Impianti meccanici per l’adroterapia

Uno dei fiori all’occhiello della sanità italiana ha intrapreso un percorso di potenziamento strutturale, tecnologico e organizzativo, per incrementare e differenziare le prestazioni cliniche e sviluppare la ricerca scientifica.

Il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) è il principale istituto italiano per la radioterapia con protoni e fra i soli 6 al mondo che utilizza anche ioni carbonio, per il trattamento dei tumori rari e di neoplasie resistenti alla radioterapia tradizionale. Il CNAO è entrato in funzione nel 2011 e ha finora erogato trattamenti a circa 5.000 pazienti.

Recentemente sono iniziati i lavori per la ristrutturazione della sede attuale e per la sua espansione, allo scopo di:

• potenziare la protonterapia (di seguito PT), grazie a un ulteriore sincrotrone dedicato alle terapie con protoni, con linea d’uscita in grado di far ruotare i fasci di particelle attorno al paziente per ridurre i tempi di trattamento e di ampliare le opzioni cliniche;
• raccogliere evidenze circa l’efficacia clinica dell’innovativa Bo­ron Neutron Capture Therapy (BNCT);
• realizzare un’area dedicata alla ricerca scientifica;
• riqualificare e ampliare le aree per l’accoglienza dei pazienti, le terapie e le altre funzioni sanitarie, amministrative, tecniche e logistiche.

Il progetto per l’espansione del CNAO si distingue per l’eccezio­nale complessità delle opere previste, che prevedono:

• lo svolgimento dei lavori senza interruzione dell’attività ospe­daliera;
• la coabitazione delle nuove attività sanitarie, poste in continuità spazio-funzionale quelle esistenti, con nuove apparecchiature “hi-tech” (HT: acceleratori lineari, linee di fascio, magneti, gan­try, ecc.), da inserire in massive strutture portanti ipogee;
• la riorganizzazione degli spazi tecnici esistenti e la realizzazione delle nuove centrali al servizio dell’espansione.

Il progetto in sintesi

Situata alla periferia nord-occidentale di Pavia, l’originaria sede del CNAO è costituita da:

• edificio principale (4 livelli, dal -1 al +2 con spazi tecnici in co­pertura ) per i servizi sanitari (poliambulatorio, diagnostica per immagini, medicina nucleare, 3 bunker per adroterapia) e ge­nerali (amministrativi, tecnici, logistici, ecc.);
• edificio HT (sincrotrone esistente e relativi spazi di supporto);
• edificio tecnico e altri fabbricati per servizi generali, centrali tecniche e cabine elettriche.

Curato da un’associazione temporanea composta Studio Calvi, ECD e ing. Vittorio Gallarini, in stretta collaborazione con profes­sionisti e tecnici del CNAO e con i fornitori delle HT, il progetto prevede:

1. riqualificazione con sopraelevazione dell’edificio principale, per aumentare le superfici destinate all’accoglienza del pub­blico (attese, percorsi, bar, ecc.), alle attività sanitarie (poliam­bulatorio, diagnostica per immagini, ecc.) e ai servizi generali, migliorando anche la qualità architettonica complessiva;
2. costruzione dell’espansione, un nuovo edificio (4 livelli, dal -2 al +1 con spazi tecnici in copertura) che ospiterà tutte le nuove attività sanitarie e di ricerca scientifica, più le nuove HT con le relative funzioni di supporto e servizio;
3. riorganizzazione e potenziamento dell’intera infrastruttura im­piantistica, con nuovi impianti meccanici chiamati a fronteg­giare un’estesa gamma prestazionale (climatizzazione, igiene idrosanitaria, supporto all’attività sanitaria e di ricerca scienti­fica, raffreddamento industriale, sicurezza antincendio, ecc.);
4. riorganizzazione del piazzale logistico e nuove sistemazioni esterne.

L’espansione, in particolare, accoglierà principalmente:

• 4 nuovi bunker (2 per PT e 2 per BNCT), più i locali al servizio delle nuove attività sanitarie (camera calda, attese, ambulatori, sale pre e post trattamenti, locali per il personale, ecc.):
• i nuovi laboratori di radiobiologia con i locali di servizio e sup­porto per la ricerca scientifica (stabulario, ecc.);
• gli spazi per le nuove HT (sincrotrone e acceleratore, più tutte le ulteriori apparecchiature di servizio) e per le attività tecniche correlate.

I lavori sono già in corso e si svolgono secondo un cronoprogram­ma che garantisce la massima continuità e sicurezza delle atti­vità nel complesso esistente, ad esempio per quanto attiene le connessioni dei circuiti idraulici e dei gas medicali. Altri impianti dell’espansione (ad esempio: FM, illuminazione, climatizzazio­ne, ventilazione) sono invece indipendenti.

Generalità degli impianti

Dal punto di vista della fornitura elettrica, il CNAO è direttamente connesso a una dorsale AT mediante una sottostazione dedi­cata, il cui scopo principale è isolare le altre utenze rispetto al funzionamento pulsante del sincrotrone, che provoca notevoli distorsioni armoniche.

Allo scopo sono stati previsti interventi di adeguamento, poten­ziamento e incremento della ridondanza per la trasformazione dell’energia elettrica. Il raffrescamento delle cabine sarà affida­to a unità a espansione diretta e, nei locali per trasformatori, a estrattori d’aria.

Anche il progetto degli impianti meccanici ri­sponde un quadro esigenziale particolare. Oltre ai servizi tecno­logici tipici di un edificio a vocazione sanitaria (climatizzazione, ventilazione, igienico-sanitario, antincendio, gas medicali, BMS, ecc.), i generatori termofrigoriferi provvederanno anche al raf­freddamento delle apparecchiature HT, caratterizzate da un’e­levata variabilità nell’andamento dei carichi termici.

La soluzione individuata ha come obiettivo la riduzione dei con­sumi attraverso l’impiego della combinazione più vantaggiosa di elettricità da rete e di fonti rinnovabili, in base alle necessità e alla disponibilità, ai fini:

• del massimo utilizzo delle fonti rinnovabili presenti nel sito (aria, acqua di falda, irraggiamento solare);
• dell’ottimizzazione del recupero termico dagli impianti di raf­freddamento HT, per la climatizzazione dell’edificio;

Le condizioni termoigrometriche di progetto (zona climatica E, 2.623 gg) prevedono: in inverno: T esterna -7 °C; U.r. 80 %; in estate: T esterna 35 °C; U.r. 55 %.

La climatizzazione degli ambienti (T: 20÷25 ±1 °C; U.r.: 50 ±5%) avverrà mediante impianti idronici operanti alle seguenti tempe­rature: riscaldamento: 40÷45 °C (travi fredde attive, ventilconvettori, UTA, condizionatori HT); raffrescamento: 7÷12 °C (circuiti primari); 8÷13 °C (ventilcon­vettori, UTA); 10÷14 °C (condizionatori HT); 15÷17°C (travi fred­de attive).

Ecco le temperature operative dei circuiti dedicati alle apparec­chiature HT:

• 8÷13 °C (scambiatori di calore);
• 15÷20 °C (BNCT);
• 15÷25 °C (altre utenze BNCT);
• 16÷19/17,8÷20,8 °C (acceleratore lineare PT);
• 25÷30/46,7÷51,7 °C (altre utenze PT).

Portata e pressione dei fluidi destinati a tutte le utenze avranno una tolleranza pari a ±10%.

La parola al tecnico

L’ing. Giuseppe Venchi è Direttore tecnico del CNAO e responsabile del coordinamento delle attività di manutenzione: «Gli impianti meccanici previsti per l’espansione si occupano di tre aspetti distinti ma fra loro interrelati: le condizioni di comfort nell’edificio, il supporto alle attività sanitarie e il raffreddamento dei sistemi HT. Tutto questo nel quadro generale del contenimento dei consumi energetici ed economici e della massima sicurezza».

Quale strategia è stata adottata?

«L’edificio esistente dispone di una propria centrale termofrigorifera basata su chiller e caldaie alimentate a metano. L’espansione sarà equipaggiata con una centrale indipendente equipaggiata con macchine polivalenti, che utilizzano acqua di falda per lo scambio termico e che recuperano il calore in uscita dai dispositivi di raffreddamento delle HT.

Il principale vantaggio energetico delle macchine polivalenti consiste nella possibilità di sfruttare con estrema efficienza salti di temperatura contenuti. L’energia per il funzionamento delle pompe di emungimento dei pozzi, invece, sarà quasi interamente compensata dal campo fotovoltaico (potenza circa 50 kWp) previsto sulla copertura.

In generale i requisiti operativi più stringenti riguardano il raffreddamento delle HT e dei locali che le ospitano. L’acceleratore, ad esempio, sarà posizionato in un ambiente che si eleva per quattro livelli, da mantenere costantemente a 20 °C con tolleranza non superiore a ±1 °C e con U.r. non superiore al 50%.

In questo caso il problema principale è la notevole discontinuità del carico termico, concentrato (80-90%) nei brevi periodi (pochi minuti) di funzionamento dell’acceleratore. Per raffreddare al meglio l’acceleratore è perciò necessario sia un controllo estremamente attento della temperatura di mandata dell’acqua, sia un’estrema reattività dell’impianto nell’inseguimento del carico stesso.

Diverso è il caso della BNCT, che impegna una potenza inferiore per periodi di picco del carico decisamente più lunghi. Questa macchina ha però bisogno sia di acqua con caratteristiche differenti (potabile, demineralizzata, a bassissima conducibilità, ecc.) a seconda dei componenti serviti dai singoli circuiti di raffreddamento, sia di un sistema di trattamento dell’acqua radioattiva utilizzata in uno specifico circuito».

Quali sono state le criticità affrontate rispetto al tema della sicurezza?

«La continuità del servizio termofrigorifero è un’esigenza primaria per il funzionamento sicuro delle HT e del CNAO in generale. Oltre alla completa ridondanza delle macchine polivalenti e di tutte le apparecchiature idroniche ed elettriche, la nuova centrale dispone anche di generatori di riserva condensati ad aria, come ulteriore backup.

Quanto agli aspetti connessi alla radioprotezione, l’espansione è stata progettata per garantire il rispetto delle normative vigenti, prevedendo massicci core in calcestruzzo armato, per il contenimento delle emissioni radioattive, oltre a vasche di raccolta dedicate all’acqua utilizzata, situate nei livelli inferiori dell’espansione, da sottoporre a controllo prima del rilascio in ambiente. Una particolare attenzione è stata posta all’attraversamento delle pareti dei bunker che accolgono le HT, da parte dei circuiti di raffreddamento e di altre reti tecnologiche, prevedendo il transito entro forometrie con percorso labirintico, in modo da mantenere l’effetto schermante senza pregiudizio per la continuità del flusso dell’acqua, dell’elettricità, dei dati, ecc..

Anche per contrastare l’elevata pressione del calcestruzzo, alcune tubazioni risultano molto spesse (fino a 3 cm) e pesanti, mentre altre sono incamiciate da un secondo tubo concentrico, per la raccolta dell’acqua che potrebbe fuoriuscire in caso di guasto. Per realizzare l’insieme di queste precauzioni è stato necessario inserire tutte le predisposizioni nelle casseforme, fra le armature, prima del getto del calcestruzzo».

Nuova centrale termofrigorifera

Le centrali tecniche dell’espansione saranno ubicate in diverse posizioni: in prossimità del cunicolo per l’acqua di pozzo (pompe di emungimento); al secondo piano interrato (demineralizzazio­ne dell’acqua di raffreddamento), per ragioni di radio protezio­ne; al primo piano (elettropompe e scambiatori di calore); sulla copertura (pompe di calore condensate ad acqua di falda, in un locale chiuso; pompe di calore e chillers condensati ad aria, all’aperto). Un ampio cavedio verticale attraverserà l’intero cor­po di fabbrica garantendo i collegamenti delle reti tecnologiche.

La produzione dei fluidi termovettori sarà affidata ai seguenti ge­neratori termofrigoriferi:

• 2 pompe di calore polivalenti condensate ad acqua (potenza circa 400÷500 kW ciascuna, variabile in base alle modalità di funzionamento), per climatizzazione e applicazioni igienico-sa­nitarie, con possibilità di contribuire al raffreddamento delle HT ove energeticamente vantaggioso;
• 1 pompa di calore polivalente condensata ad aria (circa 900÷950 kW, variabile in base alle modalità di funzionamento), come backup delle altre pompe di calore;
• 2 gruppi frigoriferi condensati ad aria (circa 950 kW ciascuno) con compressori a vite, per raffreddamento delle HT;
• 1 gruppo frigorifero condensato ad aria (circa 950 kW) equi­paggiato con compressori centrifughi a levitazione magnetica e funzione free cooling, per integrazione del raffreddamento delle HT e come backup degli altri chillers.

I generatori dispor­ranno di compressori full inverter, gas refrigerante R513A (GWP 631, classe A1) e soluzioni mirate al drastico contenimento del­le emissioni acustiche. I generatori condensati ad aria saranno dotati di pompe del primario a bordo, con inverter; l’unita dota­ta di free cooling disporrà del kit “no glicole”.

L’acqua di falda per la condensazione delle pompe di calore (T media 14 °C) sarà attinta da 3 pozzi (profondità circa 50 m) equipaggiati con una coppia di pompe sommerse con inverter. Dopo la filtrazio­ne parte del calore dell’acqua sarà ceduto a 2 scambiatori di calore, uno in riserva all’altro; l’acqua sarà poi conferita al cana le sotterraneo Navigliaccio, nei pressi del CNAO.

Climatizzazione dell’area ospedaliera

Nei locali delle aree a destina­zione sanitaria, che non neces­sitano di particolari soluzioni e/o trattamenti dell’aria, è prevista l’installazione di travi fredde at­tive, collegate a un impianto a 4 tubi a portata variabile median­te valvole a 2 o 3 vie. Ove neces­sario la portata dell’aria sarà in­tegrata con diverse tipologie di diffusori. Questa tipologia di terminale è già utilizzata nell’edificio esistente e risulta particolarmente gradita per gli elevati livelli di comfort (T aria ambiente 20÷25 °C), igiene, silenziosità e per la ridotta manutenzione richiesta. La ripresa dell’aria sarà affidata a soli diffusori.

Nei locali al piano terra dell’espansione e nei lo­cali tecnologici sono invece previsti ventilconvettori con batteria a 4 ranghi, sempre collegati a un impianto a 4 tubi a portata va­riabile con valvole a 2 e 3 vie. Nei servizi igienici saranno installati radiatori a colonna in acciaio dotati di valvole termostatiche. Lo­cali caratterizzati da requisiti specifici saranno dotati di impian­ti dedicati.

I circuiti idronici saranno realizzati con tubazioni in acciaio nero, coibentate e con barriera al vapore a seconda delle necessità, mentre gli scarichi della condensa saranno in acciaio zincato.

Gli impianti di trattamento dell’aria (a tutt’aria o ad aria primaria) saranno indipendenti fra loro, per fronteggiare le carat­teristiche e dei requisiti di zone e locali serviti. In generale tutte le UTA potranno operare in riscaldamento e raffrescamento con controllo dell’umidità e saranno equipaggiate con: silenziatori normalmente posizionati su presa esterna, mandata, ripresa ed espulsione; dispositivi di filtrazione idonei alle diverse destina­zioni d’uso dei locali; recuperatori di calore; ventilatori equipag­giati con inverter per la modulazione delle portate in mandata e ripresa, ove necessario gemellati per garantire continuità delle portate, con commutazione automatica affidata al BMS.

Le aree sanitarie e tecniche ai piani interrato e terreno dell’e­spansione saranno servite da un’UTA (mandata 10.725 m3/h) dotata di recuperatore diretto (aria/aria con bypass per sfruttare l’eventuale vantaggio entalpico). La sopraelevazione dell’edificio esistente sarà servita da un’UTA (8.900 m3/h) dotata di recupe­ratore (aria/aria con by-pass). Per i locali PET, RM e TAC è stata prevista la sostituzione delle UTA esistenti con nuove unità situa­te sulla copertura dell’espansione, dotate di batterie di recupero calore indiretto (aria/acqua/aria) tra mandata ed espulsione e di filtrazione assoluta per l’aria estratta. Le canalizzazioni aerauli­che saranno realizzate con lamiere in acciaio zincato sendzimir e coibentate, con canali flessibili e fonoassorbenti in alluminio.

L’estrazione dei servizi igienici sarà effettuata in continuo tramite estrattori posti sulla copertura.

Altri impianti meccanici

La realizzazione dell’impianto idrico-sanitario prevede l’impiego di soluzioni e tecnologie allo stato dell’arte, per reti di distri­buzione dell’acqua fredda e dell’ACS e per le reti di scarico per usi civili. La produzione e la distribuzione dell’ACS avverranno a temperature superiori a 50 °C, per prevenire il rischio di prolife­razione della legionella. L’ACS sarà costantemente ricircolata ed erogata previa miscelazione con acqua a temperatura ambiente.

È prevista una rete separata per gli scarichi provenienti dai locali HT, con vasche di raccolta dotate di chiusini antiodore, gruppi gemellari di pompe di sollevamento sommerse, valvole di non ritorno, quadro elettrico con automatismi d’avviamento, ecc..

L’impianto antincendio a idranti sarà derivato da quello esistente, attestato su una vasca di riserva idrica (75 m³) e dotato di idranti UNI 45, UNI 70 e attacchi per motopompa. L’impianto antincen­dio per il locale CED utilizzerà gas estinguente inerte stoccato in bombole. L’impianto dei gas medicali dell’espansione (ossigeno, vuoto endocavitario, anidride carbonica, gas inerte, aria medica­le, evacuazione gas anestetici) sarà derivato da quello esistente, opportunamente modificato e potenziato.

La vasca di raccolta per le acque meteoriche sarà collegata all’impianto esistente, per l’irrigazione delle aree verdi.

Sistemi di supervisione

Il funzionamento dei generatori e delle altre apparecchiature del­la centrale termofrigorifera sarà regolato da un sistema proprie­tario, interfacciato con il BMS, per la selezione della combinazio­ne energeticamente più efficiente in base al tipo di carico, alle condizioni climatiche esterne, alle modalità di condensazione e di recupero del calore, alla manutenzione, ecc.. Il BMS sarà op­portunamente personalizzato, con integrazione di apparecchi e dispositivi sull’anello in fibra ottica, e sarà composto da:

• sistema di supervisione con 2 postazioni, nella sala di control­lo dell’edificio esistente e nei nuovi uffici della manutenzione nell’espansione, più relativi quadri elettro-strumentali;
• controllori di processo con automazione PLC e moduli I/O re­motizzati;
• dispositivi in campo.

In estrema sintesi, la logica di funzionamento della centrale termofrigorifera prevede che: le pompe di calore condensate ad acqua e quella condensata ad aria siano dedicate all’espan­sione, utilizzando la fonte rinnovabile più vantaggiosa a secon­da delle condizioni ambientali e della distribuzione del carico; i gruppi frigoriferi con compressori a vite provvedano tutto l’anno al raffreddamento dell’HT, coadiuvati dal gruppo frigorifero con compressori a levitazione magnetica in funzione della dinamica del carico (ad esempio in caso di irraggiamenti prolungati nel tempo).

In generale, il funzionamento combinato dei generatori termo­frigoriferi e la modulazione della distribuzione dei fluidi saranno regolati per garantire un’elevata precisione della temperatura di mandata, a fronte del massimo risparmio energetico ottenibile.

Qualora risulti conveniente, la nuova centrale termofrigorifera potrà fornire acqua calda e refrigerata alla meno efficiente cen­trale termofrigorifera esistente. Nella centrale dell’espansione sono perciò previste nuove partenze dei circuiti, dirette verso quella esistente.