• Flessibilità dell'impianto elettrico

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Una conseguenza positiva delle attuali normative edilizie è l'integrazione di un certo grado di flessibilità nell'impianto elettrico. Negli Stati Uniti, tali normative prevedono rigidi requisiti sulle modalità di calcolo dei carichi elettrici e richiedono l'utilizzo di certi fattori di domanda per delineare il carico collegato (la somma del carico di edificio: illuminazione, HVAC e apparecchiature fisicamente collegate all'impianto elettrico dell'edificio) rispetto al carico di domanda (il carico che potrebbe essere effettivamente richiesto in un determinato momento). Come può confermare qualunque tecnico elettricista, l'utilizzo di questi fattori di domanda assicura che l'impianto elettrico sia dimensionato per soddisfare i criteri di NFPA 70: National Electrical Code.

Proviamo, ad esempio, a considerare i requisiti NEC per determinare il carico elettrico delle prese di un edificio. Secondo NEC 220.14, la maggior parte delle prese di un edificio deve essere calcolata a 180 VA (1,5 A a 120 V). Questo carico deve essere poi sommato considerando tutte le prese dell'edificio. Secondo NEC 220.44, il massimo fattore di domanda che può essere applicato ai carichi delle prese "non residenziali" è 100% per i carichi fino a 10 kVA (inclusi) e 50% per i carichi di oltre 10 kVA. Ora si pensi a un edificio adibito a uffici di circa 10.000 metri quadrati con un carico totale di prese collegato di 200 kVA. Tale normativa prevede che il carico di domanda deve essere almeno uguale a 105 kVA. A questo punto, va considerato quante prese in un tipico edificio non hanno apparecchiature collegate (computer, radio o TV) e, per quelle che le hanno, quanto spesso tali apparecchiature vengono utilizzate. Inoltre, può esserci un frigorifero che assorbe corrente solo per qualche minuto all'ora. Quel carico è considerato costante ma funziona solo in modo intermittente. Considerati tutti questi fattori, il carico effettivo delle prese dovrebbe rimanere sempre inferiore al valore ammesso dalla normativa.

Un altro esempio sono i carichi di condizionamento dell'aria. In fase di progetto, questi sistemi vengono dimensionati presumendo lo scenario peggiore, ovvero la presenza del massimo numero di persone in un determinato ambiente, con tutte le apparecchiature che funzionano simultaneamente, nel giorno più caldo dell'anno. Realisticamente, la maggior parte dei giorni non si avvicinerà neanche ai valori del giorno più caldo dell'anno. E anche in questo caso, è altamente improbabile che i locali vengano occupati dal massimo numero di persone con tutte le apparecchiature simultaneamente in funzione. Questi carichi di condizionamento dell'aria funzioneranno quasi sempre a un tasso ridotto rispetto alla loro capacità. Tuttavia, come previsto dalla normativa, l'impianto elettrico è concepito per supportare la loro massima capacità. E questo può valere anche per altri carichi dell'edificio, come l'illuminazione, le cucine, le lavanderie, ecc.

È proprio a causa di queste differenze tra la diversità ammessa dalla normativa e i probabili carichi effettivi dell'edificio in uso che il progetto deve prevedere un certo grado di flessibilità.

Integrare la flessibilità
Ci sono altri modi di progettare un impianto elettrico integrando la flessibilità. Queste soluzioni possono aumentare il costo globale del sistema ma possono anche offrire grandi vantaggi se evitano di incorrere successivamente in ulteriori costi. Pianificazione e lungimiranza sono certamente importanti per migliorare la flessibilità dell'impianto elettrico in fase di progettazione.

Prevedere il carico futuro dei quadri: c'è spazio disponibile per i futuri carichi? Se il quadro elettrico viene riempito completamente sarà impossibile, in futuro, aggiungere altri carichi a meno che non si decida di installare nuovi quadri. Se i quadri vengono riempiti, sarà inevitabile aggiungerne altri per eventuali interventi successivi di rinnovamento o ampliamento, e ciò potrebbe tradursi in maggiori disservizi e costi aggiuntivi.

Capire quali possono essere i carichi futuri: se il quadro non ha capacità di espansione, è opportuno considerare quale potrebbe essere il carico futuro. Sarà un piccolo interruttore da 20 A per altre prese o luci o dovrà supportare un nuovo motore di grandi dimensioni? Quanta potenza assorbirà questa apparecchiatura? È necessario verificare che il quadro (e le apparecchiature a monte) abbia la capacità sufficiente (corrente ammissibile e spazio fisico) per alloggiare l'apparecchiatura in questione.

Disposizione delle sale elettriche: Nelle prime fasi del progetto, è importante lavorare con l'architetto per prevedere il maggior numero possibile di sale elettriche, anziché una sola. Se ciò è fattibile, le sale possono essere un po' più piccole in modo da non cambiare significativamente l'area globale necessaria. Durante i futuri interventi di rinnovamento o ampliamento, sarà molto più facile aggiungere nuovi carichi o effettuare altre modifiche all'impianto elettrico se la sala elettrica si trova nelle vicinanze e non a centinaia di metri di distanza.

Dimensioni delle sale elettriche: anche la determinazione delle dimensioni delle sale elettriche richiede il coordinamento con l'architetto. È importante che, nelle sale elettriche, rimanga spazio per aggiungere uno o due quadri. In questo modo, se diventa necessario installare un altro quadro per gestire nuovi carichi, sarà possibile sistemarlo in una sala elettrica esistente evitando di occupare altro spazio e magari interrompendo importanti servizi dell'edificio.

Considerare queste soluzioni in fase di progetto può rendere gli impianti elettrici più flessibili e garantirne l'adeguatezza per diversi anni. Se il quadro è già stato progettato, ad esempio, verificare che abbia spazio per alloggiare altri eventuali interruttori è una spesa minima. In fase di offerta, questo potrebbe non comportare alcun costo aggiuntivo. Inoltre, chiedendo una sala più lunga di soli 60 centimetri in fase di progetto (ad es. 3x3 metri anziché 3x2,5 metri), in futuro sarà possibile installare altri due quadri eliminando il bisogno di costruire un'altra sala elettrica e ciò compenserà decisamente l'investimento iniziale.

Dimensionamento dei generatori
Dimensionando gli impianti elettrici in base agli standard e alle normative nazionali, come il NEC, si ottiene generalmente una sufficiente capacità di riserva, senza bisogno di sovradimensionare intenzionalmente l'impianto elettrico. Ciò perché le normative sono scritte per essere applicate a diversi tipi di edificio senza creare problemi di capacità elettrica. Ipotizziamo che un tecnico elettricista progetti un edificio che richiede un servizio elettrico di 3.000 A facendo riferimento ai requisiti delle normative. Una volta operativo, magari quell'edificio utilizza solo il 40-50% del carico possibile. Il sistema quindi potrebbe sembrare sovradimensionato ma, in realtà, ciò era necessario per conformarsi alle normative applicabili che prevedono sempre gli scenari peggiori e garantiscono, di conseguenza, una flessibilità intrinseca.

Anche se i generatori di emergenza sono più piccoli e forniscono solo la potenza necessaria per assicurare l'evacuazione in sicurezza da un edificio, utilizzare i carichi calcolati e le diversità ammesse dal NEC è comunque una pratica prudente. In un grande edificio adibito a uffici, ad esempio, può esserci un piccolo generatore che alimenta solo carichi come i cartelli di uscita, le luci di evacuazione, i sistemi di allarme antincendio, ecc. In caso di emergenza e in mancanza della normale alimentazione, è molto probabile che questi carichi saranno tutti necessari simultaneamente e il generatore deve essere dimensionato di conseguenza. Questo è trattato dal NEC 700.5 che prevede che i generatori di emergenza “devono avere la capacità e la potenza necessarie al funzionamento simultaneo di tutti i carichi.”

Tuttavia, un generatore di emergenza può essere concepito anche per altre applicazioni miranti a mantenere pienamente funzionale un edificio per un periodo di tempo indefinito, non solo per l'evacuazione di emergenza. In questo scenario, i generatori sono molto più grandi e i carichi sono più diversificati e meno costanti perché coprono la normale operatività, non solo un'evacuazione di emergenza di 15 minuti.

Va ricordato che i generatori, fondamentalmente, sono grandi motori che convertono l'energia meccanica in energia elettrica. In quanto motori, questi generatori sono molto più efficienti quando funzionano ai limiti della loro capacità piuttosto che con carichi notevolmente ridotti. È come possedere una Ferrari e pretendere di guidare solo nel traffico delle ore di punta, senza superare mai i 30 km/h. In questo caso, oltre al fatto che non avrebbe senso possedere una Ferrari, nel tempo ciò potrebbe incidere anche sulle prestazioni del motore.

Spesso le normative riconoscono che, per dimensionare i generatori di emergenza per queste applicazioni, non si devono utilizzare gli stessi calcoli previsti per dimensionare altre parti dell'impianto elettrico. Trattandosi di edifici con grandi carichi di emergenza che devono rimanere operativi a tempo indefinito (anche senza alimentazione di rete), gli ospedali vengono utilizzati come esempio (v. Figura 1).

Figura 1: gli ospedali, come il Jacobs Medical Center della University of California a San Diego, la cui apertura è prevista nel 2016, sono edifici con grandi carichi di emergenza che devono rimanere operativi, anche senza alimentazione di rete. Fonte: (immagine) UC San D

L'Articolo 517 del NEC si applica specificamente alle strutture sanitarie. L'Articolo 517.30 (D) dice che il dimensionamento dei generatori secondo NEC 700.5 non deve applicarsi agli ospedali. E, per il dimensionamento di un generatore da installare in un ospedale, propone una serie di criteri tra cui scegliere:

  • Fattori di domanda prudenti e dati storici
  • Carico collegato
  • Procedure di calcolo del feeder descritte nel NEC, Articolo 220
  • Una qualunque combinazione dei suddetti criteri.

Ciò consente agli ingegneri di applicare altri fattori di diversità NEC o di affidarsi ai dati storici e a fattori di domanda prudenti.

Il commento del NEC spiega i motivi dell'ammissibilità di questa variazione: “L'intento dell'articolo 517.30(D) è quello di permettere il dimensionamento dei generatori in base alla domanda effettiva del carico collegato al sistema in qualsiasi momento. Questo metodo di calcolo facilita il dimensionamento pratico dei generatori nelle strutture sanitarie ed aiuta a eliminare i problemi di funzionamento del generatore di forza motrice dovuti a un carico troppo basso.”

NFPA 99: la normativa per le strutture sanitarie approfondisce ulteriormente il dimensionamento dei generatori negli ospedali, come segue: “…i generatori dovrebbero essere dimensionati in base alla domanda effettiva anziché per il carico collegato. Troppo spesso, le autorità competenti chiedono che i generatori siano dimensionati in base alla somma matematica dei carichi calcolati modificata in base ai fattori di domanda NFPA 70 [NEC]. Tali criteri si traducono spesso in generatori sovradimensionati rispetto alla domanda effettiva, pregiudicando la loro affidabilità nel tempo.”

I generatori per gli ospedali non devono essere dimensionati pensando al servizio elettrico, o ai generatori, di altri tipi di edifici.

Si consideri uno scenario che richiede il dimensionamento di un generatore più grande, per un maggior numero di carichi non di emergenza, per un edificio che non sia un ospedale. Si può ritenere che, utilizzando i calcoli di carico NEC, il generatore potrebbe essere sovradimensionato.

Figura 2: questa foto mostra due generatori da 1.250 kW in parallelo presso la Cleveland Clinic di Weston, in Florida. Le dimensioni di questi generatori sono particolarmente grandi e, per leggere il pannello di segnalazione sul retro del generatore, il personale ha bisogno di una scaletta.

L'Articolo 702 del NEC si occupa dei sistemi di riserva opzionali: carichi che non devono necessariamente ricadere sul generatore ma che, per qualche ragione, possono farlo. Esiste un margine di tolleranza in merito alle modalità di dimensionamento di un generatore che deve gestire questi carichi opzionali. L'articolo 702.5 (B) del NEC recita: “I calcoli del carico sulla sorgente di riserva dovrebbero essere effettuati facendo riferimento all'Articolo 220 o mediante altro metodo approvato.” Fare riferimento all'Articolo 220 richiederebbe di attenersi ai fattori di domanda NEC. L'utilizzo di un altro metodo approvato aprirebbe la porta a discussioni su come gestire questi carichi e dimensionare il generatore. Dato che tale normativa è quantomeno vaga, per il dimensionamento del generatore sarebbe opportuno consultare l'autorità competente, in modo da evitare i problemi di analisi della normativa.

Divide et impera
Dato che il sovradimensionamento dei generatori non è consigliabile, in che modo gli ingegneri dovrebbero considerare un generatore che sarà soggetto a una notevole diversità (non sarà sempre a pieno carico) ma che, all'occorrenza, deve riuscire a supportare condizioni di carico molto pesanti?

In queste situazioni, la soluzione sono spesso i generatori in parallelo (v. Figura 2). Questa pratica consente di installare diversi generatori più piccoli anziché un unico grande generatore. Questo risolve il problema di assicurare una grande capacità di emergenza riducendo il rischio di applicare ai generatori un carico troppo leggero. Due generatori da 500 kW, ad esempio, forniscono la stessa quantità di alimentazione di emergenza di un singolo generatore da 1.000 kW (v. Figura 3). Tuttavia, se il carico di domanda è inferiore al 50% del totale di 1.000 kW, è sufficiente che intervenga un solo generatore. Inoltre, se uno dei due generatori ha bisogno di essere messo fuori servizio per un intervento di manutenzione, l'alimentazione di emergenza dell'edificio è comunque disponibile grazie all'altro generatore.


Figura 3: questo schema unifilare mostra due generatori da 500 kW in parallelo che forniscono la stessa quantità di energia di emergenza di un singolo generatore da 1.000 kW. Se il carico di domanda è inferiore al 50% del totale di 1.000 kW, è sufficiente che intervenga un solo generatore. Fonte: Exp U.S

Per una ridondanza ancora maggiore, si può pensare a un sistema di n+1 generatori in parallelo. Presumendo, anche in questo caso, una domanda totale di picco di 1.000 kW, è possibile installare tre generatori da 500 kW. Quando la domanda effettiva è inferiore a 500 kW, sarebbe sufficiente far funzionare un solo generatore. Quando il carico sale oltre i 500 kW (restando al di sotto dei 1.000 kW), entrerebbe in azione anche un secondo generatore. E il terzo generatore rimarrebbe disponibile a fornire ridondanza in modo che la perdita di un qualunque generatore non inciderebbe sulla capacità di emergenza dell'edificio (v. Figura 4).


Figura 4: questo schema unifilare mostra un terzo generatore da 500 kW in parallelo, per un sistema con ridondanza n+1. Fonte: Exp U.S. Services Inc.

Conclusioni
Negli edifici moderni, gli impianti elettrici dovrebbero essere progettati per essere flessibili e in grado di adeguarsi alle inevitabili modifiche; ad esempio, sostituzioni di apparecchiature o interventi di rinnovamento e integrazione. Fortunatamente, le attuali normative elettriche prevedono un certo livello di capacità di riserva perché forniscono indicazioni conservative, in termini di diversità e di carico, per il dimensionamento iniziale delle apparecchiature.

Tuttavia, quando si progettano gli impianti elettrici, è opportuno procedere anche ad altre considerazioni, come lo spazio fisico dedicato ai dispositivi e la capacità di riserva all'interno dei quadri elettrici per i futuri interruttori. Anche il dimensionamento dei generatori deve essere studiato con attenzione. La fornitura della necessaria capacità di riserva non dovrebbe implicare il rischio di sottoutilizzo sistematico dei generatori. Questo è particolarmente vero per gli edifici che hanno bisogno della massima capacità in condizioni di emergenza, come gli ospedali, e per gli edifici che prevedono il collegamento al generatore di carichi di riserva (non solo quelli per l'evacuazione di emergenza). In questi casi, il progettista deve essere sufficientemente esperto da riuscire a bilanciare il dimensionamento dei generatori con i requisiti di alimentazione di emergenza e/o di riserva. Il problema può essere risolto con un sistema di generatori in parallelo in cui ogni generatore potrebbe funzionare in linea con la sua capacità nominale, e quindi in modo più efficiente e sicuro, assicurando, nel contempo, la flessibilità necessaria.


Oltre ad essere uno dei manager di Exp, Boothe è un ingegnere specializzato in sistemi elettrici che si occupa della progettazione degli impianti elettrici ospedalieri. Ha più di 20 anni di esperienza e ha lavorato su oltre 200 progetti, da ospedali completamente nuovi a interventi di integrazione e rinnovamento di strutture esistenti.

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