 per impianti di piccola e microcogenerazione (di taglia fino a 1 MWe di potenza). Altri valori, per taglia crescente degli impianti, sono riportati in Tabella 1.13.
Il risparmio energetico è convertito da megawattora in Tonnellate Equivalenti di Petrolio (TEP) utilizzando il fattore 0.086, e la quantità di certificati bianchi si intende arrotondata all’intero più vicino.
26 La relazione da applicare per il calcolo di energia primaria si basa sempre sul concetto di unità virtuale, nel caso non venga raggiunto il valore soglia come descritto in precedenza. Le grandezze ECHP, QCHP e FCHP possono
quindi assumere valori differenti a seconda del valore del rendimento globale in cogenerazione:
𝑅𝐼𝑆𝑃 = 𝑄𝐶𝐻𝑃 𝜂𝐻,𝑟𝑖𝑓
+ 𝐸𝐶𝐻𝑃 𝜂𝐸,𝑟𝑖𝑓
− 𝐹𝐶𝐻𝑃
A differenza di quanto già visto, i rendimenti termico ed elettrico di riferimento vengono ridefiniti sempre nell’Art. 4:
▪ per il rendimento elettrico si prende il valore medio convenzionale del parco di produzione elettrica italiano, assunto pari a 0.46, al quale si applicano le correzioni per zona climatica e per perdite evitate per la trasmissione in rete;
▪ per il rendimento termico si prende il valore medio convenzionale del parco di produzione termico italiano, assunto pari a:
- 0.82 nel caso di utilizzo diretto dei gas di scarico - 0.90 nel caso di produzione di vapore e/o acqua calda.
27
2 – L’Ospedale Versilia
L’Ospedale della Versilia di Lido di Camaiore è uno dei presidi ospedalieri dell’Azienda USL Toscana Nord Ovest, che comprende anche quelli delle province di Massa-Carrara, Lucca, Pisa e Livorno. Inaugurato nel 2002, è un rinomato esempio di struttura sanitaria concepita secondo principi di utilizzo razionale dell’energia: si ritrovano infatti soluzioni impiantistiche volte a ridurre i consumi energetici, integrazione di fonti rinnovabili, che unitamente alla progettazione stessa della struttura, caratterizzata dalla presenza sia di elementi naturali (alberatura, vicinanza alla costa) sia artificiali (utilizzo di lamelle frangisole) contribuiscono alla riduzione degli apporti raggianti solari nel periodo estivo.
Figura 2.1: Vista laterale panoramica dell’Ospedale Versilia di Lido di Camaiore
È stato il primo ospedale in Europa a potersi fregiare della certificazione energetica di classe B, già primo in Italia a conseguire la certificazione energetica di classe C [38], anche grazie all’installazione di sistemi cogenerativi. L’interesse principale di questa tesi è rivolto proprio all’impianto di trigenerazione: presso il presidio ospedaliero sono infatti installati un motore a combustione interna a gas naturale e un gruppo di microturbine anch’esse alimentate a gas naturale, che permettono la produzione simultanea di energia elettrica per l’autoproduzione, ed energia termica, altrimenti dispersa, recuperabile a valle dei due sistemi. L’accoppiamento con un gruppo frigorifero ad assorbimento, alimentato con il vapore prodotto dal recupero termico, permette la produzione di energia frigorifera durante il periodo estivo.
I benefici conseguiti negli ultimi anni a partire dalla data di inaugurazione, avvenuta nel 2002, in termini di consumi di energia primaria, sono riassunti in Figura 2.2: il grafico mostra la decrescita continua (espressa in Tonnellate Equivalenti di Petrolio) a partire dall’inaugurazione dell’ospedale, al tempo ancora sotto la AUSL 12 di Viareggio, poi accorpata all’interno della AUSL Toscana Nord Ovest. Alcuni rapporti più recenti parlano di una riduzione del -39.2% sui consumi dal 2002 al 2015 [5], possibile anche a fronte di continui interventi di efficientamento energetico, tra i quali:
28 ▪ Installazione di filtri ad alta efficacia ed efficienza per la filtrazione dell’aria viziata espulsa
▪ Riqualifica delle Unità di Trattamento Aria (sia del secondo che del settimo livello) con:
- installazione di motori elettrici ad alta efficienza dotati di inverter per il controllo del numero di giri
- installazione di filtri ad elevata efficienza
- allargamento della sezione filtrante e di passaggio dell’aria, con conseguente riduzione delle perdite di carico nel circuito
▪ Installazione di un impianto fotovoltaico ▪ Installazione delle microturbine a gas
▪ Implementazione della trigenerazione, a seguito dell’installazione di un gruppo frigorifero ad assorbimento
▪ Migliore utilizzo del free-cooling, che permette di raffrescare gli ambienti senza l’attivazione di macchine frigorifere
▪ Fibra ottica al servizio del sistema BMS.
Figura 2.2: Trend dei consumi dell'ospedale dal 2003 al 2008 [4]
2.1 Struttura e servizi
Il Versilia è un Ospedale Generale con oltre 400 posti letto3 inaugurato il 13 giugno del 2002, con un ampio
bacino di utenza ed un elevato flusso giornaliero (pazienti, operatori, visitatori), in quanto ideale sostituto dei quattro vecchi ospedali situati a Viareggio, Pietrasanta, Seravezza e Camaiore.
L’edificio è situato all’interno di una pineta di 11 ettari, a poche centinaia di metri dalla spiaggia versiliese, ed ha una volumetria di 200˙000 m3 a fronte di una superficie a terra di circa 25˙000 m2. La struttura principale
dell’edificio è costituita da due corpi paralleli di dimensioni approssimativamente pari a 260x28 m, uniti da quattro corpi trasversali di dimensioni 23x19 m, e da tre torri di connettivo verticale, di cui due in corrispondenza delle due testate e la terza in posizione assiale mediale. Oltre all’edificio principale è presente
3 Dati 2015: 440 posti letto complessivi, suddivisi in 373 posti letto per ricovero ordinario e 67 per ricovero in Day Hospital
29 una struttura più piccola di dimensione 48x62 m, suddivisa su due piani interrati, adibita a locali tecnici e cucina centrale.
La struttura si divide su sette livelli, due dei quali interrati. Il Livello 1 è utilizzato come parcheggio per i dipendenti e gli operatori della struttura, e vi sono inoltre locali tecnici per gli impianti tecnologici, presenti anche al Livello 2, quest’ultimo con funzionalità di magazzino, ricezione merci, spogliatoi. In Tabella 2.1 si riporta una suddivisione più dettagliata dei reparti e dei servizi offerti dall’Ospedale Versilia sui vari livelli della struttura, riportata anche in Figura 2.3.
Tabella 2.1: Reparti e servizi dell'Ospedale Versilia suddivisi per livello [38]
Livello Servizio/Reparto ospedaliero
1 – Piano
interrato Parcheggi per dipendenti Locali impianti tecnologici
2 – Piano semi-interrato
Accesso merci e magazzini Centrale carrelli Locali impianti tecnologici Magazzino farmaceutico Spogliatoi personale dipendente Archivio cartelle cliniche Servizio guardaroba Servizio cucina Anatomia patologica Camere ardenti
3 – Piano terra
Atrio-locale ingresso Informazioni – C.U.P. – U.R.P. Riabilitazione funzionale Radiologia Centro prelievi Laboratorio analisi Centro trasfusionale Emergenza-urgenza Accettazione,
Rianimazione Blocco operatorio Blocco travaglio-parto Centrale di sterilizzazione Psicologia, Centralino telefonico Servizio 118 Psichiatria
4 – Piano primo
Poliambulatori - libera
professione Cardiologia Dialisi
Diabetologia Endoscopia Neurologia
Neuropsichiatria infantile Pneumologia Psicologia Biblioteca Sala conferenze Cappella Uffici amministrativi aziendali Direzione sanitaria presidio
ospedaliero
Servizio mensa personale e Self-service
Area commerciale (Bar, Emporio, Giornali, Parrucchiere, Fioraio, Farmacia)
Asilo Nido
5 – Piano secondo
Chirurgia generale I e II Day surgery Day hospital Medicina generale I e II Dermatologia Nefrologia Urologia Otorinolaringoiatria Hospice Centro Oncologico Riferimento
Dipartimentale (C.O.R.D.) Unità Cure Palliative (U.C.P.)
6 – Piano Terzo
Centro Procreazione
Medicalmente Assistita Ostetricia-ginecologia Pediatria Unità terapia intensiva neonatale
U.T.I.N.
Recupero e riabilitazione
funzionale Ortopedia Cardiologia Unità terapia intensiva
cardiologica U.T.I.C. Oculistica Day hospital cardiologico Day hospital ortopedico
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31 Sia in fase di realizzazione che durante gli anni di operatività dell’Ospedale Versilia, sono stati predisposti accorgimenti ed eseguite integrazioni per garantire elevata efficienza strutturale ed impiantistica. Tra questi si ricordano:
▪ L’inserimento ambientale e l’orientamento: la struttura è infatti immersa in una pineta che garantisce schermatura alla radiazione solare nel periodo estivo, aiutando a ridurre i consumi legati all’energia frigorifera per il raffrescamento degli ambienti.
▪ Attenzione all'isolamento dell'involucro edilizio: sono infatti previste pareti ventilate, isolamento a cappotto nelle corti interne, tetto rovescio isolato e ventilato, ed altri elementi di finitura edilizia come lamelle frangisole per ridurre ulteriormente il contributo dell’irraggiamento nella stagione estiva. ▪ L’impiantistica: con caldaie a condensazione, sistemi di cogenerazione, assorbitore.
▪ Le fonti rinnovabili: il generatore fotovoltaico ha potenza installata di quasi 200 kW, e contribuisce a ridurre il fabbisogno elettrico durante le ore di picco.
▪ La regolazione e il controllo dell’impianto: attraverso un evoluto sistema di Building Management System (B.M.S.) con circa 12˙000 punti di analisi e regolazione dell'impiantistica elettrica e meccanica.
2.2 BMS: Building Management System
Un sistema BMS, acronimo di Building Management System, permette un migliore utilizzo degli impianti e delle risorse, con l’obbiettivo di ridurre ulteriormente i costi di gestione. L’Ospedale della Versilia ne è provvisto: si tratta di un sistema di telecontrollo centralizzato, utilizzabile anche da PC in remoto, grazie al quale è possibile, attraverso un sistema di monitoraggio integrato nella gran parte degli impianti tecnologici, visionare il funzionamento dei dispositivi e agire per modificare il comportamento delle macchine, con il fine di ottimizzarne l’utilizzo.
Il BMS permette di gestire gran parte dell’impiantistica e dell’illuminazione, e trova il suo utilizzo più importante nella regolazione dell’impianto di climatizzazione. Il software installato all’ospedale è il Satchwell
Sigma, della Schneider Electric, azienda leader nel settore della building automation. Sigma è un sistema
flessibile per la gestione degli edifici che, per questo particolare contesto, sposa le esigenze legate al benessere termoigrometrico e di comfort per i pazienti e gli ospiti dell’ospedale. L’utilizzo di un software di questo tipo, combinato ad un sistema di sensori per il monitoraggio, di allarmi, e di controllori per intervenire sugli impianti, permette di gestire al meglio le risorse energetiche, agire prontamente in caso di malfunzionamenti e ridurre le spese. È possibile, inoltre, registrare ed archiviare i dati monitorati e le grandezze fisiche di interesse, come l’apertura delle valvole, le portate, le temperature, le potenze delle macchine, e altre grandezze contabilizzabili come l’energia elettrica e termica, o il consumo di vapore. I dati archiviati possono essere scaricati e analizzati per indagini statistiche o ad altri scopi, sempre con l’obbiettivo ultimo di una migliore gestione.
Il software è suddiviso in tre sezioni principali:
▪ System Alarm Manager: permette di visualizzare le criticità in corso e intervenire attraverso il sistema di controllo o con interventi di manutenzione mirati a risolvere il guasto segnalato. Gli allarmi sono divisi secondo il grado di emergenza:
- Allarmi Critici - Allarmi Generici - Allarmi Basso Livello - Allarmi Sistema
32 - Manutenzione
In Figura 2.4 è mostrata la schermata relativa agli allarmi critici, segnalati acusticamente nei pressi della sala regia, per garantire il pronto intervento dei manutentori.
Figura 2.4: Schermata del System Alarm Manager relativa agli allarmi critici
▪ Sigma Graphical Interface: è l’interfaccia grafica attraverso la quale è possibile supervisionare in tempo reale le grandezze monitorate e registrate. È suddivisa in otto sottosistemi principali come si evince dalla Figura 2.5 che mostra la schermata principale, e all’interno di essi sono riportati, oltre alle grandezze d’interesse, ai set-point, ed eventuali segnalazioni di allarme, gli schemi semplificati dell’impianto. A titolo di esempio si riporta in Figura 2.6 la schermata relativa alle torri evaporative al servizio dei gruppi frigoriferi elettrici.
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Figura 2.5: Schermata principale di Satchwell Sigma
