L’ospedale Cantonale di Lucerna (LUKS) è il più grande ospedale non universitario della Svizzera. Le sue cliniche e istituti offrono prestazioni mediche di alta qualità: diagnostica completa ed un elevato standard di servizi medici per patologie gravi, per tutto il giorno. Come recita il motto: “Il benessere dei nostri pazienti è sempre la nostra preoccupazione principale. Ed è una promessa”.

Ci sono 5600 dipendenti che si prendono cura del benessere dei pazienti: in un bacino di utenza di 500.000 abitanti, ogni anno sono circa 36.000 i degenti e 148.000 i pazienti ambulatoriali, per i quali sono disponibili 900 posti letto per patologie gravi. L’ospedale LUKS è una struttura universitaria accademica e si impegna a seguire i canoni della medicina basata sulla scienza. Molti dei membri dello staff responsabili della clinica e dell’istituto svolgono sia lavoro clinico che scientifico e i loro pazienti beneficiano di personale qualificato e proveniente da realtà sia nazionali che internazionali.

L’ospedale LUKS svolge anche un ruolo importante come centro di formazione per la maggior parte delle professioni impiegate nel sistema sanitario pubblico, offrendo non meno di 1400 opportunità di apprendistato.

I moderni centri di tecnologia medica e informatica devono disporre per tutto il giorno di una grande capacità di refrigerazione. Poiché sempre più consumatori si collegavano ai sistemi di refrigerazione dell’Ospedale Cantonale di Lucerna, a volte, in estate, la capacità esistente era insufficiente e si decise di installare gruppi frigoriferi più potenti. A sorpresa, il responsabile incaricato per eseguire l’analisi tecnica giunse a una conclusione diversa: una soluzione migliore e molto più economica era quella di installare nella rete di refrigerazione esistente controlli autoregolanti per il bilanciamento idronico.

Maggiore capacità di refrigerazione

Gli edifici utilizzati per un lungo periodo di tempo soffrono quasi sempre degli stessi problemi: le camere sono destinate a usi diversi, le estensioni e le modifiche non sono ben documentate e l’infrastruttura tecnica non viene aggiornata per gestire nuovi requisiti. Alla fine la tecnologia prescelta che era stata faticosamente messa a punto si rivela seriamente inadeguata e occorre trovare un nuovo equilibrio.

Questo è quello che è successo all’Ospedale Cantonale di Lucerna: col passare degli anni, la richiesta di una maggiore capacità di refrigerazione è aumentata sempre di più. Il dipartimento dei servizi tecnici dell’ospedale ha modificato ripetutamente l’impianto di refrigerazione per far fronte alle nuove esigenze, espandendo anche la rete di tubazioni esistente, ad esempio aumentando la capacità delle connessioni principali (principio di funzionamento a tre linee). Sue due utenze  (il Laboratorio Medico Sterilog e la Clinica Oculistica), sono state utilizzate pompe aggiuntive per garantire  la fornitura del carico richiesto.

Il bilanciamento idronico della rete di distribuzione veniva ottenuto utilizzando valvole di regolazione manuali o serrande; in seguito è stato scoperto che la maggior parte della tecnologia di controllo non era stata regolata correttamente. Infine, in estate, quando le temperature esterne salivano oltre i 26°C ed un certo numero di utenti  si lamentava del disagio, diventava evidente come fosse necessario intervenire con urgenza per risolvere la situazione.

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La sfida

Una rete di refrigerazione complessa che si è sviluppata in un periodo di 30 anni, i cui parametri sono in gran parte sconosciuti. Chiaro è che il sistema è inefficiente e potrebbe non essere in grado di fornire acqua fredda a tutte le utenze ogni volta che la temperatura esterna supera i 26°C. Un altro fatto noto è il suo elevato consumo energetico.

Ci sono quattro pompe installate per distribuire acqua fredda dall’unità di refrigerazione. La più piccola di queste è usata in inverno. Durante l’estate, le tre pompe più grandi vengono aggiunte e le loro velocità regolate in base alla richiesta. La distribuzione della capacità di refrigerazione è divisa in quattro sbocchi principali dal centro di controllo: stazione di ventilazione 1 (casa 31); Stazione di ventilazione 2 (casa 31); Distribuzione Est [ultimo consumatore: Ospedale dei Bambini (casa 33)]; Distribuzione Ovest [ultimi consumatori: Laboratorio Medico Sterilog (casa 16) e Psichiatria (casa 11)].

Approccio

L’Ospedale Cantonale di Lucerna ha incaricato i consulenti tecnici di Wirthensohn AG di analizzare la situazione. La situazione di partenza  non era per nulla semplice: non c’era una panoramica schematica della rete di distribuzione della refrigerazione che ne indicasse la capacità e c’era solo una panoramica del sito che mostrava la disposizione delle tubazioni. Per questo motivo, Wirthensohn ha prima redatto uno schema della distribuzione per l’intero sito, sulla base dei documenti esistenti, poi ha determinato anche le esigenze di tutti i consumatori.

I risultati di questa analisi? una capacità di refrigerazione totale di 4700 kW (due unità di refrigerazione degli adsorbitori più un turbocompressore) per un fabbisogno di refrigerazione di 6900 kW. Ne consegue che la capacità esistente può fornire il livello richiesto di refrigerazione con una simultaneità fino al 70%, basata su una presunta temperatura esterna di 30°C.

I consulenti tecnici di Wirthensohn hanno quindi concluso che il sistema esistente sarebbe stato sufficiente per soddisfare completamente le richieste di carico  per tutto l’anno, tranne alcuni giorni. Tuttavia, ciò è dovuto a un distribuzione non ottimale dell’acqua proveniente dal sistema di refrigerazione. Hanno stabilito che il problema principale fosse la mancanza di bilanciamento idronico sull’intero sistema di distribuzione della refrigerazione, che non si poteva garantire utilizzando la tecnologia di controllo statico esistente. Pertanto, Wirthensohn ha raccomandato l’implementazione di un sistema di bilanciamento idronico all’avanguardia, con la convinzione che solo il bilanciamento idronico potesse garantire una distribuzione ottimale dell’acqua refrigerata.

I tecnici ingegneri di Danfoss, in collaborazione con Wirthensohn, hanno quindi analizzato la capacità di refrigerazione e hanno specificato le posizioni e le prestazioni dei controllori necessari.

L’installazione di 33 Danfoss AFP VFG all’Ospedale di Lucerna

La soluzione: bilanciamento idronico dinamico

Che cos’è il bilanciamento idronico e perché è così straordinariamente importante?

L’acqua scorre attraverso una rete di distribuzione (riscaldamento o raffreddamento) secondo il principio di minor resistenza. Se non c’è un bilanciamento idronico, i terminali più vicini  all’unità di refrigerazione saranno favoriti , mentre i temrinali  più lontani  saranno svantaggiati  a causa della maggiore resistenza delle tubazioni.

Il bilanciamento idronico distribuisce l’acqua in modo uniforme in tutta la rete:

– Tutti terminali ricevono la giusta quantità di acqua e quindi anche la capacità di carico richiesta
– I differenziali di temperatura tra le utenze saranno quindi corrette e lo saranno anche le temperature di ritorno
– Se l’acqua di ritorno ha la temperatura »giusta», il sistema di refrigerazione funzionerà in modo ottimale e raggiungerà le massime prestazioni
– Il fatto che all’tenza arrivi solo l’acqua effettivamente necessaria riduce la potenza necessaria per il pompaggio.

Il bilanciamento idronico richiede l’installazione di specifiche resistenze idrauliche aggiuntive, che possono essere dispositivi di controllo statici o dinamici.

Qual è la differenza?

Regolatori manuali: i dispositivi di controllo manuale includono serrande, valvole, ecc. Tali raccordi possono essere utilizzati per regolare una resistenza fissa, la regolazione viene determinata da un preciso calcolo della perdita di pressione. Lo svantaggio: se il sistema viene esteso o modificato, tutte le impostazioni della valvola dovranno essere ricalcolate e configurate nuovamente.

Controllori autoregolanti

Questi rispondono dinamicamente alle mutevoli condizioni di pressione nel sistema. La loro resistenza è regolata misurando la pressione e usandola (con una molla come fonte di energia ausiliaria) per regolare la valvola di regolazione integrata. La forza esercitata dalla molla viene regolata in base al volume d’acqua desiderato e alla pressione richiesta alla connessione specifica. Per determinare questa forza serve solo conoscere  il volume di progetto desiderato di acqua e la perdita di pressione tra il punto di installazione della valvola e il terminale.

– La pressione della pompa viene mantenuta dinamicamente costante all’interno della rete (con i dispositivi di controllo statici, la pressione della pompa è corretta solo per il volume massimo di acqua). Le valvole di regolazione motorizzate dei consumatori si comportano quindi in modo ottimale, anche durante il funzionamento a carico parziale.
– Il sistema può reagire immediatamente alle variazioni di pressione all’interno del sistema (ad esempio, quando un terminale confinante si inserisce o disinserisce).
– Quando il sistema è esteso, non è necessario regolare nuovamente le valvole.
– La portata massima in uscita può essere regolata in modo tale che nessun terminale sia favorito.
– Le impostazioni sono più facili da determinare.

Inoltre, l’utilizzo del controllo differenziale della pressione riduce la portata a carico parziale, che a sua volta riduce il consumo energetico della pompa. L’ottimizzazione del funzionamento a carico parziale migliora anche il comportamento del Δt del sistema (rapporto costante tra le temperature di mandata e di ritorno), che ha un effetto favorevole sul coefficiente di prestazione del refrigeratore (COP).

Il risultato

I dati relativi al sistema attuale sono stati registrati nell’estate del 2010. Sulla base di tale dati, sono stati installati 33 controllori Danfoss AFP VFG2 con diametro nominale da DN 25 a DN 150. Il bilanciamento idronico è stato effettuato nell’inverno 2011/2012 e si è potuto verificarlo mediante misurazioni effettuate nell’estate 2012. Confrontando i dati prima e dopo, è emerso che era possibile risparmiare il 20% dei costi energetici senza sostituire i gruppi frigoriferi esistenti!

Il costo di ristrutturazione della rete idronica verrà ammortizzato in pochi anni grazie ad una significativa riduzione dei costi operativi. Il dipartimento dei servizi tecnici dell’Ospedale Cantonale di Lucerna ci informa che nel 2012, per la prima volta, non si sono verificati problemi di condizionamento con  temperature esterne superiori a 26°C.

Panoramica dell’installazione

Sono stati installati 33 controllori Danfoss AFP VFG2 con diametro nominale da DN25 a 150.  Il controller AFP VFG2 è una valvola di controllo proporzionale ad azione diretta che controlla la pressione differenziale e non ha bisogno di alimentazione esterna. La valvola di controllo automatica è normalmente aperta, e si chiude all’aumentare della pressione differenziale. È costituito da una valvola di regolazione bilanciata (connessione flangiata) più un attuatore con membrana rinforzata e una molla a set-point per la regolazione del valore prefissato della pressione differenziale.

Puoi trovare ulteriori riferimenti di Danfoss e testimonianze su danfoss.com


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