indagine sui consumi energetici delle grandi apparecchiature

INDAGINE SUI CONSUMI
ENERGETICI DELLE GRANDI
APPARECCHIATURE
OSPEDALIERE
CONVEGNO NAZIONALE
Maria Margherita Obertino
Università del Piemonte Orientale
Progetto di Ricerca: IGEEOP
Iniziative per la Gestione Energetica Efficiente degli Ospedali del Piemonte
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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.
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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
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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
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LA TOMOGRAFIA
COMPUTERIZZATA - CT
(Ospedale CTO - TO)
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CT – funzionamento
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.
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.
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CT – descrizione e requisiti
CT Bright Speed (GE)
Gantry con tubo radiogeno e rivelatori
montati su un anello rotante
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.
Letto porta-paziente scorrevole e posizionabile con precisione all’interno del
gantry dalla consolle di comando.
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
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L’area CT: requisiti ambientali
AREA CT ~62 m2
Temperatura tra 15°C e 24°C
(massima variazione 3°C/h)
SALA
REFERTAZIONE
SALA COMANDI
SALA D’ATTESA
SCAN ROOM (~40 m2)
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.
Misurati in contemporanea i consumi dello strumento e dell’area CT
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Potenza assorbita durante un esame CT
Potenza massima: 50-60 kW durante produzione dei raggi X
(15% del tempo di un esame)
Scansione elicoidale
Scansione
assiale
Potenza (kW)
Scansione assiale
Riposizionamento del
paziente
Iniezione del mezzo
di contrasto e rilocalizzazione
Scansione di
localizzazione
Misure ogni secondo
Fine esame
Tempo (s)
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Distorsione armonica – CT ON
Tensione (V)
Corrente (A)
Tempo (ms)
•  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
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Potenza attiva
Potenza reattiva
( cos(φ) < 0.9 solo durante
l’emissione dei raggi X )
•  La potenza reattiva ricalca
l’andamento della potenza
attiva
Cos(Φ)
Potenza reattiva
Fattore di potenza
•  Rifasamenti non necessari
Potenza reattiva (kVAR)
Tempo (s)
Potenza reattiva (kVAR)
Potenza attiva (kW)
Potenza “reattiva” durante un esame CT
Tempo (s)
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CT: consumi
La variabilità giornaliera è legata
tipologia di esami effettuati.
Consumi giornalieri medi
al diverso numero e alla diversa
AREA CT: 93.5±0.6 kWh
CT:
53±1 kWh
Il 57% circa dei consumi totali e’ dovuto al macchinario
(da vagliare possibilità di ottimizzazione del consumo dei sistemi di
termoregolazione)
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LA PET/CT
(Ospedale S. Croce e Carle - CN)
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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.
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PET/CT: descrizione e requisiti
REQUISITI MACCHINARIO:
PET/CT Discovery (GE)
Gantry con
rivelatori per
fotoni e TC
•  requisiti CT
•  rivelatori PET sempre accesi
REQUISITI AMBIENTALI:
•  Temperatura tra 15°C e 24°C
(massima variazione 3°C/h)
•  Umidità relativa tra 30% e 60%
(massimo gradiente 5%/h)
SALA COMANDI:
•  1 workstation di comando con 2
monitor e 2 PC (dedicati a PET e CT)
•  1 workstation utilizzata per esaminare
•  Sistema di ventilazione:
5 ricambi/h  10.5 m3/min
Misurati in contemporanea i consumi
dello strumento e della sala comandi
e fondere le immagini PET e CT.
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PET/CT: potenze assorbite
Scansioni CT
Riscaldamento tubo radiogeno
e calibrazione rapida
(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)
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PET/CT: consumi
(durante l’orario di esecuzione degli esami diagnostici)
Consumi di consolle di comando e computer: ~ 10% dei consumi del
macchinario nella fase di “system on”
Consumi giornalieri
medi (kWh)
Giorni lavorativi
Giorni festivi
146±2
140±2
[*] Utilizzo attuale: 8h x 5 gg
Utilizzo intensivo: 12h x 6 gg
Costo energia: 0.108€/kWh +IVA (20%).
Costi annuali attuali Costi annuali attuali
(Euro) [*]
(Euro) [*]
4930
1890
6030
940
TOT: 6820 Euro
TOT: 6970 Euro
Uso intensivo consigliato
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LA RM
(Ospedale CTO - TO)
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RM: funzionamento
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=0
Una bobina genera un
campo magnetico oscillante
con frequenza ωL che
interagisce col nucleo che a
sua volta genera un campo
oscillante.
In presenza di un campo magnetico esterno B
B≠0 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. B
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.
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RM: requisiti
Gantry con:
• il magnete principale
RM Signa HDX 1.5T(GE)
(1.5T - superconduttore)
• le bobine a radiofrequenza
• le bobine di gradiente e
ausiliarie
Magnete principale e circuiti
connessi sempre accesi
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
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RM: potenze assorbite e consumi
Potenza massima < 40 kW
(giornata tipica)
Picchi dovuti alle radiofrequenze
e alla generazione dei gradienti
di campo
Utilizzo RM: 12h x 5 gg
Costo energia: 0.108€/kWh +IVA (20%).
Progetto di Ricerca: IGEEOP
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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.
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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
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Backup
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Potenza assorbita - dettaglio
3 livelli di potenza corrispondenti a
3 impostazioni del tubo a raggi X
Scansione elicoidale
??
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Fattore di potenza
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.
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Potenza reattiva (TAC) – on
Durante il funzionamento la
potenza reattiva ricalca
l’andamento della potenza
attiva
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Potenza reattiva TAC - standby
Nel passaggio da standby a
funzionamento la potenza
reattiva diminuisce 
accensione alimentazione
fototubo
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Fattore di potenza (TAC)
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Fattore di potenza (TAC) - on
Progetto di Ricerca: IGEEOP
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Fattore di potenza (TAC) - standby
La grande differenza fra i due
fattori di potenza, aritmetico e
vettoriale, sono dovuti alla forte
distorsione armonica.
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Squilibrio correnti (TAC)
STANDBY
TAC ON
Carico capacitivo
sulla fase C
Carico capacitivo
sulla fase C è
compensato da
carico induttivo
trifase
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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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