• Risparmiare nei sistemi di distribuzione elettrica delle strutture ospedaliere

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Figura 1: Presso il Wolfson Children's Hospital di Jacksonville, in Florida, è stato recentemente effettuato un aggiornamento del sistema UPS. I reparti di imaging della struttura sono stati collegati a un UPS centralizzato. L'aggiornamento è stato eseguito da TLC Engineering for Architecture. Fonte: TLC Engineering for ArchitectureSono molti i fattori di incertezza che minacciano le strutture ospedaliere: andamento del costo del denaro, finanziamenti governativi, interruzioni improvvise dell'alimentazione e uragani. Tuttavia una cosa è certa: i costi dei servizi di pubblica utilità per queste strutture continueranno a salire.

Progettare il sistema elettrico di un ospedale è un'opera complessa. In primo luogo, ci si è concentrati sulla creazione di un sistema elettrico affidabile e con una manutenzione semplice. Numerose strutture ospedaliere hanno adottato l'approccio "verde" del nostro settore intraprendendo il percorso verso la certificazione LEED o stabilendo gli obiettivi energetici mediante altri programmi con documentazione prescrittiva. Tutto ciò rientrava generalmente nella loro visione essenziale basata sull'altruismo e sul ruolo di attenti custodi del pianeta. Sono stato abbastanza fortunato da lavorare con varie reti di ospedali che seguono questa filosofia. Il grande impegno profuso per una progettazione all'avanguardia ha permesso lo sviluppo di molte tecnologie ecologiche che oggi utilizziamo quotidianamente.

Ma ignoriamo per un istante l'eco delle iniziative "verdi" in sottofondo. Ogni dipendente di ospedale con cui ho lavorato, dai direttori delle strutture, agli elettricisti o ai CFO, è molto interessato a risparmiare su un altro tipo di risorsa "verde": il denaro. I costi legati a infrastruttura e servizi di pubblica utilità rappresentano spese che i dirigenti degli ospedali devono tenere sotto controllo per portare a termine la loro missione di salvare le vite dei pazienti.

In generale, un ospedale consuma una quantità enorme di energia rispetto a un edificio convenzionale. In base alle Advanced Energy Design Guides di ASHRAE, gli ospedali occupano meno del 2% di spazio fisico e consumano quasi il 6% dell'energia utilizzata negli Stati Uniti. Un grande ospedale consuma in media 23,4 kBtus/m² secondo la U.S. Energy Information Association.

Che cosa significa tutto questo per un ingegnere elettrico? Significa che qualsiasi misura di risparmio energetico venga adottata, potrebbe essere da due a tre volte più efficace rispetto a un edificio convenzionale, semplicemente a causa del volume dei carichi. Sfortunatamente, la quantità maggiore di energia utilizzata in un ospedale (il 54% secondo la Advanced Energy Design Guide di ASHRAE per i centri di grandi dimensioni) è destinata agli impianti HVAC e al riscaldamento dell'acqua interna, settori che non rientrano sotto la diretta influenza degli ingegneri elettrici.

Generalmente l'attenzione degli ingegneri elettrici si concentra sull'illuminazione per ottenere grandi risparmi energetici. Secondo la U.S. Energy Information Administration, l'illuminazione consuma il 21% dell'energia totale utilizzata negli edifici commerciali. All'interno degli ospedali, l'utilizzo può variare tra l'8 e il 10%. L'argomento della progettazione di impianti di illuminazione a risparmio energetico è stato trattato da numerosi esperti. Tuttavia, non costituisce l'unica opportunità, specialmente negli ospedali.

Oltre il 35% dei carichi ospedalieri ricade nella categoria Altro. Nelle strutture commerciali, esiste una tendenza al controllo di molti carichi energetici dei servizi tramite l'automazione degli edifici. Poiché si tratta di un'opzione non adatta in numerose aree dell'assistenza sanitaria in ambiente ospedaliero, dobbiamo essere più creativi.

Risparmiare sui costi energetici e di manutenzione

L'aggiornamento del sistema UPS di un ospedale con un moderno UPS centralizzato rappresenta una soluzione per risparmiare denaro ed energia. Nei centri ospedalieri avviene un costante aggiornamento delle tecnologie e si adottano sistemi all'avanguardia che richiedono UPS e/o stabilizzatori di potenza di alta gamma. Sfortunatamente, molti ospedali sono invasi da un insieme eterogeneo di UPS di varie dimensioni ed efficienze. Di solito vengono implementati in base ai punti d'uso per carichi individuali durante ogni espansione, progetto o iniziativa all'interno dell'infrastruttura dell'edificio in costante evoluzione. Questo approccio distribuito determina la presenza di numerosi UPS sovradimensionati che operano a bassi livelli delle rispettive curve di efficienza. Normalmente questi UPS provengono da produttori diversi e presentano funzioni ed etichettature non omogenee. In generale creano problemi di manutenzione e consumano molta energia.

La maggior parte degli UPS in un ospedale viene di solito utilizzata in due ambiti: il reparto IT e quello dell'imaging diagnostico (ovvero radiologia, risonanza e radiografia). I profili di carico e gli utilizzi in questi due ambiti sono profondamente diversi e devono essere sempre considerati in modo separato. Ciò non significa che non possano essere supportati dallo stesso UPS, ma è necessario prestare grande attenzione al modo in cui vengono associati i sistemi.

Gli UPS del reparto IT si trovano generalmente all'interno degli armadi IT o del Data Center. Molti armadi di distribuzione IT contengono unità UPS di riserva collegate tramite cavo ed economiche. Si tratta di sistemi sorprendentemente efficienti poiché assimilabili a caricabatterie. In alcuni casi, negli armadi sarà presente un UPS Line Interactive collegato tramite cavo, che offre anch'esso un livello relativamente alto di efficienza. La sostituzione di tali unità con un UPS centralizzato non offrirà significativi risparmi in termini energetici. Tuttavia questa scelta sarebbe strettamente legata ai vantaggi della manutenzione preventiva.

Di norma il Data Center del reparto IT costituisce una migliore opportunità per il risparmio energetico. Nella mia esperienza, la progettazione può essere di qualsiasi tipo e dipende dal modo in cui si è sviluppata la struttura. Ho visto installazioni con vecchie unità a doppia conversione trifase e anche UPS con connessione a monocordi. C'è sempre la possibilità di combinare varie unità a bassa efficienza in un unico sistema UPS. Per maggior chiarezza, generalmente confronto un sistema UPS modulare con bypass di manutenzione individuale rispetto a una singola unità UPS che potrebbe essere considerata un singolo punto di guasto per il reparto. In merito al punto di guasto è necessaria un'analisi più ampia, ma per le strutture ospedaliere comuni sono sufficienti le tecnologie a doppio UPS, che non presentano difficoltà di manutenzione.

La maggior parte dei carichi del reparto IT non varia sostanzialmente in base all'ora del giorno. Di conseguenza, esistono poche possibilità per pianificare il livello di protezione dell'alimentazione in questi settori.

Al contrario, il reparto di imaging diagnostico costituisce probabilmente la maggior opportunità di risparmio energetico in un ospedale. Ciascun dispositivo medico in tale reparto tende ad avere un UPS fornito all'interno del pacchetto dal produttore di apparecchiature mediche. L'UPS si trova generalmente in una stanza del reparto di imaging diagnostico. Dato che l'installazione delle apparecchiature mediche rappresenta sempre la priorità al momento del posizionamento dell'unità, le caratteristiche elettriche vengono raramente considerate. Di norma, questi UPS:

  • Offrono bassi livelli di efficienza
  • Non dispongono di funzionalità moderne per le modalità di risparmio energetico
  • Non sono in grado di pianificare il passaggio tra conversione online completa e modalità di risparmio energetico
  • Sono esageratamente sovradimensionati per il tipo di carico considerato
  • Non comunicano con il sistema di automazione dell'edificio.

Sviluppare un singolo sistema UPS per tutto il reparto è relativamente semplice, a seconda del numero e del tipo di apparecchiature di imaging presenti nella suite.

A scopo illustrativo, si consideri un ipotetico reparto di imaging e chirurgia con due dispositivi per risonanza magnetica, due unità di tomografia computerizzata, una sala IMRI e una sala ICT con un UPS fornito dal produttore di ciascuna apparecchiatura. La valutazione della richiesta continua e delle correnti di spunto per ciascun dispositivo permette lo sviluppo di una soluzione UPS centralizzata che consentirà un risparmio di capacità (vedere figura 2).

Figura 2: Questo grafico riporta un confronto tra le dimensioni degli UPS per i carichi delle apparecchiature ospedaliere associate quando si effettua il consolidamento in un unico grande UPS. Fonte: TLC Engineering for Architecture

Nella soluzione ipotetica considerata, l'UPS singolo permetterà un risparmio di 600 kVA di capacità non necessaria. Generalmente, nella progettazione elettrica, è positivo disporre di una capacità supplementare, poiché il relativo consumo energetico non presenta costi elevati, ma in questo caso la capacità aggiuntiva diventa molto cara.

Il primo elemento di riduzione dei costi sarà il risparmio di capacità delle batterie e della manutenzione continua associata. Risparmiando 600 kVA di capacità delle batterie, il proprietario può ridurre di circa 100.000 dollari i costi di materiale ogni 4/6 anni per le batterie al piombo-acido con regolazione tramite valvola (VRLA) di durata decennale. Questa cifra non comprende le spese di manodopera per l'installazione delle batterie sostitutive né i costi di smaltimento associati. Anche se il cliente si affida a personale interno, si tratta di un risparmio di almeno 20.000 dollari all'anno.

Il secondo fattore di riduzione dei costi è la possibilità di utilizzare modalità più efficienti in termini energetici durante i periodi serali. Il singolo UPS proposto sarà dotato della capacità di offrire una modalità di efficienza del 96 o 99% durante gli orari di inattività (nella maggior parte degli ospedali i dispositivi dei reparti di imaging non sono operativi di notte). Nel caso ipotetico sopracitato, utilizzando una modalità di efficienza del 99% 10 ore per notte (circa 500 kVA), è possibile risparmiare oltre 30.000 dollari all'anno, compresi i costi dei sistemi HVAC.

Costi relativi all'immobile: Un UPS medio da 150-200 kVA occupa tra i 7 e i 9 metri quadri circa di spazio fisico utile all'interno del reparto di diagnosi, spazio che la maggior parte dei reparti non si può permettere di sacrificare per utilizzi che non generano ricavi. È difficile valutare i risparmi annuali relativi all'immobile; tuttavia costruire uno spazio paragonabile costerebbe circa 40 dollari al metro quadro, rispetto all'utilizzo di spazi da circa 10 dollari al metro quadro. Considerando l'esempio ipotetico e una proprietà ventennale, si evitano costi pari a circa 7.500 dollari all'anno. Il vero vantaggio è comunque rappresentato dalla possibilità di disporre di uno spazio superiore nell'area più volatile dell'ospedale.

Infine, in caso di costruzione ex novo, sarò necessario affidarsi a personale di manutenzione. L'installazione di un sistema UPS centralizzato consente al personale di concentrarsi sul funzionamento di un solo tipo di UPS, assicurando così risultati prevedibili ogni volta che l'apparecchiatura viene usata in un ambiente che incentiva una costante attenzione. Inoltre le attività di manutenzione preventiva richieste possono essere tenute fuori dalle aree ad elevata criticità dell'ospedale, il che permette di mantenere un elevato grado di soddisfazione del personale.

Risparmiare grazie alla gestione della domanda energetica tramite sistemi di cogenerazione

In passato le strutture ospedaliere (solitamente dotate di un generatore di livello 1) erano candidate ideali per accordi di livellamento delle punte di carico con le aziende fornitrici di servizi di pubblica utilità. In tal senso, negli ultimi due anni sono aumentate le difficoltà con l'introduzione dei requisiti Tier IV dell'EPA per i generatori usati in queste applicazioni. Di solito i costi per l'aggiornamento o l'ordine di un generatore in grado di soddisfare i requisiti Tier IV non sono vantaggiosi nelle aree degli Stati Uniti in cui l'elettricità è relativamente economica.

Tuttavia, l'abbondanza di gas naturale offre una nuova opportunità per molti ospedali esistenti che necessitano di una maggior alimentazione di emergenza e desiderano ridurre le tariffe per la potenza energetica impegnata e/o definire un accordo globale di livellamento delle punte di carico con l'azienda fornitrice di tali servizi. Le turbine alimentate con gas naturale garantiscono soluzioni per l'alimentazione di emergenza conformi alle normative dell'Environmental Protection Agency degli Stati Uniti. Anche se il tempo di avviamento di una turbina ne preclude l'impiego come generatore salvavita, questa tecnologia possiede il potenziale per risultare vincente in termini economici, sociali e ambientali offrendo:

  • funzioni di livellamento delle punte di carico e/o gestione della domanda del carico elettrico
  • Alimentazione di riserva opzionale per sistemi che devono essere impiegati negli ospedali in caso di interruzioni prolungate
  • Calore cogenerativo che può essere accumulato per i sistemi ad acqua calda all'interno dell'ospedale.

Le bollette energetiche e l'accordo per la struttura rappresentano davvero il punto di partenza per stabilire se questa opzione di risparmio di denaro è applicabile o meno. Per una progettazione corretta è necessaria la presenza di vari fattori:

  • Accesso all'infrastruttura di distribuzione del gas naturale
  • Una quota significativa della bolletta elettrica deve essere costituita dalla tariffa per la potenza impegnata. Questo è l'importo che può essere significativamente ridotto aggiungendo una turbina.
  • La dimensione della turbina deve tenere in considerazione il carico elettrico su base minima presente nella struttura. La turbina non garantirà livelli di efficienza se non viene gestita alla massima capacità.
  • Qualunque tipo di programma per la gestione della domanda di servizi di pubblica utilità definito con la società fornitrice in grado di sostenere le tariffe energetiche.

L'investimento iniziale per una turbina a gas naturale e ad alta efficienza può spaventare (i costi iniziali superano generalmente i 2 milioni di dollari). Ma valutando il ritorno sull'investimento dei propri clienti in base alla compensazione dei costi dei servizi pubblici e ai vantaggi della cogenerazione, si creerà un flusso di cassa positivo entro 3 o 4 anni e un recupero completo della somma investita entro 7 anni. Si tratta di un investimento a lungo termine che non interessa ad alcuni clienti. Tuttavia è opportuno fornire la valutazione ai clienti e lasciare che siano loro a decidere come spendere il proprio denaro. Noi siamo consulenti tecnici affidabili, non contabili. Il CFO del cliente potrebbe avere un punto di vista molto diverso sul corretto impiego delle risorse economiche.

Per ciò che mi riguarda personalmente, entrambi gli approcci si sono rivelati efficaci. Mi auguro che possiate adottare alcune delle soluzioni proposte nelle vostre prossime sessioni strategiche sul risparmio energetico con i vostri clienti.

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