INDAGINE SUI CONSUMI ENERGETICI DELLE GRANDI...

1 Progetto di Ricerca: IGEEOP Iniziative per la Gestione Energetica Efficiente degli Ospedali del Piemonte

INDAGINE SUI CONSUMI ENERGETICI DELLE GRANDI

APPARECCHIATURE OSPEDALIERE

CONVEGNO NAZIONALE

Maria Margherita Obertino Università del Piemonte Orientale


Obiettivi dello studio Analizzare il consumo energetico relativo ad alcune delle grandi apparecchiature utilizzate per la diagnostica in strutture ospedaliere piemontesi, allo scopo di individuare eventuali margini di risparmio.


Misure effettuate

Macchinario Ospedale Caratteristiche delle misure

Oggetto delle misure

CT BrightSpeed (GE)

CTO di Torino

1 campionamento/5min per 1 settimana

Macchinario e area TC

CT BrightSpeed (GE)

CTO di Torino

1 campionamento/2min per 1 settimana

Macchinario e area TC

CT BrightSpeed (GE)

CTO di Torino

1 campionamento/sec per alcune ore

Studio dettagliato delle potenze in gioco

durante un esame TC

PET/CT Discovery LS

(GE)

S. Croce e Carle di Cuneo

1 campionamento/min per 4 giorni

Macchinario e sala comandi

RM Signa HDx 1.5T (GE)

CTO di Torino

1 campionamento/2min per 6 giorni

Macchinario

Tutte le apparecchiature studiate sono di ultima generazione


Strumenti di misura

Le misure in questione sono state effettuate per mezzo di dispositivi multifunzione per l’analisi di impianti elettrici che misurano tensioni e correnti sulle tre fasi della linea sulla quale vengono collegati e, a partire da tali grandezze, calcolano potenze attive e reattive e consumi energetici corrispondenti.

SCHEMA DI INSERZIONE DEGLI STRUMENTI DI MISURA

Misure non facili: difficile accesso ai quadri elettrici; necessità di non interferire con il funzionamento normale dei reparti


LA TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA - CT

(Ospedale CTO - TO)


CT – funzionamento

Il tubo radiogeno produce un fascio collimato di raggi X che attraversa una sezione del corpo del paziente attraverso il quale viene attenuato. Un sistema di rivelatori misura l’attenuazione dei raggi X nei tessuti per differenti posizioni angolari.

La tomografia computerizzata è una tecnica radiografica in cui le immagini a raggi X di sezioni del corpo sono ricostruite, da software opportuni, a partire da numerose curve di attenuazione ottenute e diversi angoli.


CT – descrizione e requisiti Gantry con tubo radiogeno e rivelatori montati su un anello rotante

Letto porta-paziente scorrevole e posizionabile con precisione all’interno del gantry dalla consolle di comando.

Workstation principale composta dalla •  consolle di comando •  computer per l'acquisizione e visualizzazione delle immagini •  memoria per archiviazione dati

Workstation per post-elaborazione dei dati.

CT Bright Speed (GE)

Per ottenere una qualità dell’immagine omogenea occorre: •  mantenere accesi i rivelatori anche nei periodi di non utilizzo •  riscaldare il tubo radiogeno almeno una volta al giorno •  eseguire una volta al giorno la “calibrazione rapida” del tubo radiogeno


L’area CT: requisiti ambientali

Misurati in contemporanea i consumi dello strumento e dell’area CT

AREA CT ~62 m2

SCAN ROOM (~40 m2)

SALA D’ATTESA

SALA REFERTAZIONE

SA

LA C

OM

AN

DI

Temperatura tra 15°C e 24°C (massima variazione 3°C/h)

Umidità relativa tra 30% e 60% (massimo gradiente 5%/h)

Ambienti dotati di un sistema di termoregolazione con controllo dell’umidità integrato con condizionatori di emergenza.


Scansione di localizzazione

Fine esame

Scansione elicoidale

Riposizionamento del paziente

Scansione assiale Scansione assiale

Iniezione del mezzo di contrasto e ri-localizzazione

Potenza assorbita durante un esame CT

Misure ogni secondo

Pot

enza

(kW

)

Tempo (s)

Potenza massima: 50-60 kW durante produzione dei raggi X (15% del tempo di un esame)


Distorsione armonica – CT ON

•  Sono presenti carichi capacitivi/induttivi che sfasano la corrente in anticipo/ritardo; questo dà luogo a una componente “reattiva” della potenza che si deve limitare •  I carichi provocano forti distorsioni

Tempo (ms)

Tens

ione

(V) Corrente (A

)


Pot

enza

atti

va (k

W)

Potenza “reattiva” durante un esame CT

Potenza reattiva (kVA

R)

Potenza attiva Potenza reattiva

Tempo (s)

•  La potenza reattiva ricalca l’andamento della potenza attiva

•  Rifasamenti non necessari ( cos(φ) < 0.9 solo durante l’emissione dei raggi X )

Pot

enza

reat

tiva

(kVA

R) Fattore di potenza

Tempo (s)

Potenza reattiva Cos(Φ)


CT: consumi

Consumi giornalieri medi

La variabilità giornaliera è legata al diverso numero e alla diversa tipologia di esami effettuati.

Il 57% circa dei consumi totali e’ dovuto al macchinario (da vagliare possibilità di ottimizzazione del consumo dei sistemi di

termoregolazione)

AREA CT: 93.5±0.6 kWh CT: 53±1 kWh


LA PET/CT (Ospedale S. Croce e Carle - CN)


PET/CT: funzionamento La PET è un tecnica diagnostica basata sul conteggio dei positroni emessi da un radiofarmaco somministrato al paziente e captato dall’organo sotto osservazione.

La rivelazione di più linee di emissione e l’elaborazione con software dedicati consente di ricostruire le immagini della distribuzione del radionuclide all’interno dell’organo e di trarre quindi informazioni sull’attività dello stesso.


PET/CT: descrizione e requisiti

SALA COMANDI: •  1 workstation di comando con 2 monitor e 2 PC (dedicati a PET e CT) •  1 workstation utilizzata per esaminare e fondere le immagini PET e CT.

Gantry con rivelatori per fotoni e TC

Misurati in contemporanea i consumi dello strumento e della sala comandi

REQUISITI AMBIENTALI:

•  Temperatura tra 15°C e 24°C (massima variazione 3°C/h)

•  Umidità relativa tra 30% e 60% (massimo gradiente 5%/h) •  Sistema di ventilazione: 5 ricambi/h 10.5 m3/min

REQUISITI MACCHINARIO: •  requisiti CT •  rivelatori PET sempre accesi

PET/CT Discovery (GE)


PET/CT: potenze assorbite

Riscaldamento tubo radiogeno e calibrazione rapida

Scansioni CT

(giornata tipica)

Le condizioni di lavoro del tomografo PET non variano sensibilmente durante l’esame diagnostico.

Potenza media: 5-7 kW Potenza massima < 60 kW (durante produzione dei raggi X)


PET/CT: consumi

(durante l’orario di esecuzione degli esami diagnostici)

TOT: 6820 Euro TOT: 6970 Euro [*] Utilizzo attuale: 8h x 5 gg Utilizzo intensivo: 12h x 6 gg Costo energia: 0.108€/kWh +IVA (20%).

Consumi di consolle di comando e computer: ~ 10% dei consumi del macchinario nella fase di “system on”

Consumi giornalieri medi (kWh)

Costi annuali attuali (Euro)

Costi annuali attuali (Euro)

Giorni lavorativi Giorni festivi

146±2 140±2

4930 1890

6030 940

[*] [*]

Uso intensivo consigliato


LA RM (Ospedale CTO - TO)


Una bobina genera un campo magnetico oscillante con frequenza ωL che interagisce col nucleo che a sua volta genera un campo oscillante.

RM: funzionamento

B=0 B≠0

La Risonanza Magnetica (RM) è una tecnica diagnostica che utilizza il fenomeno della risonanza magnetica nucleare per ottenere immagini dettagliate di qualsiasi sezione del corpo umano. Le immagini sono costruite sfruttando le proprietà magnetiche dei protoni delle molecole d’acqua presenti nei tessuti.

B

In presenza di un campo magnetico esterno B i momenti magnetici dei protoni si orientano nella direzione del campo stesso.

ωL

Il segnale emesso dai nuclei sotto forma di onde radio è rivelato da un opportuno ricevitore.

RICEVITORE

Cambiando i valori di B e/o ωL, è possibile ricostruire la “mappa”, anche tridimensionale, della distribuzione dei protoni nei tessuti, e quindi negli organi.


RM: requisiti RM Signa HDX 1.5T(GE)

CONDIZIONI AMBIENTALI:

•  Temperatura tra 20°C e 22°C (massima variazione 3°C/h) •  Umidità relativa tra 40% e 50% (massimo gradiente 10%/h) •  Sistema di ventilazione: 6-10 ricambi/h •  Impianto di spegnimento del campo magnetico in caso di emergenza •  Impianto di rilevamento del livello di ossigeno (>19%) •  Impianto di evacuazione rapida dei gas criogenici

Gantry con: • il magnete principale (1.5T - superconduttore) • le bobine a radiofrequenza • le bobine di gradiente e ausiliarie

Magnete principale e circuiti connessi sempre accesi


RM: potenze assorbite e consumi

Picchi dovuti alle radiofrequenze e alla generazione dei gradienti di campo

Potenza massima < 40 kW (giornata tipica)

Utilizzo RM: 12h x 5 gg Costo energia: 0.108€/kWh +IVA (20%).


Conclusioni: potenza assorbita

Le potenze medie richieste dalle grandi apparecchiature utilizzate per la diagnostica sono in genere inferiori a 30 kW ma presentano picchi di potenza istantanea superiori a 60 kW

Le apparecchiature introducono distorsioni e sfasamenti sulle linee a cui sono collegate; le potenze reattive sono tuttavia contenute e non sono necessari rifasamenti.


Conclusioni: consumi

  Consumi delle apparecchiature limitati rispetto ai consumi ospedalieri totali

  Non variano molto tra giorni lavorativi e festivi (alcune parti delle apparecchiature vanno alimentate anche in fase di non utilizzo delle stesse). E’ auspicabile un uso più intensivo di questi macchinari (ammortamento!).

  La sala comandi e i computer per l’elaborazione delle immagini contribuiscono ~10% al consumo del macchinario spegnere quanto possibile nelle ore di non utilizzazione

  Consumo dei sistemi di termoregolazione e controllo dell’aria confrontabile con quelli dei macchinari vagliare possibilità di ottimizzazione di tali sistemi


Backup


Scansione elicoidale

??

3 livelli di potenza corrispondenti a 3 impostazioni del tubo a raggi X

Potenza assorbita - dettaglio


Il fattore di potenza o cosφ è il coseno dell'angolo φ di sfasamento tra corrente e tensione in un sistema elettrico in corrente alternata.

•  In un sistema puramente resistivo lo sfasamento è nullo, per cui cosφ = 1.

•  In un sistema di tipo induttivo reale, ovvero con componente resistiva non nulla (ad esempio un motore elettrico), lo sfasamento è compreso tra 0 e π/2 (sfasamento in ritardo).

•  In un sistema con componente capacitiva lo sfasamento è compreso tra 0 e −π/2 (sfasamento in anticipo).

Il cosφ è definito fattore di potenza in quanto equivale al rapporto tra la potenza attiva (P) e la potenza apparente (S).

Un cosφ di valore unitario significa che la potenza apparente corrisponde alla potenza attiva e la potenza reattiva (Q) è nulla. La potenza reattiva è sempre indesiderata: un valore di cosφ è tanto più indesiderato quanto più si discosta da uno.

Fattore di potenza


Durante il funzionamento la potenza reattiva ricalca l’andamento della potenza attiva

Potenza reattiva (TAC) – on


Nel passaggio da standby a funzionamento la potenza reattiva diminuisce accensione alimentazione fototubo

Potenza reattiva TAC - standby


Fattore di potenza (TAC)


Fattore di potenza (TAC) - on


La grande differenza fra i due fattori di potenza, aritmetico e vettoriale, sono dovuti alla forte distorsione armonica.

Fattore di potenza (TAC) - standby


Carico capacitivo sulla fase C

STANDBY

TAC ON

Squilibrio correnti (TAC)

Carico capacitivo sulla fase C è compensato da carico induttivo trifase


TUBO RADIOGENO Tubo entro il quale viene fatto il vuoto contenente: -  Catodo (C) -  Anodo (A) Tra C ed A viene creata una elevata differenza di potenziale (ΔV ~ 10-1000 kV)

Anodo: piastra di metallo ad alto Z (di solito tungsteno)

Catodo : filamento metallico collegato ad un generatore di bassa tensione ed alta corrente. La corrente rende il filo incandescente (effetto Joule)

Gli elettroni vengono emessi dal metallo per effetto termoionico.

Gli elettroni emessi vengono accelerati da ΔV ed acquistano un’energia e·ΔV (10-1000 keV).

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