Appunti di Impianti Ospedalieri

A.A.

isolamenti acustici.

Le pompe di calore geotermiche

La pompa di calore è in generale una macchina in grado di trasferire energia termica da un

corpo a temperatura bassa (sorgente fredda) verso un corpo a temperatura più alta (pozzo

caldo), invertendo il flusso termico naturale che porta il calore a trasferirsi da corpi a

temperatura maggiore verso corpi a temperatura minore. Le pompe di calore vengono di norma

alimentate elettricamente: questo è il caso delle macchine a ciclo frigorifero a compressione

Per misurare la qualità d una pompa di calore si utilizza il COP (COefficiente di Prestazione)

dato dal rapporto tra energia resa (all’utenza desiderata) ed energia consumata (di norma energia

elettrica). Nel caso del riscaldamento, la pompa di calore diventa un importante strumento di

risparmio energetico, in quanto essa fornisce sia il calore “pompato” dall’esterno, sia l’energia

che alimenta la pompa di calore stessa.

Una pompa di calore per riscaldamento in un clima mite ha tipicamente un COP da 3 a 4.

La pompa di calore più diffusa per il condizionamento estivo impiega gas metano o GPL che,

attraverso un bruciatore premiscelato riscalda una miscela di acqua e ammoniaca nel circuito ad

assorbimento.

Una pompa di calore geotermica può essere a ciclo aperto o a ciclo chiuso: a differenza di

quelle citate sinora, non richiede il consumo, seppur minimo, di combustibile per avviare

reazioni chimico/fisiche di generazione/assorbimento di calore, ma solo l’energia di una pompa

eventualmente necessaria a supportare il moto del fluido vettore.

Nel ciclo aperto viene prelevata acqua di falda: questa passa attraverso lo scambiatore di calore e

successivamente viene reimmessa nella falda o in un corso d’acqua nelle vicinanze.

Nel caso dell’impianto a ciclo chiuso il sistema è costituito da sonde geotermiche da 90 a 100

metri di lunghezza, per ogni 3,5 kW di potenza che si vuole ottenere, in cui scorre l’acqua che,

raggiungendo quote in profondità tra i 18 e 60 metri, è in grado di cedere/assorbire calore al

terreno in funzione delle naturali differenze di temperatura: in inverno la temperatura del

terreno in profondità è maggiore di quella esterna e viceversa d’estate.

Una pompa di calore geotermica a circuito aperto ha un COP tra 3,2 e 5,2: una a circuito

chiuso ha un COP tra 3,1 e 4,9.

L’energia solare

Il tema dell’utilizzo dell’energia trasmessa dal sole sulla superficie terrestre è ben noto: se si

considera tale trasferimento nel suo complesso si hanno i seguenti dati:

• Sull’intero emisfero terrestre l’irraggiamento solare corrisponde a una potenza

maggiore di 50 milioni di GW W/m2

• L’irraggiamento solare medio alle latitudini europee è di circa 200

Si tratta di valori enormi che suggeriscono spontaneamente l’idea di utilizzare tale disponibilità

A.A.

per i consumi correnti: va però ricordato che tale energia non è sempre disponibile a regime

constante, dipendendo dalle situazioni atmosferiche, e soprattutto non è una forma di energia

accumulabile in quantità significative. Dall’energia solare vengono ricavate due forme di

energia: termica ed elettrica. Nel primo caso si utilizzano i pannelli solari termici, mentre per

ottenere energia elettrica si utilizzano le tecnologie fotovoltaiche.

I pannelli solari per ottenere calore si possono classificare in due categorie:

A. Pannello solare termico

i raggi solari scaldano un liquido termovettore che cede calore,

tramite uno scambiatore, all’acqua in un serbatoio d’accumulo.

B. Pannello solare a concentrazione

una serie lineare di specchi parabolici concentra i raggi solari su

un tubo ricevitore in cui scorre il fluido termovettore.

Oltre alle classiche applicazioni relative alla produzione di acqua calda, con i pannelli solari

termici, dalla maggiore disponibilità di energia solare durante la stagione estiva, è possibile

ricavare l’energia per il solar cooling e cioè la possibilità di sfruttare il calore prodotto dai

pannelli solari per alimentare delle macchine ad assorbimento (H2O + NH3 oppure LiBr) per

la produzione di freddo e la sua distribuzione attraverso gli impianti di acqua refrigerata.

Per quanto riguarda la produzione di energia elettrica si fa ricorso al pannello fotovoltaico: in

esso i raggi solari per effetto termoelettrico di particolari materiali, tipicamente silicio, generano

energia elettrica.

I moduli fotovoltaici sono strutture modulari basate su celle fotovoltaiche di varie tecnologie:

• Silicio monocristallino: struttura cristallina omogenea, opportunamente drogata a

formare una giunzione p-n: rendimento dal 13% al 15%.

• Silicio policristallino: struttura cristallina non omogenea, ma organizzata in grani

localmente omogenea: rendimento del 13%.

• Moduli a film sottile: atomi deposti su una struttura di sostegno: silicio amorfo, CdTe,

CdS, GaAs.

Più in generale, i pannelli fotovoltaici hanno prestazioni energetiche che, oltre che dipendere

dalla tecnologia di composizione delle celle al silicio, dipendono da altri fattori contingenti

come ad es.:

• Dal rendimento dei materiali: come si è visto, il rendimento non è costante e oscilla tra

il 13% e il 15%;

• Dalla tolleranza di fabbricazione rispetto ai dati nominali: le modalità di fabbricazione

delle celle fotovoltaiche non consentono una tolleranza più stretta dell’intervallo dal +/-

A.A.

3% al +/- 10% e quindi anche le prestazioni dell’intero pannello solare sono variabili in

funzione delle caratteristiche delle celle che lo compongono;

• Dall’irraggiamento di esposizione: la costante solare dipende dalla latitudine e dalle

condizioni climatiche del momento;

• Dall’angolazione dell’irraggiamento: l’inclinazione del modulo solare dipende dalla

latitudine e nel caso di quella nazionale è di circa 45 gradi;

• Dalla temperatura di esercizio: di norma, le prestazioni di un semiconduttore

peggiorano al crescere della temperatura;

• Dallo spettro della luce: una relazione che permette di calcolare la potenza elettrica

attiva generata da un pannello solare tenendo conto dei fattori sopra elencati è la

seguente:

dove:

P = potenza attiva generata

η = fattore di rendimento

I = irradianza perpendicolare alla direzione dei raggi solari

0

α = angolo di inclinazione del modulo rispetto ai raggi solari

S = superficie del modulo

Complessivamente, ogni pannello solare ha prestazioni individuali che lo rendono differente da

tutti gli altri anche a parità di costruttore e non permette di realizzare assiemi di più moduli

perfettamente bilanciati. In ogni caso, le tecnologie di sviluppo di nuovi materiali potranno

portare alla realizzazione di impianti fotovoltaici a maggior rendimento e più affidabili e longevi

di quelli attuali. A.A.

CLIMA E STERILITA’

Si può dare una prima definizione di comfort o benessere ambientale: una particolare condizione

di benessere determinata dalle percezioni sensoriali in un ambiente date da:

temperatura dell’aria

• velocità dell’aria

• umidità relativa dell’aria

• livello di rumorosità

• livello di luminosità

•

In questa sede si approfondirà la problematica relativa al mantenimento di un equilibrio

termico tra corpo umano e ambiente, a partire dall’andamento generale dei consumi termici in

ospedale. La Fig. 4.4 illustra, a titolo d’esempio, la destinazione dell’energia termica fornita in

un anno ad un ospedale di medie dimensioni del tipo a padiglioni distribuiti.

A.A.

Si noti che il termine di perdite (15%) è legato alla estensione ed alla efficienza della rete di

distribuzione dell’energia termica ai vari impianti ed è quindi proporzionale alle distanze di

trasporto. Dalla figura 4.4 si nota come una porzione rilevante dell’energia fornita, il 50 %, sia

dedicata alla regolazione e al mantenimento di adeguate condizioni ambientali.

1.1 Il benessere ambientale e la climatizzazione.

Il corpo umano interagisce con l’ambiente nel quale si trova ad operare. Affinché siano garantite

le condizioni di benessere necessarie al corpo umano stesso per svolgere certe funzioni e, al

limite, per sopravvivere, una certa quantità di energia termica deve essere opportunamente

fornita o sottratta all’ambiente considerato. Esiste, cioè, un sistema di termoregolazione

corporea che viene mantenuto tramite un meccanismo di feedback basato su un riferimento

interno collocato nell’encefalo in corrispondenza dell’ipotalamo. Quindi, in generale, il corpo

umano reagisce agli stimoli termici in modo da mantenere costante la temperatura media del

corpo stesso (Tc = 37 °C circa), la quale dipende da una situazione di equilibrio dinamico tra la

quantità di calore prodotta dall’organismo umano e quella scambiata dallo stesso con l’ambiente

circostante.

Un primo modello consiste nel considerare il corpo umano dotato di vestiario come un volume

ovoidale (fig. 4.8) di cui si considerano gli scambi termici determinati da:

SCL superficie esterna degli abiti

• SC superficie corporea

• ICL resistenza termica per unità di superficie del vestiario

• A.A.

Sulla base di tale modello è possibile calcolare le quantità di calore C e R rispettivamente

scambiate con l’ambiente per convezione e per irraggiamento.

In modo sintetico il bilancio energetico di un organismo umano, nella maniera seguente (in

condizioni stazionarie):

dove M è l’energia prodotta per metabolismo, W è l’equivalente termico del lavoro meccanico

esterno, E è la quantità di calore scambiata per evaporazione (traspirazione o perspirazione),

RES è la quantità di calore scambiata per respirazione, R è la quantità di calore scambiata per

irraggiamento e C è la quantità di calore scambiata per convezione. Si noti che uno dei

principali meccanismi di smaltimento del calore da parte degli esseri viventi è quello

dell’evaporazione (E), che però risulta inefficace in condizioni termoigrometriche estreme

(ambienti con temperatura e umidità relativa molto elevate).

Anche il termine corrispondente al calore ceduto per respirazione (RES), soprattutto nella fase

di espirazione, dipende dalle condizioni ambientali, sebbene possa essere attivamente

incrementato (per esempio, durante l’attività fisica intensa la frequenza respiratoria aumenta).

Per quanto riguarda il contributo dell’irraggiamento (R), esso dipende dalla temperatura delle

superficie ambientali che circondano il corpo e quindi potrebbe essere variato soltanto

modificando la tempe