Elettrificare per decarbonizzare: si può fare, anche nelle strutture sanitarie.

Gli edifici ospedalieri svolgono un ruolo fondamentale nelle comunità di tutto il mondo. Sono anche tra le strutture a maggiore intensità di carbonio, per l’ampio e continuo fabbisogno energetico e per la impegnativa dimensione costruttiva.

Italia | martedì 9 gennaio 2024
Tempo di lettura : 10 minuti

Natura, paesaggio, luce sono sempre più richiesti nei nuovi progetti come elementi del processo terapeutico; oggi é possibile fare il passo successivo, riconoscendo che una struttura a basse emissioni è non solo più sostenibile ma anche per molti aspetti più sana, per pazienti operatori e l’intera comunità.

Soluzioni innovative riguardo l’efficienza energetica, le fonti rinnovabili, i fattori ambientali, illuminazione e aerazione possono rappresentare contributi fondamentali alla sostenibilità di tutti i grandi edifici civili nel tempo. Inoltre è oggi possibile puntare al Net Zero [1] saltando stadi di più o meno teorica neutralità emissiva. Come in altri settori, la leva primaria per ottenere tale risultato è l’elettrificazione, limitando fino ad eliminare l’utilizzo di combustibili fossili.

Raccontiamo nel seguito come un cambio di paradigma così articolato e importante possa essere effettivamente perseguito oggi, a patto di innovare l’approccio progettuale per renderlo pronto al futuro: dalle fasi distinte e sequenziali a un approccio olistico, basato sulla collaborazione di squadra tra specialisti dalle fasi iniziali, abilitata dalle tecnologie disponibili – BIM, IoT, simulazioni etc. – e fuori dalla bolla, rimanendo in dialogo con tutti i portatori di interesse; lo raccontiamo mediante una serie di esempi di progetti WSP relativi a strutture sanitarie in tutto il mondo.

Il primo grande ospedale 100% elettrico degli Usa

Il nuovo University of California Health Center a Irvine, California sarà una struttura specialistica situata nel campus della Orange County. Fornirà trattamenti di pronto soccorso, terapie per il cancro e altre cure specialistiche, dalle neuroscienze all'ortopedia, in connessione coi Centri di Ricerca dell'Università. L’obiettivo progettuale iniziale era puntare alla neutralità emissiva entro il 2025 [1]; WSP ha mostrato che era possibile fare un ulteriore passo, eliminando da subito i combustibili fossili nel normale esercizio [2], per realizzare il primo ospedale completamente elettrico degli Stati Uniti.
L’ospedale sarà alimentato da elettricità di rete prodotta da fonti rinnovabili, integrata con produzione in loco da pannelli fotovoltaici installati sulle coperture dei parcheggi. Una centrale di distribuzione elettrica dedicata fornirà energia ai sistemi di riscaldamento e raffrescamento. Verranno inoltre installate una serie di caldaie a vapore alimentate da elettricità, decentrate in ciascuna area di utilizzo per mitigare i rischi in caso di terremoto. Dovendo fare i conti con la rete elettrica sottodimensionata della California, l’impianto sarà ridondante e affiancato, a norma di legge, da un sistema di generazione elettrica d’emergenza tradizionale dotato di quattro generatori diesel.
“Ciò che è stato davvero coinvolgente in questo progetto è stato essere in grado di realizzare l’obiettivo di fornire sistemi di riscaldamento e di generazione di vapore completamente elettrici. Avremmo voluto farlo ma non pensavamo fosse possibile oggi.” - Roger Carter, Preside UCI, ingegnere meccanico.
Un ulteriore aspetto progettuale qualificante é l’intento di includere la natura e l’aria aperta nel processo di guarigione. A tale scopo il progetto ha inserito le strutture del centro medico in un contesto naturale, prevedendo facciate che offrano viste sul paesaggio da tutte le parti dell'edificio; gli esperti di WSP hanno condiviso un processo progettuale altamente collaborativo e integrato con proprietari, medici, architetti, specialisti e costruttori che ha incoraggiato e facilitato le innovazioni.

Pianificazione moderna degli obiettivi progettuali in Canada

Il South Niagara Hospital a Niagara Falls, nello Stato canadese dell’Ontario, sarà un ospedale edificato su un’area di 12 ettari che offrirà servizi per le esigenze crescenti della popolazione sempre più anziana dell’area. I lavori sono iniziati nel luglio 2023 e dovrebbero essere completati entro il 2028.
La Committente Niagara Health desiderava superare i requisiti energetico-ambientali minimi richiesti dalla legislazione statale – la certificazione LEED Silver – per raggiungere una maggiore resilienza ai cambiamenti climatici [3] e ottenere la prima struttura sanitaria canadese certificata WELL, quindi un edificio non solo sostenibile ma dagli impatti positivi sul benessere delle persone che ci vivono.
Uno dei ruoli di WSP in fase di pianificazione é stato di fissare gli obiettivi prestazionali di progetto e costruzione e di quantificarli: grazie alle tecnologie digitali sarà possibile monitorare tali parametri in modo continuo e digitalizzato durante le fasi costruttive e nell’esercizio. Gli esperti di WSP hanno affiancato gli input ottenuti dagli studi di impatto ambientale, elaborati mediante coinvolgimento di tutti i portatori di interesse, all’analisi del ciclo di vita e altre valutazioni, per stabilire le priorità e definire obiettivi quantitativi conseguenti, raccomandando un insieme di misure.
Sarà la prima struttura sanitaria dello Stato con un obiettivo fissato di intensità di gas serra e l’uso di energia rinnovabile al 25% crescente fino al 30%, con quota di generazione fotovoltaica in loco. Inoltre é stato fissato un ambizioso livello EUI (Energy Use Intensity) [4] rispetto agli standard correnti, riducendo i consumi senza compromettere i livelli minimi richiesti e il comfort, ad esempio prevedendo un migliore isolamento termico dell’involucro, affiancato da un sistema di ricircolo d’aria dedicato con recupero di calore e controlli digitali continui sui livelli di ventilazione basati sulle presenze effettive. Anche l’uso di acqua sarà monitorato, con obiettivi stabiliti di riduzione dei consumi. Un'altra novità è l'obiettivo di ridurre del 10% il carbonio incorporato nei materiali da costruzione [5].

Decarbonizzare strutture ospedaliere esistenti

La Fondazione NHS che gestisce il Royal United Hospital di Bath in Inghilterra, esteso 21 ettari con 750 posti letto e 5.500 persone di staff, ha chiesto a WSP di sviluppare per la struttura una strategia energetica sostenibile negli anni a venire, con obiettivo emissioni zero. Ciò ha comportato l’esplorazione di scenari per ridurre la domanda di energia, massimizzare la generazione mediante rinnovabili in loco e l’elettrificazione degli impianti per la generazione di calore, il tutto in bilancio coi vincoli posti da una struttura esistente, dalle limitazioni dell’approvvigionamento energetico e dagli standard di sicurezza operativa.
Uno dei punti primari di intervento identificati è il sistema di riscaldamento dell’acqua e la generazione di vapore [2]. A seguito di analisi rigorose sull’efficienza energetica é stato deciso di procedere con l’elettrificazione delle sorgenti di calore, eliminando le caldaie a gas o carbone e progettando un nuovo centro energetico con pompe di calore ad aria come fonte principale, integrate da accumulo termico, da caldaie elettriche di riserva e da nuove caldaie a gas predisposte per l’idrogeno come fonte terziaria per i picchi di domanda e per avere a disposizione una fonte di calore d’emergenza robusta.
Ciò comporterà un abbattimento del 65% delle emissioni annuali di carbonio, una volta decarbonizzata la fornitura elettrica da Rete che è in progresso; la domanda di elettricità esterna verrà comunque ridotta man mano che verranno implementate riduzioni della domanda e la generazione in loco [4].
Per età, complessità e dimensioni della struttura, il progetto é parte di una più ampia strategia immobiliare; WSP ha fornito elementi cruciali per agevolare l’ottenimendo di finanziamenti, basati sulle varie misure di decarbonizzazione previste dal progetto, presentati come pilastri di una strategia di sostenibilità finanziaria nel lungo termine [6].

Energy Use Intensity ridotta partendo dall’involucro

L'ospedale multispecialistico avanzato Roha ad Addis Abeba in Etiopia comprenderà 350 posti letto. WSP ha sviluppato i servizi progettuali civili, strutturali, elettrici, meccanici, antincendio, idraulici e la consulenza sulla sostenibilità.
Il concept architetturale prevedeva una facciata prevalentemente in vetro ma gli specialisti WSP hanno spinto per un incremento del rapporto opaco-trasparente, al fine di ridurre al minimo il guadagno solare, quindi i carichi di raffreddamento senza detrimento per il comfort, supportando la proposta con studi e modellazioni termiche. Oltre a tale accorgimento, è stato proposto un sistema di controllo della temperatura dell’edificio attraverso un sistema termicamente attivo (TABS). Si tratta di tubi d'acqua calda o fredda annegati nell’involucro: ciò migliora la capacità della massa termica del calcestruzzo di mitigare le temperature estreme, assorbendo e rilasciando calore.
In modalità raffrescamento, i TABS utilizzano acqua a temperature meno fredde rispetto a un sistema di condizionamento convenzionale, consentendo maggiore efficienza e minori consumi. Sistemi di ventilazione che usano l’aria esterna verranno utilizzati per soddisfare la domanda aggiuntiva di raffrescamento e per mantenere l’umidità e i tassi di ricambio dell’aria in linea con gli standard internazionali [4]. Sia i TABS che il sistema di ventilazione ambientale saranno alimentati da pompe di calore ad aria, il recupero del calore fornirà quote extra di riscaldamento gratuito.
Anche qui la direzione è la elettrificazione spinta, affiancata dalla produzione fotovoltaica in loco, in linea con la strategia di decarbonizzazione dell’ospedale, riducendo sia la domanda energetica complessiva che attenuando i picchi di carico, con risparmi sui costi operativi e di manutenzione. Grazie a tali misure l'ospedale, la cui apertura è prevista per il 2025, sarà certificato EDGE, standard di efficienza energetico ambientale sviluppato da IFC, International Finance Corporation, ente erogatore dei fondi per l’investimento.

Il primo grande ospedale completamente elettrico in Australia

Il New Women’s and Children’s Hospital di Adelaide, grande progetto di sviluppo ospedaliero australiano, 25% di posti letto in più della struttura esistente, sarà realizzato entro il 2030 e il lavori partiranno nel 2024. L’ospedale sarà elettrificato al 100%: Il governo locale stima che ciò eviterà l’emissione di circa 2.100 tonnellate di gas serra all’anno, equivalente a togliere dalla strada circa 700 veicoli.
L’ospedale non verrà collegato alla rete urbana del gas; esso sarà alimentato interamente dall’elettricità, eliminando l’uso di combustibili fossili, decisione che risponde a una precisa strategia di sostenibilità finanziaria sul medio e lungo periodo [6]. L’elettricità necessaria proverrà dalla rete in rapida decarbonizzazione dell’Australia Meridionale – lo stato é impegnato a raggiungere il 100% di erogazione d’energia da fonti rinnovabili entro il 2030 – e dalla propria capacità di generazione elettrica rinnovabile e di stoccaggio in loco.
WSP è alla guida del consorzio che sviluppa il masterplan e il progetto di fattibiità, coprendo gli elementi di sostenibilità, progettazione strutturale, servizi civili e specialistici. Il team ha prodotto la valutazione di fattibilità per supportare la decisione di passare 100% all’elettrico. Stiamo anche studiando l’adozione di materiali da costruzione a basso contenuto di carbonio incorporato [5] e disposizioni di facciate per fornire agli utenti dell'edificio il massimo accesso possibile alla luce del giorno e al godimento del paesaggio [4]. Si sta anche valutando per quali impieghi e con quale sicurezza sia possibile fornire acqua per usi non potabili dalla raccolta dell’acqua piovana e dall’acqua riciclata.
Si può inoltre modellare l’acqua della falda e usarla per il raffrescamento; una ulteriore modellazione, quella energetica dell'intero complesso, é fondamentale per definire una strategia di efficienza energetica. Si tratta di studi correntemente effettuati anche da specialisti di WSP Italia in alcuni progetti di grandi edifici.

L’articolo è una sintesi tradotta e adattata del white paper WSP “Healthcare beyond carbon – Exploring nine healthcare systems’ journeys to net zero”, coordinato da Anysha Mayor, UK e Kevin Cassidy, Canada in collaborazione con le Comunità Tecniche Healhcare WSP in Europa, Americhe, Africa, Asia e Australia.

[1]: La neutralità delle emissioni di CO2 comporta che qualsiasi emissione debba essere “compensata” da una pari quantità di carbonio assorbito altrove. Si potrebbe in teoria acquistare una quantità di compensazioni equivalente alle proprie emissioni di CO2 per portare il totale complessivo a zero. Il net-zero, come definito dalla Science-Based Targets Initiative, richiede invece che le emissioni di carbonio siano ridotte il più possibile (del 90% o più) rispetto a un livello di riferimento, e solo allora é consentito l’acquisto di compensazioni – da valutare se più o meno remote, più o meno efficaci, più o meno “etiche”.

[2]: La riduzione dell’uso di combustibili fossili - La fonte principale oggi utilizzata per il riscaldamento dei complessi ospedalieri sono caldaie alimentate da gas naturale, sovente utilizzato anche per generare elettricità da sistemi combinati calore-elettricità (CHP). Queste generano centralmente vapore ad alta temperatura, 120° e oltre, e lo distribuiscono agli edifici. Aldilà delle emissioni, non si tratta di un sistema molto efficiente: un'alta percentuale di calore viene disperso. Le pompe di calore possono lavorare a 45°, minimizzando le perdite e aumentando l’efficienza. La produzione di certa quantità di vapore è comunque necessaria per la sterilizzazione delle apparecchiature e strumenti medici da riutilizzare. Il gasolio é utilizzato come tipica fonte di combustibile di riserva per i generatori d’emergenza.

[3]: Resilienza agli effetti delle variazioni climatiche - La priorità delle strutture sanitarie é garantire l’operatività h24x7; é quindi essenziale prevedere la robustezza e accessibilità delle strutture e degli impianti sia rispetto ad eventi critici “tradizionali” (terremoti, blackout etc.) ma anche rispetto a quelli “moderni” sempre più frequenti, legati alle variazioni climatiche: come ad esempio l’esposizione a periodi di siccità prolungata o la resilienza ad alluvioni ed eventi atmosferici estremi. Come si va imponendo in tutte le infrastrutture civili strategiche in tutto il Mondo, é fondamentale che anche per gli ospedali siano previste misure dell’impatto di eventi estremi e predisposti protocolli e soluzioni per i casi d’emergenza.

[4] La riduzione della Energy Use Intensity ( EUI) – EUI é l’indicatore di efficienza energetica, si riferisce alla quantità di energia consumata dall'edificio in un anno divisa per la superficie lorda totale. Viene fissato da scelte progettuali iniziali, ad esempio relative alla forma dell'edificio e all'orientamento rispetto al sole. Anche le scelte relative a impianti e sistemi influenzano l’indicatore: spazi ad alta intensità di illuminazione e attrezzature presentano una maggiore domanda di raffrescamento, aumentando la EUI complessiva. Un ulteriore contributo arriva dalla tipologia delle facciate: nei casi di edifici vecchi o di progetti inadeguati, c’è alta probabilità di elevati tassi di perdita della temperatura ideale e di inefficienza energetica; di converso, l’effetto terapico della luce naturale e della vista vanno tenuti in considerazione. Un fattore significativo per la EUI in ambito ospedaliero sono i tassi di ventilazione e ricambio d’aria richiesti. Ciò aumenta notevolmente la domanda di energia. L’attenzione alla qualità dell'aria come parte di un ambiente curativo e per la prevenzione delle infezioni, ha portato all'uso di una maggiore proporzione di aria dall’esterno da filtrare, riscaldare o raffreddare. Una sala operatoria può richiedere 20 ricambi d'aria all'ora (ACH). I requisiti tipici ACH sono sei, due dei quali al 100% di aria esterna.

[5]: Riduzione del carbonio incorporato - Molti regolamenti edilizi nazionali si sono dotati di norme per la conservazione del calore e l’abbassamento dei consumi di energia: sono i modi principali con cui ridurre le emissioni di CO2 nel corso dell’esercizio, o carbonio operativo. Il cd. carbonio incorporato invece rappresenta la quota di emissioni di CO2 derivante da tutto il ciclo di vita dei materiali utilizzati, dalla estrazione della materia prima e lavorazione al trasporto, installazione e manutenzione. E’ un fattore che può rappresentare oltre il 50% della quota di carbonio dell’opera. I regolamenti locali iniziano ad adottare politiche per la sua riduzione: ad esempio il nuovo regolamento di pianificazione urbana di Londra richiede che le iniziative di una certa dimensione siano soggette a una valutazione del carbonio nell’intero ciclo di vita, in particolare se sono previste demolizioni. Lo stesso nella sanità: la NHS Net Zero Building Standard inglese introdotta quest’anno, prerequisito per finanziamenti e incentivi governativi.

[6]: Sostenibilità economica della elettrificazione – Investire oggi in una struttura immobiliare dipendente da un grande impianto di generazione del calore basato su gas naturale o altri combustibili fossili, potrebbe costituire una passività finanziaria rischiosa in scenari di tariffe in aumento, di difficoltà di approvvigionamento, di sistemi che diventano più costosi da manutenere man mano che verranno gradualmente eliminati. In sostanza, i proprietari della struttura potrebbero ritrovarsi con un bene che si svaluta molto rapidamente, nel pieno della sua vita utile. Per oggetti dal ciclo di vita pluridecennale, è opportuno studiare l’applicabilità di opzioni più moderne, sicure e sostenibili.

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