Ventilazione meccanica per l’ospedale COVID-19

Fra i molti nuovi ospedali realizzati per fronteggiare la pandemia, l’Emergency Hospital 19 presso l’Istituto Clinico Humanitas si distingue per le soluzioni impiantistiche mirate all’efficienza, al comfort e alla qualità dell’aria.

Le strutture ospedaliere lombarde sono state in “prima linea” durante la prima ondata della pandemia e, a causa della riprese del contagio, si sono trovate più volte sotto pressione. La principale criticità è stata legata all’inadeguatezza strutturale degli ospedali nei confronti di una malattia infettiva a rapida diffusio­ne, che rende estremamente difficoltosa sia l’efficace gestione delle urgenze, sia la regolare erogazione delle cure ai pazienti con altre patologie.

Per fronteggiare adeguatamente la situazione, in Italia come nel resto del mondo, le istituzioni ospedaliere hanno incrementato il numero dei posti letto per le cure intensive e per le degenze ordinarie. In generale la soluzione più efficace è stata la re­alizzazione di padiglioni dedicati, in grado di funzionare in modo autonomo e flessibile, situati all’esterno ma in prossimità degli ospedali per garantire:

• un’adeguata separazione fisica fra le strutture, evitando la commistione dei flussi;
• l’ottimizzazione delle risorse sotto il profilo organizzativo e ge­stionale.

Gli obiettivi del progetto

Questa è la strada intrapresa anche per l’Emergency Hospital 19 – la struttura ospedaliera realizzata dall’IRCCS Istituto Clinico Humanitas presso la sede di Rozzano (Milano) che co­stituisce un punto di riferimento nel panorama nazionale della progettazione ospedaliera orientata agli interventi in emergenza/urgenza e alla cura delle malattie infettive.

Costruito ex novo in sole 11 settimane di lavori e inaugurato nel luglio 2020, l’Emer­gency Hospital 19 è il primo di due padiglioni dedicati ai pazienti affetti da COVID-19; il secondo entrerà in funzione a Bergamo, presso Huma­nitas Gavazzeni.

In sintonia con la vocazione scien­tifica dell’istituto, la costruzione dell’Emergency Hospital 19 è stata abbinata a un programma di ricerca scientifica in ambito immunologico contro le malattie infettive. L’investi­mento complessivo è stato di circa 12 milioni di euro, risultato delle do­nazioni di Intesa Sanpaolo, Tenaris Dalmine e Fondazione Rocca. La Fondazione Humanitas per la Ricer­ca ha curato lo sviluppo scientifico del progetto.

Pensato dai tecnici e sanitari di Hu­manitas e progettato da Techint En­gineering & Construction, in stretta collaborazione con l’arch. Filippo Taidelli, Emergency Hospital 19 è stato concepito secondo i più evoluti criteri dell’architettura ospedaliera e nel rispetto di tutti i requisiti per l’accreditamento.

Si tratta infatti di una struttura “polmone” permanente e ben at­trezzata, che mette a disposizione 64 posti letto complessivi per permettere all’ospedale di fronteggiare nuove emergenze sen­za incidere sulle altre attività.

Il nuovo padiglione sorge a breve distanza dal Pronto soccorso e dalla pista dell’elisoccorso, sulla copertura di un parcheggio interrato, e si eleva per un solo piano fuori terra, configurandosi come un edificio “a piastra” nel quale la funzionalità e l’efficienza del processo clinico-assistenziale è facilitata da spazi operativi e aree per i servizi di supporto ben di­stribuite e complanari fra loro, con dotazioni all’avanguardia per offrire uno standard clinico elevato.

Flussi, funzioni, spazi

L’accesso dei pazienti avviene dalla viabilità locale è ed indipen­dente dal resto dell’ospedale: un breve percorso veicolare con ingresso controllato conduce ambulanze e auto mediche alla ca­mera calda, posta sul fronte nord del padiglione. Tutti i restanti flussi (personale, merci, tecnici, ecc.) si svolgono all’aperto, per­ciò in condizioni di sicurezza, e sono attestati su ingressi separati.

Dal punto di vista funzionale l’Emergency Hospital 19 (superficie complessiva circa 2.750 m²) è articolato in 4 settori:

1. Pronto soccorso con attese separate (pazienti, accompagnato­ri), triage, 3 ambulatori, shock-room (2 postazioni per interventi urgenti e ad alto rischio), osservazione breve intensiva con po­stazioni schermate da tende (24 posti letto + 1 p.l. in box isola­to) e Diagnostica per immagini (sala TAC).
2. Terapia intensiva e sub-intensiva, situata in posizione baricen­trica e organizzata in un unico open space (11 posti + 1 p.l. in box isolato), presidiato dal banco di lavoro del personale equi­paggiato per il monitoraggio dei pazienti.
3. Degenza ordinaria (17 camere singole più 2 camere per 4 p.l. ciascuna, tutte precedute da filtro sanitario e dotate di servizio igienico interno), con posti letto predisposti per la rapida con­versione in postazioni per cure intensive.
4. Blocco operatorio con 2 sale, per operazioni chirurgiche po­lispecialistiche e per interventi di emodinamica, quest’ultima attrezzata con un angiografo, che condividono gli spazi di sup­porto (preparazione e risveglio dei pazienti, filtro sanitario, de­positi, ecc.).

I settori con presenza continuativa dei pazienti occupano il cor­po principale (circa 2.200 m²) e si sviluppano in spazi lineari, pa­ralleli fra loro, con i locali di supporto (studi medici, sale visita, caposala, lavoro infermieri, depositi, spogliatoi, servizi igienici, ecc.) posti sulle testate.

Sul fronte opposto rispetto alla camera calda si trovano i servizi generali (spogliatoi del personale, dotati di spazi per vestizione e svestizione dei dispositivi di protezione individuali, e area lo­gistica) e i locali tecnici. Il Blocco operatorio è invece ospitato in un corpo autonomo, connesso al resto del padiglione da brevi corridoi.

Tecnologia, sostenibilità, umanizzazione

Emergency Hospital 19 è un edificio quasi completamente pre­fabbricato, caratterizzato da un concept modulare e replicabile che consente l’adattamento ad altri contesti insediativi e clima­tici e la personalizzazione degli ambienti, anche sotto il profilo dell’umanizzazione dello spazio terapeutico e della sostenibilità energetica.

Composto da monoblocchi portanti tridimensionali in travi d’ac­ciaio, trasportati in cantiere per l’assemblaggio e la finitura dei diversi ambienti, lo scheletro strutturale del corpo principale è appoggiato sul solaio di copertura del parcheggio. Solo il corpo del Blocco operatorio è sorretto da una struttura portante fissa, in calcestruzzo armato. I componenti dell’involucro edilizio e tut­te le partizioni e finiture interne sono stati montati a secco, in opera.

Le facciate sono formate da un doppio strato di pannelli pre-coi­bentati, di notevole spessore, con interposizione di un ulteriore strato termoisolante nell’intercapedine. Una seconda pelle, adattabile a seconda delle condizioni ambientali e dell’imma­gine architettonica, funge da mitigatore nei confronti dell’irrag­giamento solare, per migliorare il comfort e ridurre il consumo energetico per la climatizzazione.

Sopra le superfici di tamponamento orizzontali è stata posata una sovracopertura sostenuta da capriate metalliche, a formare un tetto ventilato a doppia falda di colore chiaro, per minimizzare l’effetto isola di calore, utile anche per l’installazione di campi solari fotovoltaici e termici.

La sostenibilità energetica è affidata principalmente all’efficien­za del processo di trigenerazione e degli altri generatori termo­frigoriferi già presenti nell’ospedale, alle soluzioni costruttive per il contenimento delle dispersioni e per il controllo dell’irraggiamento estivo e al recupero del calore operato sull’aria espulsa. Tutti gli impianti rumorosi sono alloggiati nei livelli sottostanti del parcheggio, per abbattere le emissioni acustiche.

Le ampie superfici trasparenti rivolte verso il parco circostante coniugano il ricorso alla luce naturale, per minimizzare l’illumi­nazione artificiale, con l’umanizzazione dello spazio ospedaliero. L’accurata scelta di materiali di finitura, i delicati accostamenti cromatici, l’impiego di corpi illuminanti a luce bianca (3.000 K) e la previsione di verde indoor concorrono alla creazione di un’at­mosfera confortevole e domestica.

Le camere di degenza sono tutte equipaggiate con impianto tv e a ogni paziente è fornito un tablet con connessione wi-fi per poter comunicare tramite internet e con parenti e amici.

La parola al progettista

Abbiamo chiesto a Stefano Trinca – HVAC Engineer presso Techint E&C e progettista degli impianti termomeccanici – quali fattori hanno orientato il percorso progettuale:

«L’Emergency Hospital 19 è stato progettato, realizzato e attivato in tempi realmente ridottissimi. Le soluzioni tecniche adottate per i sistemi di climatizzazione dell’aria sono state orientate dalle specificità del progetto, ad esempio per quanto riguarda la scelta di un impianto a tutt’aria. È stato così garantito un adeguato numero di ricambi orari, combinato al controllo della pressione negli ambienti destinati alla cura di pazienti Covid e alla salvaguardia del personale medico e infermieristico.

Abbiamo incontrato qualche difficoltà nella fase iniziale, in quanto al team di progettazione è stato chiesto un particolare sforzo per alimentare quanto più rapidamente la filiera degli approvvigionamenti e le società installatrici, mentre operavamo in un ambiente costruito ed operativo. Considerando gli effetti del lock-down nazionale, un’altra criticità è consistita nella ricerca e selezione di apparecchi, componenti e materiali in pronta disponibilità di consegna, ma rispondenti a requisiti tecnici specifici.

L’intenso lavoro di coordinamento quotidiano delle molteplici attività, eseguite da numerose società, la stretta collaborazione e l’impegno profuso da tutti gli attori coinvolti, sotto il profilo professionale e personale, ci hanno permesso di raggiungere l’obiettivo prefissato nel rispetto del budget e dei tempi previsti. L’Emergency Hospital 19 è stato collaudato positivamente in tutti gli aspetti ed è accreditato dalle autorità sanitarie competenti».

Produzione e circolazione del calore

La produzione dei fluidi termovettori per alimentare gli impianti di climatizzazione e ACS dell’Emergency Hospital 19 è affidata alla centrale termofrigorifera preesistente, al servizio del polo ospeda­liero e prossima al nuovo edificio. Il fluido caldo è prodotto da:

• 1 cogeneratore alimentato a gas metano (potenza: 2,7 MWe; 2,5 MWt da recupero del calore);
• 3 caldaie (circa 6 MWt complessivi) di cui 2 del tipo pressu­rizzato ad alto rendimento, con doppia alimentazione metano/gasolio, e 1 del tipo a condensazione, alimentata a metano e dotata di unità di recupero del calore.

Il cogeneratore è collegato a:

• 1 scambiatore di calore a piastre, sul cui circuito secondario circola l’acqua di ritorno delle caldaie;
• 1 gruppo frigorifero ad assorbimento (1,4 MWf).

La copertura del restante fabbisogno frigorifero è appannaggio di:

• 4 gruppi refrigeratori con condensazione ad acqua di torre (cir­ca 1,9 MWf ciascuno);
• 1 gruppo refrigeratore con condensazione ad acqua di falda (1,5 MWf).

La circolazione dei fluidi verso il nuovo padiglione avviene me­diante tubazioni per teleriscaldamento e teleraffrescamento di tipo preisolato, appositamente posate nel sottosuolo per collega­re la centrale con gli scambiatori di calore situati nella sottosta­zione locale, costruita ex novo e opportunamente coibentata per contenere l’impatto acustico.

La produzione dell’ACS avviene invece nella sottostazione, me­diante preparatore rapido con scambiatore esterno di calore a piastre. La protezione dalla legionella è affidata a trattamenti di tipo chimico con produzione in situ e dosaggio di monocloram­mina.

Centrali aerauliche

L’impianto di climatizzazione dell’Emergency Hospital 19 è at­testato sulla nuova centrale di ventilazione, situata in un locale appositamente ricavato nel parcheggio sottostante il padiglione. Ciascuna delle 4 UTA è dedicata a un settore specifico:

• pronto soccorso (13.500 m3/h);
• terapia intensiva (7.000 m3/h);
• degenza (14.500 m3/h);
• blocco operatorio Area preparazione e risveglio (3.600 m3/h).

Fanno eccezione le sale per gli interventi chirurgici e di emodi­namica, entrambe in classe ISO 7 a flusso turbolento. In questo caso l’aria è trattata da condizionatori monoblocco autonomi, situati nei pressi delle aree interessate, che trattano solo aria esterna senza ricircolo.

I condizionatori per le sale interventistiche sono equipaggiati con ventilatori plug fan azionati da motori a inverter, batteria di scambio termico alimentata ad acqua e recuperatore termico. Il controllo della portata è dinamico, mediante pressostato differenziale installato tra la sala controllata e l’ambiente adiacente, che regola il funzionamento del ventilatore di espulsione.

Il microprocessore gestisce così la sovrappressione nelle sale, riducendo la quantità d’aria espulsa rispetto a quella immessa, che rimane costante, evitando l’ingresso del particolato e degli agenti patogeni aerotrasportati dagli spazi limitrofi.

Distribuzione dell’aria

Le UTA funzionano in modalità a tutt’aria esterna, assicurando la diluizione dell’aria indoor mediante filtrazione e immissione dell’aria di rinnovo, il mantenimento dei regimi di pressione dif­ferenziale dei diversi locali e le condizioni termoigrometriche di comfort per pazienti e personale.

La regolazione delle portate nei singoli ambienti è demandata a cassette a portata costante autoazionate, con silenziatori ci­lindrici posti a valle del regolatore per minimizzare le emissioni acustiche.

La distribuzione dell’aria avviene tramite canalizzazioni preisola­te che transitano nei vani celati dai controsoffitti, con diffusione affidata a:

• terminali con microugelli orientabili installati su plenum con at­tacchi laterali;
• diffusori elicoidali a soffitto;
• nelle sale chirurgiche, mediante flusso turbolento con diffusori elicoidali.

La ripresa dell’aria è effettuata con griglie forate montate su plenum, con attacco circolare, e le relative reti aerauliche di ripresa sono equipaggiate con cassette a portata costante e silenziatori.

Per evitare qualsiasi possibilità di ricircolo, l’aria proveniente da­gli ambienti è espulsa direttamente all’esterno mediante unità di estrazione equipaggiate con moduli di contenimento del tipo ca­nister per la sostituzione in sicurezza (procedura bag in/bag out) dei filtri HEPA posti in corrispondenza di tutte le canalizzazione di espulsione.

Grazie a un sistema a doppia batteria con pompa di circolazione in linea, le unità di estrazione operano il recupero termico sull’a­ria espulsa con un’efficienza minima

Allo scopo, particolare cura è stata posta anche al posiziona­mento delle prese d’aria esterna e delle espulsioni in atmosfera, considerando la direzione dei venti prevalenti e interponendo un’opportuna distanza relativa.

UTA: SANIFICAZIONE, VENTILAZIONE E UMIDIFICAZIONE

Le UTA che provvedono alla ventilazione meccanica dell’Emergency Hospital 19 sono macchine concepite per l’impiego specifico, del tipo a sezioni componibili, giunte in cantiere smontare e poi riassemblate mantenendo la medesima classe di tenuta L2 originaria. La struttura è realizzata con profili estrusi in alluminio anticorodal, del tipo a taglio termico e con spigoli arrotondati, con:

• pannelli di tamponamento (spessore 60 mm) preisolati mediante iniezione a caldo di poliuretano espanso (densità 45÷50 kg/m³);
• lamiere interne in acciaio inox AISI 304;
• lamiere esterne in acciaio zincato preverniciato.

L’impiego di materiali di elevata qualità, in grado di resistere a frequenti processi di pulizia e sanificazione, e l’adozione di soluzioni costruttive ad hoc (superfici completamente lisce e complanari tra profili e pannelli, interstizi di dimensione minima sigillati, ecc.) facilitano le operazioni periodiche.

In ogni UTA sono presenti doppie sezioni ventilanti, in grado di funzionare in modo indipendente per assicurare la portata di progetto, con entrambi i ventilatori in funzione, o il 70% della portata totale, in caso di guasto di uno dei ventilatori. In ingresso e in uscita rispetto al flusso d’aria, le sezioni sono equipaggiate con serrande di intercettazione servoazionate e regolate dal BMS.

I ventilatori del tipo a girante radiale, con ventola libera di ultima generazione, pale curve rovesce con svergolamento specifico, bordo posteriore dentellato a “V” ed effetto diffusore, che abbinano ottimi rendimenti a ridotti livelli acustici. I motori ad alta efficienza (classe IE5) dispongono di rotore esterno a commutazione elettronica e controllore integrato.

L’umidificazione dell’aria risponde alle normative UNI 8883, VDI 6022 e VDI 3803 circa la certificazione igienica per l’uso in ambito ospedaliero. Gli umidificatori a bordo delle UTA sono alimentati con acqua di acquedotto, demineralizzata da un dispositivo a osmosi inversa senza l’aggiunta di prodotti chimici e biocidi, con cicli automatici di lavaggio a salvaguardia delle membrane e drenaggio completo dell’acqua ad ogni ciclo. L’erogazione dell’acqua osmotizzata avviene solo su richiesta, evitando così l’accumulo.

I sistemi di umidificazione sono differenziati a seconda delle caratteristiche dei settori serviti. Per Terapia intensiva e Blocco operatorio sono utilizzati umidificatori isotermici a elettrodi immersi, con sistema anti-foaming che evita l’emissione di gocce insieme al vapore. In questo caso la produzione del vapore è modulata in continuo, dal 20% fino al 100%.

Per Degenza e Pronto Soccorso, le UTA sono invece equipaggiate con un sistema adiabatico ad atomizzazione, che coniuga elevata sicurezza e affidabilità sotto il profilo sanitario con un ridotto consumo energetico, suddividendo la portata su più gradini per seguire la richiesta istantanea.

In questo caso il sistema utilizza la pressione fornita da una pompa centrifuga multistadio, regolata da un inverter che modula il regime di rotazione con accuratezza fino al 2%. L’acqua è erogata alla pressione e portata corrette, senza la necessità di pompe di rilancio e vasi di espansione, ed è nebulizzata in gocce micrometriche da appositi ugelli.