Kontekst badania
Szpitale należą do najbardziej energochłonnych typów budynków. Pracują całodobowo, a ciągłość zasilania jest warunkiem funkcjonowania urządzeń medycznych oraz instalacji wentylacji, klimatyzacji, ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej i oświetlenia. Według danych przytoczonych przez autorów sektor ochrony zdrowia odpowiada za około 4–5% globalnej emisji dwutlenku węgla, a energochłonność szpitali może być od dwóch do pięciu razy większa niż typowych budynków komercyjnych. Szczególne znaczenie mają instalacje ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, które w analizowanych obiektach odpowiadają za dużą część całkowitego zapotrzebowania na energię. Jednocześnie konieczność zachowania wysokiej niezawodności ogranicza możliwość prostego zastępowania konwencjonalnych źródeł energii źródłami zależnymi od warunków pogodowych. Transformacja energetyczna szpitala wymaga więc równoczesnego ograniczania zapotrzebowania, wdrażania źródeł odnawialnych, magazynowania energii i zapewnienia odporności systemu na zakłócenia zasilania.
Cele i hipotezy
Artykuł ma charakter przeglądowy i systemowy. Jego celem jest analiza światowych wzorców zużycia energii w szpitalach oraz możliwości integracji odnawialnych źródeł energii i technologii wspomagających. Autorzy rozwijają koncepcję „100% Renewable Hospital”, czyli szpitala maksymalizującego wykorzystanie energii odnawialnej, a zarazem zdolnego do utrzymania funkcji krytycznych podczas zakłóceń lub zaniku zasilania z sieci. Kluczowym wkładem pracy jest wielowarstwowa koncepcja systemu łączącego ograniczenie zapotrzebowania, lokalne wytwarzanie energii odnawialnej, jej magazynowanie oraz sterowanie ukierunkowane na niezawodność i odporność infrastruktury.
Metody badawcze
Autorzy przeprowadzili uporządkowaną analizę literatury dotyczącej zużycia energii w placówkach ochrony zdrowia, efektywności energetycznej, odnawialnych źródeł energii oraz technologii umożliwiających ich integrację. Rozpatrywano m.in. fotowoltaikę, energetykę wiatrową, kolektory słoneczne, biomasę i geotermię, a także pompy ciepła, układy kogeneracyjne i trigeneracyjne, magazyny bateryjne, technologie wodorowe i mikrosieci. Analizę uzupełniono studium przypadku Szpitala Uniwersyteckiego Juan Ramón Jiménez w Huelvie w Hiszpanii. Obiekt ma 70 000 m² powierzchni i 620 łóżek, a wykorzystane dane eksploatacyjne dotyczą 2023 r. Studium przypadku służyło przede wszystkim do skonfrontowania wniosków z literatury z rzeczywistym profilem zapotrzebowania dużego szpitala w klimacie śródziemnomorskim.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Porównanie danych międzynarodowych wykazało bardzo duże zróżnicowanie energochłonności szpitali, wynikające m.in. z klimatu, wieku i konstrukcji budynków, intensywności użytkowania, zakresu świadczeń oraz wyposażenia. Autorzy podkreślają zatem, że średnie globalne nie powinny być bezpośrednio stosowane jako wartości projektowe. Przykładowo dla szpitali w Hiszpanii wskazano średnią energochłonność około 270 kWh/(m²·rok), podczas gdy dla placówek w Stanach Zjednoczonych przytoczono około 545 kWh/(m²·rok).
Największy potencjał ograniczenia zapotrzebowania jest związany z instalacjami budynkowymi. W danych amerykańskich ogrzewanie, wentylacja i chłodzenie odpowiadały łącznie za 52% zużycia energii, a po uwzględnieniu przygotowania ciepłej wody udział ten wzrastał do około 63%. Oznacza to, że poprawa efektywności instalacji ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, odzysk ciepła, odpowiednia charakterystyka energetyczna obudowy budynku i zaawansowane zarządzanie energią powinny poprzedzać dobór źródeł odnawialnych.
Studium przypadku potwierdziło skalę i sezonowość zapotrzebowania. W 2023 r. szpital w Huelvie zużył 11 106,93 MWh energii elektrycznej oraz 15 082,39 MWh energii z gazu ziemnego na potrzeby ogólne, przede wszystkim ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody. Zużycie wody wyniosło 144 662 m³. Zapotrzebowanie na energię elektryczną osiągało maksimum latem wraz ze wzrostem obciążenia instalacji chłodniczych, natomiast zużycie gazu było najwyższe zimą. Koszt energii i wody wyniósł około 4,04 mln euro, z czego energia elektryczna stanowiła 67,22%. W przeliczeniu na powierzchnię szpital zużywał 158,67 kWh/(m²·rok) energii elektrycznej i 215,46 kWh/(m²·rok) energii z gazu ziemnego.
Spośród odnawialnych źródeł energii fotowoltaika jest rozwiązaniem najbardziej rozpowszechnionym, jednak jej produkcja jest zmienna i sama instalacja fotowoltaiczna zazwyczaj nie może pokryć całodobowego zapotrzebowania szpitala. Konieczne jest jej łączenie z siecią, magazynami energii lub innymi źródłami. Energia wiatrowa może uzupełniać fotowoltaikę, lecz jej zastosowanie zależy silnie od lokalnych warunków i ograniczeń przestrzennych, konstrukcyjnych oraz akustycznych. Kolektory słoneczne mogą natomiast wspomagać przygotowanie ciepłej wody, ogrzewanie oraz wybrane procesy technologiczne.
Istotne możliwości zapewniają także biomasa i geotermia, szczególnie w zakresie pokrywania ciągłego zapotrzebowania na ciepło. Ich zastosowanie jest jednak uzależnione odpowiednio od dostępności paliwa i infrastruktury logistycznej oraz od lokalnych warunków geologicznych. Z analizy wynika, że przejście do bardzo wysokiego udziału energii odnawialnej wymaga konfiguracji hybrydowych. Szczególną rolę mogą odgrywać magazyny bateryjne, pompy ciepła, mikrosieci oraz technologie wodorowe, które pozwalają powiązać produkcję, magazynowanie i wykorzystanie energii w różnych skalach czasowych. System należy przy tym projektować nie tylko pod kątem minimalizacji zużycia i emisji, lecz także zdolności do utrzymania krytycznych funkcji szpitala podczas awarii sieci.
Wnioski
„100% odnawialny szpital” nie powinien być rozumiany jako budynek wyposażony jedynie w dużą instalację odnawialnego źródła energii. Autorzy wskazują na potrzebę podejścia systemowego: najpierw ograniczenia i właściwego scharakteryzowania zapotrzebowania, następnie zastosowania kilku komplementarnych źródeł odnawialnych, magazynowania energii oraz inteligentnego zarządzania całym układem. Warunkiem nadrzędnym pozostaje bezpieczeństwo energetyczne obiektu. Transformacja powinna zatem prowadzić jednocześnie do ograniczenia emisji i zależności od sieci zewnętrznej oraz do zwiększenia odporności infrastruktury szpitalnej.
Ograniczenia zakresu badawczego
Autorzy zwracają uwagę na ograniczoną liczbę badań dotyczących zintegrowanych, w pełni odnawialnych systemów energetycznych szpitali oraz brak wielkoskalowych wdrożeń pozwalających zweryfikować takie koncepcje. Porównania międzynarodowe utrudnia brak jednolitych standardów i duża różnorodność funkcjonalna szpitali. Studium przypadku obejmuje tylko jeden obiekt i jeden rok eksploatacji. Ponadto dla energii cieplnej dostępne były głównie dane miesięczne, które nie odzwierciedlają krótkotrwałych szczytów zapotrzebowania. Autorzy wskazują dlatego na potrzebę analiz wieloletnich, danych o większej rozdzielczości czasowej oraz dalszych badań nad rzeczywistą współpracą źródeł odnawialnych, magazynów i systemów sterowania w warunkach charakterystycznych dla infrastruktury szpitalnej.
Artykuł dostępny na stronie czasopisma Energy and Buildings