Rinnovo impiantistico per una casa di riposo
Una rinnovata centrale tecnologica concepita per garantire efficienza energetica, contenimento dell'impatto ambientale e riduzione dei costi di gestione, grazie al razionale sfruttamento combinato di fonti rinnovabili, assimilate e recuperi.
Articolo pubblicato alle pagine 36-37 della rivista RCI n°7 - Luglio 2018
Fondato nel 1847 come Pia Istituzione Ospitale e Monte Pegni Morelli-Bugna, il Centro Servizi alla Persona “Casa di Riposo Morelli Bugna” di Villafranca di Verona è un’Istituzione Pubblica di Assistenza e Beneficenza, che eroga servizi di carattere socio-sanitario rivolti prevalentemente agli anziani, alle loro famiglie e alle reti relazionali nei quali sono inseriti. Oltre all’assistenza sociosanitaria, medica, infermieristica, fisioterapica, psicologica, logopedica e podologica, la casa di riposo mette a disposizione dei propri ospiti servizi alberghieri (residenza, ristorazione e bar, trasporto, lavanderia, igiene personale, ecc.) e attività ludico-ricreative, con l’obiettivo di valorizzare le persone anziane e mantenerne elevata la qualità della vita.
L’intervento di ristrutturazione attualmente in corso negli edifici a vocazione residenziale è stato preceduto dalla radicale riqualificazione della centrale tecnologica, finalizzata alla sostituzione delle apparecchiature preesistenti, obsolete e in precario stato di conservazione, con sistemi termomeccanici ed elettrici che esprimono lo stato dell’arte più avanzato in tema di impianti termomeccanici ed elettrici.
IL CONTESTO DELL’INTERVENTO
Situata nel centro della città, la sede aziendale è composta da diversi edifici fra loro eterogenei per epoca, tipologia e tecniche costruttive. Il complesso gravita attorno alla corte interna a giardino dello storico ex ospedale, un elegante fabbricato in stile neoclassico su due livelli che oggi accoglie il centro diurno. Gli spazi per gli ospiti residenti sono concentrati nella palazzina che prospetta il fronte stradale. Realizzata negli anni ’70, quest’ultima è composta da diversi corpi edificati (ali est, sud e ovest) che, a rotazione, sono attualmente interessati da un progetto di ristrutturazione finalizzato all'adeguamento statico, funzionale e tecnologico.
Le opere di riorganizzazione e riqualificazione degli ambienti sono finalizzate al miglioramento della qualità architettonica e del comfort degli spazi residenziali (ad esempio, mediante la realizzazione di camere a due posti letto), al conseguimento dei requisiti normativi necessari per garantire la continuazione dell’attività della casa di riposo e al contenimento dei costi di gestione.
Sono previsti fra l’altro:
Il rinforzo delle strutture portanti secondo criteri antisismici;
Il potenziamento dell’impianto antincendio (costruzione di una vasca di riserva idrica e delle linee di distribuzione dedicate);
l’esecuzione di opere per il contenimento dei consumi energetici (rivestimento delle facciate con cappotto termico, posa di pavimenti radianti per riscaldamento e raffrescamento, ecc.);
la realizzazione di un impianto per la distribuzione dell’ossigeno a scopi terapeutici, attestato su un nuovo deposito esterno.
Propedeutica alla ristrutturazione della casa di riposo, la riqualificazione della centrale tecnologica è stata condotta con limitatissimi interventi edili. Tutti gli impianti di nuova realizzazione sono caratterizzati da soluzioni mirate a garantire la sicurezza in caso di terremoto, mediante:
la realizzazione di supporti che assicurano il movimento solidale dei generatori e degli impianti con le strutture;
la minimizzazione degli sforzi diretti sulle tubazioni, fornendo flessibilità e gioco adeguati nei punti più sollecitati dalle forze sismiche;
l’eliminazione delle possibili interferenze causate da altri elementi e/o componenti che possano compromettere il funzionamento degli impianti.
I PROTAGONISTI DELL’IMPIANTO
Committente: Centro Servizi alla Persona – Casa di Riposo Morelli Bugna
Responsabile unico del procedimento: ing. Andrea Agosti
Nuova centrale tecnologica
Progetto impianti: T.E.S.I. Engineering, ing. Lorenzo Strauss, ing. Lorenzo Coser, ing. Alessandro Santuari
Ristrutturazione Ala sud
Progetto architettonico: Studio Kreos, arch. Claudio Tezza
Progetto impianti: T.E.S.I. Engineering
Progetto strutture: ing. Edoardo Ottoboni
Sicurezza: arch. Nicola Marchi
Antincendio: ing. Silvio Rudella
Validazione progetto: Studio Ingegneria Pivetta
Fornitori:
Sistema di regolazione: Sauter
Elettropompe: Grundfos
Cogeneratore: Viessmann
Caldaie: Hoval
Pompa di calore: Emicon
Refrigeratore esistente: Aermec
Torre di evaporazione esistente: Boldrocchi
Accumulo inerziale: IB Idrotermica
Bollitori ACS: TML Industrie Loddo
Scambiatori di calore: Alfa Laval
ing. Lorenzo Strauss ing. Lorenzo Coser
LA PAROLA AI PROGETTISTI
Abbiamo chiesto all'ing. Lorenzo Strauss e all'ing. Lorenzo Coser (T.E.S.I. Engineering) quali fattori hanno influenzato il percorso progettuale. «La situazione geologica e le prescrizioni degli strumenti di pianificazione territoriale hanno portato a escludere lo sfruttamento della fonte idrotermica (acqua di pozzo). Di conseguenza, le fonti energetiche utilizzate per fronteggiare la parte preponderante del fabbisogno energetico sono il gas metano, per la cogenerazione e la produzione di calore integrativa, e l’elettricità (autoprodotta e di rete), per la produzione del freddo. L’unica fonte rinnovabile utilizzata consiste nella sorgente aerotermica, mediante un’unità frigorifera reversibile. Abbiamo valutato positivamente l’abbinamento fra le tecnologie della cogenerazione e della pompa di calore, quest’ultima assimilata alle rinnovabili. A parità di potenza termica resa, se la pompa di calore sposta l’assorbimento della sorgente primaria dal gas all'elettricità, la cogenerazione comporta uno spostamento in senso opposto: la giustapposizione delle due tecnologie permette dunque di mantenere un opportuno equilibrio, con la pompa di calore che sfrutta l’elettricità generata dalla cogenerazione, ottimizzandone l’impiego e fornendo un insieme energeticamente efficiente. Le scelte progettuali circa le tecnologie da impiegare e le modalità di realizzazione hanno considerato:
le caratteristiche dei terminali presenti nei vari corpi di fabbrica, esistenti e previsti dai progetti di riqualificazione della casa di riposo;
la necessità di garantire l’erogazione dei fluidi e dell'ACS all'utenza, provvedendo all'installazione secondo un calendario basato sui periodi di non utilizzazione delle apparecchiature, attuando le necessarie predisposizioni per agevolare i collegamenti in tempi minimi;
il ricorso a tutte le precauzioni atte a evitare possibili interferenze con l’utenza, in termini di sicurezza e di eventuali disservizi (interruzione dell’alimentazione, rumori e vibrazioni, emissione di polveri, traffico veicolare, ecc.)».
Quali sono gli aspetti energetici più interessanti della soluzione di progetto? «Il nuovo assetto energetico è risultato di un’ottimizzazione dell’energia primaria eseguita per iterazioni successive. Le grandezze energetiche disponibili corrispondono a una sequenza gerarchica che rispetta il fabbisogno termofrigorifero, in ragione delle rispettive curve di durata. Analizzando la Tabella 2 (Ripartizione potenze ed energie: stato riqualificato) si evidenziano in particolare:
la produzione di una quota significativa del calore dall'insieme cogeneratore più pompa di calore;
il recupero termico gratuito estivo per il pre-riscaldamento sanitario, la cui rilevanza giustifica ampiamente la soluzione proposta;
l’utilizzo intensivo del cogeneratore che, sfruttando il regime di scambio sul posto, permette un sostanziale equilibrio tra la domanda e l'autoproduzione elettrica.
Raffrontando il fabbisogno termico di 497 kW (dispersioni 264 kW; ventilazione 232 kW) calcolato con il software di modellazione, la copertura del carico termico è garantita anche nel caso di disservizio di una delle apparecchiature di produzione calore (cogeneratore, pompa di calore). Per quanto invece riguarda il carico frigorifero, la potenza in raffreddamento del nuovo gruppo termofrigorifero, sommata a quella del refrigeratore acqua-acqua esistente, assicura la copertura del carico di punta estivo».
IL PROGETTO IMPIANTISTICO
Redatto da T.E.S.I. Engineering sotto il coordinamento dell'ing. Lorenzo Strauss, il progetto per il rinnovamento della centrale tecnologica è stato sviluppato e realizzato autonomamente rispetto alle opere per la riqualificazione dell’Ala sud e della casa di riposo, perseguendo i seguenti obiettivi:
incremento dell’efficienza energetica complessiva attraverso il razionale sfruttamento dell’energia;
riduzione del fabbisogno energetico, dell’impatto ambientale e dei costi energetici;
miglioramento del livello di affidabilità dell’intera centrale;
concentrazione in un unico sito delle apparecchiature per la generazione dei fluidi termovettori, con un’integrazione remota per la sola produzione frigorifera;
semplificazione dei processi di conduzione, controllo e manutenzione.
Particolare attenzione è stata posta ai recuperi energetici attraverso:
il ricorso a caldaie a condensazione, per sfruttare il calore latente presente nei prodotti della combustione del gas, estendendo lo stesso accorgimento anche al cogeneratore in virtù del suo utilizzo intensivo;
un desurriscaldatore integrato nella nuova unità frigorifera reversibile.
Per sfruttare al meglio le caratteristiche dei diversi generatori di calore sono previste:
l’alimentazione delle sezioni di recupero a condensazione delle caldaie, del cogeneratore e della pompa di calore, con il fluido di ritorno freddo;
l’alimentazione delle caldaie e della sezione ad alta temperatura del cogeneratore con il fluido di ritorno caldo;
l’inserzione in serie dei sistemi di generazione a bassa temperatura (pompa di calore, sezioni di recupero a condensazione) con le sezioni ad alta temperatura (porzione superiore dei gruppi termici, scambiatori ad alta temperatura del cogeneratore).
La produzione termica La nuova centrale tecnologica accoglie i seguenti generatori:
1 cogeneratore (Pin 210 kW; Pt 120 kW; Pe 70 kW);
2 caldaie a condensazione (potenze totali rese: 51÷636 kWt a 80/60 °C; 58÷700 kWt a 40/30 °C);
1 gruppo termofrigorifero acqua/aria reversibile in pompa di calore.
Il cogeneratore è di tipo preassemblato con motore pluricilindrico a combustione interna, alimentato a gas metano (ciclo Otto), direttamente accoppiato a un generatore sincrono trifase collegato in parallelo alla rete, in regime di scambio sul posto ma in grado di operare anche a isola. La regolazione del modulo è basata sull'inseguimento termico: gli scambiatori di calore a bordo macchina consentono il recupero del calore dal monoblocco (acqua di raffreddamento, olio lubrificante) e dai prodotti della combustione. In coda al recupero termico, uno scambiatore a condensazione con flussi in controcorrente porta i prodotti della combustione al di sotto del loro punto di rugiada, recuperando la quota di calore latente dei fumi. Le caldaie sono indipendenti, di tipo pressurizzato a fiamma passante, tubi da fumo, esecuzione verticale, elevato contenuto d’acqua e flussi in controcorrente. La combustione è affidata alla premiscelazione con bruciatore a irraggiamento con supporto metallico,che assicura un ampio campo di modulazione (17÷100%) grazie al regime di rotazione variabile del ventilatore.Come due delle caldaie preesistenti, anche le nuove condividono il condotto fumario. La regolazione di tipo climatico, con priorità per la produzione di acqua calda sanitaria e per il trattamento legionella, è gestita dal sistema di supervisione della centrale tecnologica.
Produzione frigorifera e accumulo Reversibile sul lato freon – perciò equipaggiato con valvola a quattro vie – il nuovo gruppo termofrigorifero è in esecuzione splittata, composto da:
unità motocondensante-evaporante interna (374 kWf a 7÷12 °C, con T esterna 35 °C; 339 kWt a 58÷53 °C con T esterna -10 °C), dotata di compressore volumetrico lubrificato semiermetico a vite, montato direttamente sullo scambiatore freon-acqua (lato utenza) in esecuzione a fascio tubiero;
unità evapo-condensante esterna (194 kWf, con T esterna 0 °C e T evap -10 °C; 490 kWt con T esterna -35 °C e T cond 50 °C), basata su 10 elettroventilatori elicoidali con girante accoppiata direttamente a motori elettrici, con regime di rotazione variabile per mezzo di un taglio di fase;
collegamento tra le unità con tubazioni per liquido e vapore e cavi elettrici di potenza e segnale. La modulazione continua della potenza è regolata da una valvola a cassetto, nel range 30÷100%.
Un desurriscaldatore, posto sul circuito frigorifero e collegato con il preriscaldatore dell’ACS, è destinato al recupero parziale del calore in regime estivo e invernale. L’efficienza del gruppo è migliorata da un economizzatore che ne consente l’efficace esercizio ad alta temperatura. Si tratta di un dispositivo di iniezione nel compressore di vapore, derivante dall'evaporazione di una quota parte del condensato parzialmente laminato, conseguente allo scambio termico con la rimanente quota di condensato, che viene sottoraffreddato aumentando l’effetto frigorifero. Nonostante l’ampio range della modulazione continua della pompa di calore, è stato previsto un accumulo inerziale opportunamente dimensionato (1.500 l) che, nei casi di funzionamento parzializzato al di sotto del minimo di parzializzazione previsto o di eccessiva oscillazione della temperatura del fluido termovettore, minimizza la frequenza dei cicli di accensione/spegnimento. L’accumulo svolge anche il ruolo di separatore idraulico fra il circuito primario e circuiti terminali, oltre che di collegamento con il refrigeratore acqua-acqua preesistente, posto al piano interrato della casa di riposo e mantenuto in servizio, che opera nella sola modalità di refrigerazione (292 kWf) con l’ausilio di una torre di evaporazione. Per sfruttare adeguatamente l’accumulo, evitando ricircolazioni e miscelazioni interne, è stata prevista una connessione con la derivazione della mandata tra il serbatoio stesso e il gruppo termofrigorifero. Per non compromettere la corretta stratificazione dell’acqua, una valvola a 4 vie consente l’inversione dei punti di prelievo e mandata da e verso lo stoccaggio, mentre la connessione del refrigeratore esistente è prevista stabilmente nella modalità di accumulo di acqua refrigerata.
Aspetti energetici Il progetto ha previsto la dismissione di tutti i generatori termici (3 caldaie a gas metano, potenza complessiva 1.848 kWt), installati nella centrale tecnologica preesistente, e di 4 dei 5 gruppi frigoriferi esistenti (800 kWf complessivi), distribuiti in diversi punti della casa di riposo. La Tabella 1 riassume le grandezze precedenti l’intervento.
Il nuovo sistema impiantistico è di tipo misto e comprende:
una centrale tecnologica unica, termofrigorifera e per la cogenerazione, situata in un locale dedicato fuori terra e adiacente all'edificio residenziale;
la produzione distribuita dei fluidi refrigerati, mediante 2 gruppi frigoriferi situati nella centrale e negli interrati della casa di riposo.
La Tabella 2 descrive le grandezze del progetto di riqualificazione energetica.
Circuiti di distribuzione e ACS I circuiti utilizzatori dell’acqua calda e refrigerata fanno capo a collettori di distribuzione di mandata e ritorno, entrambi suddivisi in tre sezioni: calda (batterie “calde” delle UTA, termoarredi, cucina, ecc.), mista (per l’alimentazione delle utenze a 2 tubi come i pavimenti radianti) e fredda (batterie “fredde” delle UTA). La commutazione stagionale è affidata alla manovra delle valvole presenti sui collettori, in corrispondenza della separazione tra le sezioni. Le utenze termiche sono ordinate in relazione alla temperatura di utilizzazione, in modo da poter derivare dal collettore due tubazioni separate per il ritorno caldo e freddo, quest’ultimo destinato alle fonti di generazione termica che beneficiano di un sensibile incremento di efficienza se alimentate a bassa temperatura. La produzione dell'ACS è demandata a 2 preparatori cilindrici verticali (1.500 l ciascuno), distinti per il funzionamento ad alta e a bassa temperatura. Manovrando un apposito set di valvole, i bollitori possono funzionare in serie e controcorrente, in parallelo e l’uno di scorta all'altro. Il preparatore ad alta temperatura è dotato di uno scambiatore di calore esterno, a piastre, alimentato dalla porzione ad alta temperatura del collettore caldo. Nella parte inferiore, il preparatore a bassa temperatura è invece equipaggiato con un serpentino alimentato durante l’intero arco dell’anno dal recupero termico del desurriscaldatore, per beneficiare della maggiore temperatura di produzione disponibile sulla pompa di calore nella prima fase di raffreddamento dopo la compressione. L’effettuazione periodica del trattamento di disinfezione antilegionella è demandato all'apertura della valvola, dotata di attuatore, che consente la messa in parallelo dei due preparatori. Questa procedura presuppone inoltre:
l’attivazione dei gruppi termici con set point elevato a temperatura di disinfezione;
l’attivazione delle pompe sui lati primario e secondario dello scambiatore di riscaldamento del sistema di produzione ACS;
l’attivazione delle pompe di ricircolo;
il bypass del miscelatore termostatico.
Sequenza delle operazioni Durato complessivamente 150 giorni, l’intervento ha interessato prevalentemente la centrale tecnologica e la sua copertura ed è stato completato dalla realizzazione delle dorsali di distribuzione al servizio della casa di riposo, dirette all'edificio residenziale e alla sottostazione nord. Ecco, in sintesi, le operazioni effettuate:
rimozione delle apparecchiature esistenti nella centrale e installazione delle nuove apparecchiature e reti, anche sulla copertura, secondo una sequenza logica delle lavorazioni estesa al primo semestre dell’anno solare, a cavallo fra la stagione fredda e calda, per garantire continuità ai servizi tecnologici con il procedere dei lavori;
posa delle nuove linee interrate per l’acqua refrigerata, tra la centrale e la sottostazione;
installazione delle nuove linee nell'interrato dell’edificio, tra la centrale tecnologica e il cavedio interno, come predisposizione per i futuri lavori di ristrutturazione;
realizzazione degli impianto elettrico e di regolazione, controllo e supervisione al servizio degli impianti installati.
Opere elettriche L’impianto elettrico al servizio dell’alternatore sincrono del cogeneratore (potenza nominale 80 kWe; potenza effettiva 70 kWe) è collegato in parallelo alla rete MT della casa di riposo e presenta i seguenti parametri operativi:
tensione di fornitura 20 kV a 50 Hz trifase;
tensione alternatore 400 V a 50 Hz;
corrente di corto-circuito stimata 23 A a 20 kV;
distribuzione elettrica servizi ausiliari 400 V 3F+N (TN-S).
A supporto del cogeneratore sono stati installati ex novo:
il regolatore elettronico di tensione e cos ;
il sistema unico di protezione di interfaccia CEI 0-16 (dispositivo di interfaccia e di generatore, protezione di interfaccia, dispositivo di rincalzo);
un gruppo di misura dell’energia prodotta;
l’arresto di emergenza, anche tramite collegamento al pulsante di sgancio della centrale.
Il sistema di protezione generale conforme DK5600 e il gruppo di misura bidirezionale dell’energia (acquistata e immessa in rete) sono stati riutilizzati. Il neutro è stato messo a terra tramite impedenza nel dispersore esistente. Per l’alimentazione elettrica dell’impianto termomeccanico sono stati realizzati ex novo:
dorsale per l’alimentazione del quadro elettrico della pompa di calore e del cogeneratore, a partire dal quadro elettrico generale BT;
dorsale per l’alimentazione del quadro elettrico della centrale;
quadri elettrici al servizio della centrale e delle apparecchiature, con relativi linee e collegamenti;
collegamento e configurazione delle apparecchiature di controllo e gestione dell’impianto di climatizzazione.
Regolazione, controllo e supervisione La corretta ed efficiente conduzione degli impianti termofrigoriferi, idraulici ed elettrici è garantita da un sistema di supervisione con compensazione climatica, che acquisisce i segnali provenienti dalle sonde in campo (temperatura dell’acqua, dell’aria esterna, dei fumi, ecc.) modulando le temperature di mandata in funzione di quella esterna. I software di gestione degli impianti sono memorizzati nei controllori remoti e possono essere modificati direttamente dalla stazione di supervisione.
Le principali funzioni mirate al contenimento dei consumi energetici comprendono:
orario/calendario (accensione, spegnimento e attenuazione a seconda delle fasce orarie impostate);
ottimizzazione delle pre-accensioni e dei pre-spegnimenti;
algoritmi di regolazione (proporzionale, integrale, derivativo) per il controllo delle apparecchiature modulanti, con regolazione a punto fisso/climatico dei generatori termofrigoriferi e dei circuiti fluidi, per il controllo termoigrometrico;
comando in sequenza degli organi di regolazione (comprese le regolazioni in cascata);
commutazione o modulazione del regime di funzionamento, per le elettropompe a più velocità (con attenuazioni nei periodi di carico ridotto e inserzione progressiva bassa-alta velocità) o a velocità variabile;
inserzione a gradini dei sistemi di circolazione a più gruppi in parallelo (con attenuazioni nei periodi di carico ridotto e inserzione progressiva bassa-alta velocità) e loro rotazione ciclica periodica delle priorità;
esecuzione di funzioni di blocco di sicurezza;
funzioni delle attivazioni periodiche (algoritmi semplici antibloccaggio di organi motorizzati, procedure complesse di disinfezione combinate con attivazioni termiche o additivazioni chimiche, ecc.);
inserzione differita dei carichi elettrici per sfasare i picchi di assorbimento derivanti dagli spunti;
protezioni antigelo (inserzioni delle pompe di circolazione, attivazione forzata dei gruppi termici);
gestione degli allarmi con classificazione in vari livelli di importanza e reazioni diversificate, più segnalazione della natura dell’allarme.
La verifica e la misurazione degli effetti delle azioni di riqualificazione intraprese dal progetto è demandata ai nuovi sistemi di contabilizzazione installati, anche per quanto attiene i flussi di energia termica, frigorifera ed elettrica, nell'ottica della programmazione di percorsi di sviluppo e incremento dell’efficienza.
