INDAGINE SUI CONSUMI ENERGETICI DELLE GRANDI APPARECCHIATURE OSPEDALIERE

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1 INDAGINE SUI CONSUMI ENERGETICI DELLE GRANDI APPARECCHIATURE OSPEDALIERE CONVEGNO NAZIONALE Maria Margherita Obertino Università del Piemonte Orientale 1

2 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. 2

3 Misure effettuate Macchinario Ospedale Caratteristiche delle misure CT BrightSpeed (GE) CTO di Torino 1 campionamento/5min per 1 settimana Oggetto delle misure 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 3

4 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 4

5 LA TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA - CT (Ospedale CTO - TO) 5

6 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. 6

7 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 7

8 L area CT: requisiti ambientali AREA CT ~62 m 2 SALA REFERTAZIONE SALA D ATTESA Temperatura tra 15 C e 24 C (massima variazione 3 C/h) Umidità relativa tra 30% e 60% (massimo gradiente 5%/h) SALA COMANDI SCAN ROOM (~40 m 2 ) 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 8

9 Potenza assorbita durante un esame CT Potenza massima: kw durante produzione dei raggi X (15% del tempo di un esame) Scansione elicoidale Scansione assiale Scansione assiale Potenza (kw) Riposizionamento del paziente Scansione di localizzazione Iniezione del mezzo di contrasto e rilocalizzazione Fine esame Misure ogni secondo Tempo (s) 9

10 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 10

11 Potenza reattiva durante un esame CT Potenza attiva (kw) Potenza attiva Potenza reattiva Potenza reattiva (kvar) La potenza reattiva ricalca l andamento della potenza attiva Tempo (s) Rifasamenti non necessari ( cos(φ) < 0.9 solo durante l emissione dei raggi X ) Potenza reattiva (kvar) Cos(Φ) Potenza reattiva Fattore di potenza Tempo (s) 11

12 CT: consumi La variabilità giornaliera è legata al diverso numero e alla diversa tipologia di esami effettuati. AREA CT: 93.5±0.6 kwh Consumi giornalieri medi 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) 12

13 LA PET/CT (Ospedale S. Croce e Carle - CN) 13

14 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. 14

15 PET/CT: descrizione e requisiti PET/CT Discovery (GE) SALA COMANDI: 1 workstation di comando con 2 monitor e 2 PC (dedicati a PET e CT) Gantry con rivelatori per fotoni e TC 1 workstation utilizzata per esaminare e fondere le immagini PET e CT. REQUISITI MACCHINARIO: 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) Sistema di ventilazione: 5 ricambi/h 10.5 m 3 /min Misurati in contemporanea i consumi dello strumento e della sala comandi 15

16 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) 16

17 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 Giorni lavorativi Giorni festivi Consumi giornalieri medi (kwh) 146±2 140±2 [*] Utilizzo attuale: 8h x 5 gg Utilizzo intensivo: 12h x 6 gg Costo energia: /kwh +IVA (20%). Costi annuali attuali (Euro) TOT: 6820 Euro Costi annuali attuali (Euro) [*] [*] TOT: 6970 Euro Uso intensivo consigliato 17

18 LA RM (Ospedale CTO - TO) 18

19 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 B 0 In presenza di un campo magnetico esterno B i momenti magnetici dei protoni si orientano nella direzione del campo stesso. Una bobina genera un campo magnetico oscillante con frequenza ω L che interagisce col nucleo che a sua volta genera un campo oscillante. B ω L Il segnale emesso dai nuclei sotto forma di onde radio è rivelato da un opportuno ricevitore. RICEVITORE Cambiando i valori di B e/o ω L, è possibile ricostruire la mappa, anche tridimensionale, della distribuzione dei protoni nei tessuti, e quindi negli organi. 19

20 RM: requisiti RM Signa HDX 1.5T(GE) 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 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 20

21 RM: potenze assorbite e consumi (giornata tipica) Potenza massima < 40 kw Picchi dovuti alle radiofrequenze e alla generazione dei gradienti di campo Utilizzo RM: 12h x 5 gg Costo energia: /kwh +IVA (20%). 21

22 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. 22

23 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 23

24 Backup 24

25 Potenza assorbita - dettaglio 3 livelli di potenza corrispondenti a 3 impostazioni del tubo a raggi X Scansione elicoidale?? 25

26 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. 26

27 Potenza reattiva (TAC) on Durante il funzionamento la potenza reattiva ricalca l andamento della potenza attiva 27

28 Potenza reattiva TAC - standby Nel passaggio da standby a funzionamento la potenza reattiva diminuisce accensione alimentazione fototubo 28

29 Fattore di potenza (TAC) 29

30 Fattore di potenza (TAC) - on 30

31 Fattore di potenza (TAC) - standby La grande differenza fra i due fattori di potenza, aritmetico e vettoriale, sono dovuti alla forte distorsione armonica. 31

32 Squilibrio correnti (TAC) STANDBY TAC ON Carico capacitivo sulla fase C Carico capacitivo sulla fase C è compensato da carico induttivo trifase 32

33 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 ~ 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 ( kev). 33