Czy można poprawić efektywność energetyczną w szpitalach i budynkach służby zdrowia?

Autor: dr inż. Sylwia Szczęśniak

Dlaczego efektywność energetyczna

Sektor opieki zdrowotnej w Polsce i w Europie, podobnie jak inne sektory, musi sprostać wyzwaniom związanym z koniecznością zwiększenia efektywności energetycznej oraz ograniczeniem emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. W obliczu zmiany klimatu, rosnącej temperatury powietrza zewnętrznego nierzadko dochodzi do sytuacji przeciążenia systemów zapewniających odpowiednie warunki termiczno-wilgotnościowe w budynkach opieki zdrowotnej. Powoduje to znaczący wzrost kosztów eksploatacji systemów HVAC. Realne zwiększenie efektywności energetycznej jest niemal zawsze równoznaczne z redukcją kosztów eksploatacyjnych.

Czym jest efektywność energetyczna

Zgodnie z obowiązującą definicją efektywność energetyczna to stosunek uzyskanej wielkości efektu użytkowego danego obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji, w typowych warunkach ich użytkowania lub eksploatacji, do ilości zużycia energii przez ten obiekt, urządzenie techniczne lub instalację, albo w wyniku wykonanej usługi niezbędnej do uzyskania tego efektu.  

I tak, dla zobrazowania: komfort cieplny w budynku jest przykładem wydajności; transport osób lub informacji jest usługą; smartfon jest towarem, którego produkcja wymaga energii.

Ogólnie rzecz biorąc, efektywność energetyczna odnosi się do ilości energii wyjściowej, którą można wytworzyć przy danym nakładzie energii.

Efektywność energetyczna najczęściej jest mierzona jako ilość energii wyjściowej niezbędnej dla danego wkładu energii. Podawana jest najczęściej jako wartość procentowa od 0% do 100%.  Dla przykładu może to być ilość „chłodu” (energii cieplnej o potencjale chłodniczym) wytwarzanego przez agregat przy określonym poborze energii elektrycznej. W definicji tej efekt użytkowy jest uzyskiwany w wyniku dostarczenia energii do danego obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji. Dotyczy to w szczególności wykonania pracy mechanicznej, zapewnienia komfortu cieplnego lub oświetlenia.

Z pojęciem efektywności energetycznej ściśle związane jest pojęcie energii, które w tym przypadku dotyczy energii pierwotnej, energii końcowej i energii użytkowej. Zależność między nimi przedstawia rysunek poniżej:

Z definicji wynika, że energia pierwotna jest energię zawartą w pierwotnych nośnikach energii i pozyskiwaną bezpośrednio ze środowiska (źródła: węgiel kamiennym energetyczny i koksowy, brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny wysokometanowy, zaazotowany, torf, woda, wiatr, słońce, geotermia, biomasa). Natomiast energia finalna jest energią lub paliwem dostarczonym odbiorcy końcowemu. Pomiędzy energią pierwotną, końcową i użytkową istnieje powiązanie „systemowe” oraz „instalacyjne”. Energia, którą zużywa odbiorca końcowy –  ze względu na straty przesyłowe, dodatkowe elementy (np. pomy czy wentylatory) – wymaga znacząco większej energii pierwotnej. 

Co wiemy o zapotrzebowaniu na energię w obiektach służby zdrowia

Budynki szpitalne charakteryzują się szczególnymi i wyspecjalizowanymi wymaganiami funkcjonalno-użytkowymi. Ze względu na swój charakter oraz funkcję jaką pełnią, wymagają szczególnego  traktowania. Parametry mikroklimatu w poszczególnych budynkach czy pomieszczeniach służby zdrowia mogą znacząco się od siebie różnić. Pod żadnym pozorem warunki cieplno-wilgotnościowe utrzymywane w poszczególnych strefach czy pomieszczeniach szpitalnych nie mogą odbiegać od takich, które sprzyjają zdrowieniu wszystkich pacjentów, nie powinny także wpływać na jakość pracy personelu, szczególnie w strefie sal operacyjnych. Z uwagi na powyższe energia niezbędna do utrzymania tych obiektów może być nawet 3 razy większa od tej, którą zużywa przeciętny budynek komercyjny. Wynika to  z konieczności utrzymania odpowiednich: warunków termiczno-wilgotnościowych, czystości pyłowej, czystości mikrobiologicznej. W praktyce zużycie energii  zmienia się najczęściej wraz z wahaniami liczby hospitalizowanych pacjentów. Przeprowadzane analizy wskazują, że wskaźnik zużycia energii zależny od liczby łóżek jest najbardziej odpowiedni jako odniesienie do ilościowego określenia zużycia energii przez szpital. Istotny wpływ na ilość tej energii ma także lokalizacja obiektu w konkretnej strefie klimatycznej. W budynkach szpitalnych znaczna część energii jest zużywana przez systemy HVAC.  Intensywne wykorzystywanie systemów niezbędnych do wentylacji, ogrzewania, ochładzania a także nawilżania powietrza generuje znaczące potrzeby energetyczne a przez to najczęściej znaczną emisję CO2. Badania i analizy wykazują, że szpitale jako jedne z najbardziej energochłonnych obiektów nadal posiadają znaczny potencjał w zakresie oszczędzania energii.  

Aktualnie w wysokorozwiniętych krajach świata inwestuje się w szpitale, przekształcając je – bez uszczerbku dla opieki medycznej. Bardziej odporne, zrównoważone i przyjazne dla środowiska instytucje. Wymaga to przede wszystkim zaangażowania instytucjonalnego. Jednak badania potwierdzają także ogromną rolę ludzi  i ich zachowań w odniesieniu do środowiska wewnętrznego, co z kolei decyduje o konieczności podnoszenia świadomości oraz wdrażanie praktyk ekologicznych wśród wszystkich pracowników obiektów służby zdrowia.

Pomimo istniejących środków, które w dużej mierze koncentrują się na poprawie oszczędności energii, Niestety nadal liczba badań dokumentujących działań mających wpływ na efektywność energetyczną w placówkach opieki zdrowotnej jest nadal mocno ograniczona.

Źródła zużycia energii w szpitalnych systemach HVAC

Spośród wszystkich systemów odpowiadających za utrzymanie właściwych parametrów powietrza w pomieszczeniach szpitalnych i służby zdrowia najbardziej energochłonnymi są systemy HVAC. Oczekuje się od nich utrzymania co najmniej odpowiedniej czystości (pyłowej i mikrobilogicznej), temperatury i wilgotności względnej powietrza. Elementami instalacyjnymi, które wymagają dostarczenia energii cieplnej bądź elektrycznej są grzejniki, nagrzewnice, chłodnice (wykorzystywane zarówno do ogrzewania jak i ochładzania powietrza), nawilżacze, silniki wentylatorów i pomp oraz elementy układu automatycznej regulacji i sterowania.

Największe zapotrzebowanie na energię elektryczną wykazują silniki wentylatorów. Wynika to z charakteru ich pracy. Energia niezbędna do transportu powietrza jest wprost proporcjonalna do mocy silnika oraz czasu jego pracy. Moc silnika natomiast zależy ściśle od transportowanego strumienia powietrza wentylującego, sprężu dyspozycyjnego oraz sprawności. Dla systemów ze stałym strumieniem pracujących 24h w ciągu doby oznacza to czas pracy 8 760 h w roku zwykłym i 8 784 h pracy w roku przestępnym. Procesy cieplne i wilgotnościowe natomiast zależą od parametrów powietrza zewnętrznego oraz wymaganych parametrów powietrza w pomieszczeniach. Energia niezbędna dla tych procesów zawsze jest proporcjonalna do chwilowej mocy oraz czasu jej trwania. Moc niezbędna do ogrzewania, ochładzania czy nawilżania powietrza jest wprost proporcjonalna do masowego strumienia powietrza wentylującego oraz różnicy entalpii właściwej pomiędzy powietrzem przed i za elementem uzdatniającym (w najprostszym tłumaczeniu będą to parametry powietrza zewnętrznego bądź za wymiennikiem do odzysku ciepła i nawiewanego). W niemal każdym przypadku parametry powietrza nawiewanego zależą od obciążenia cieplnego pomieszczenia. Oznacza to, że w tym przypadku kluczowymi stają się obciążenia cieplne pomieszczeń. Dla przykładu im więcej ciepła emitowane jest do pomieszczenia, tym więcej energii wymagane jest finalnie do jego ochłodzenia latem i tym mniej energii do ogrzewania w zimie. Im niższa temperatura powietrza zewnętrznego i wyższa temperatura powietrza nawiewanego tym większa chwilowa moc nagrzewnicy.

Możliwości ograniczenia energii oraz zwiększania efektywności energetycznej

Znaczącą poprawę efektywności energetycznej niezmiernie rzadko można osiągnąć wykonując pojedyncze działania. Zwykle potrzebne jest kompleksowe podejście do wymagań budynku i instalacji tak, aby przy racjonalnym nakładzie finansowym uzyskać realne rezultaty zmniejszenia zużycia energii czy wykorzystania źródeł ciepła i chłodu. Dla użytkowanych budynków należy każdorazowo wziąć pod uwagę: potrzeby energetyczne, aktualne dane dotyczące zużycia energii, bieżący koszt pokrycia tego zużycia oraz wynikający z tego wpływ na środowisko. Nie bez znaczenia jest także istniejącą infrastruktura oraz zasoby techniczne i finansowe czy warunki pogodowe, które w dużej mierze decydują o zapotrzebowaniu na energię niezbędną do ogrzewania czy ochładzania budynku.

Do działań, które mogą potencjalnie wpłynąć na zwiększenie efektywności energetycznej oraz obniżenie zużycie energii zalicza się:

• Przeprowadzenie audytu zużycia energii – umożliwia to szpitalom ustalenie poziomu bazowego zużycia energii, co pozwala na benchmarking energetyczny i zdefiniowanie wskaźników, które umożliwiają regularne monitorowanie zużycia energii.
• Wymiana oświetlenia żarowego na diody elektroluminescencyjnych (LED). Zależą one od liczby lamp, godzin świecenia i ich wydajności (stosunek strumienia świetlnego do poboru mocy elektrycznej). Szacuje się, że inwestycje takie, bez uwzględnienia oszczędności związanych z konserwacją i żywotnością lamp, zwróciłyby się w ciągu ośmiu lat
• Stosowanie czujników ruchu do regulacji systemu ogrzewania/chłodzenia i/lub oświetlenia w zależności od zajętości pomieszczenia. Jest to najbardziej skuteczne w gabinetach diagnostycznych i zabiegowych.
• Monitorowanie stężenia CO2 w pomieszczeniu oraz w systemie ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) w celu uniknięcia nadmiernego strumienia powietrza wentylującego. Jest to wykorzystywane w wentylacji sterowanej zapotrzebowaniem (DCV).
• Wykorzystanie systemów monitorowania energii (EMS), które umożliwiają śledzenie zużycia energii w budynku (budynkach). Ich stosowanie i prawidłowa praca prowadzi do zminimalizowania zapotrzebowania na energię budynku, które obejmują urządzenia, oświetlenie, regulację temperatury, ogrzewanie wody, działanie systemów HVAC. Aktualnie do optymalizacji pracy tych systemów wykorzystuje się sieci neuronowych i sztuczneą inteligencję. Pomimo początkowych wysokich nakładów inwestycyjnych, efektywność energetyczną dla całego budynku można zwiększyć o 36% .
• Zmiany infrastrukturalne, w tym dodanie izolacji termicznej odsłoniętych ścian zewnętrznych, a także wymiana ram okiennych ale przede wszystkim stosowanie żaluzji, co ogranicza konieczność intensywnej eksploatacji  systemów HVAC, a tym samym minimalizuje zapotrzebowanie na energię i ogranicza koszty.
• Poprawa sprzętu lub technologii medycznych, takich jak rezonans magnetyczny, sprzęt laboratoryjny i windy. Wykorzystanie inteligentniejszych technologii pozwala na automatyzację i zmniejszenie zużycia energii w okresach ograniczonej aktywności.
• Na tyle, na ile to możliwe wykorzystanie kolektorów słonecznych do wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej.
• Wymiana nieefektywnych kotłów centralnego ogrzewania i ich regularny przegląd oraz serwis.
• Wdrożenie wydajnych systemów HVAC, pracujących z racjonalnie określonym i nie nadmiernie dużym strumieniem powietrza wentylującego regulowanego w sposób  płynny i wynikający z chwilowych potrzeb odniesionych do wymagań poszczególnych pomieszczeń.   
• Wykorzystanie prawidłowo dobranych i eksploatowanych pomp ciepła oraz innych metod wykorzystania energii odnawialnej do ogrzewania, chłodzenia i wytwarzania energii elektrycznej, co przyczynia się do znacznego zmniejszenia zużycia np. gazu ziemnego wykorzystywanego do ogrzewania itd. Zmniejszają one koszty i emisję dwutlenku węgla oraz, przy wykorzystaniu magazynów energii są niezależnym źródłem energii, co zwiększa zwiększenia bezpieczeństwo szpitali
• Wykorzystanie jako źródła ciepła systemów skojarzonych (kogeneracja i trigeneracja), Niektóre źródła podają, że wykorzystanie kogeneracji pozwala zmniejszyć od 8% do 25% koszty energii w szpitalach.
• Przeprowadzanie szkoleń i kampanii edukacyjnych skierowane do pracowników służby zdrowia, ponieważ odgrywają oni ważną rolę w zmniejszaniu zużycia energii, głównie poprzez zmianę zachowań, takich jak wyłączanie świateł lub urządzeń, gdy nie są używane, co w efekcie może dać zmniejszenie zużycia energii elektrycznej nawet o co najmniej 13%.
• Zastosowanie materiałów zmiennofazowych (PCM) w projektach architektonicznych, co jest obiecującym rozwiązaniem, oferującym znaczące korzyści w zakresie oszczędzania energii i regulacji.

Literatura

[1] Chen-Xu, J., Kislaya, I., Fernandes, R. M., Carvalho, J., Blanco-Rojas, B. J., El-Omrani, O., Miotto, E., Čič, K., Boto, P., & Viegas, S. (2024). Interventions for increasing energy efficiency in hospitals. The Cochrane Database of Systematic Reviews, 2024(3), CD015693. https://doi.org/10.1002/14651858.CD015693

[2] Čongradac V, Prebiračević B, Jorgovanović N, Stanišić D. Assessing the energy consumption for heating and cooling in hospitals. Energy and Buildings 2012;48:146-154. [DOI: 10.1016/j.enbuild.2012.01.022]

[3] Corvalan C, Villalobos Prats E, Sena A, Campbell-Lendrum D, Karliner J, Risso A, et al. Towards climate resilient and environmentally sustainable health care facilities. International Journal of Environmental Research and Public Health 2020;17:8849. [DOI: 10.3390/ijerph17238849]

[4] Delgado A, Keene K, Wang N. Integrating health and energy efficiency in healthcare facilities. www.osti.gov/biblio/1773167. [DOI: 10.2172/1773167]

[5] Dz.U. 2016 poz. 831 „Ustawa z dnia 20 maja 2016 r. o efektywności energetycznej” z późniejszymi zmianami

[6] González González A, García-Sanz-Calcedo J, Rodríguez Salgado D. Evaluation of Energy Consumption in German Hospitals: Benchmarking in the Public Sector. Energies. 2018; 11(9):2279. https://doi.org/10.3390/en11092279

[7] Kaplan S, Sadler B, Little K, Franz C, Orris P. Can sustainable hospitals help bend the health care cost curve? Issue Brief (Commonwealth Fund) November 2012;29:1-14.

[8] Langstaff K, Brzozowski V. Managing environmental sustainability in a healthcare setting. Healthcare Management Forum 2017;30:84-88. [DOI: 10.1177/0840470416675178] 

[9] McGain F, Naylor C. Environmental sustainability in hospitals – a systematic review and research agenda. Journal of Health Services Research & Policy 2014;19(4):245-252. [DOI: 10.1177/1355819614534836]

[10] Ryan-Fogarty YRB, Moles R. Greening healthcare: systematic implementation of environmental programmes in a university teaching hospital. Journal of Cleaner Production 2016;126:248-259. [DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.03.079]

[11] Shehab, Salman Ali Salman. 2017. „Enhancing environmental sustainability of healthcare facilities: a system dynamics analysis approach”. Brunel University London.

[12] Suszanowicz D, Ratuszny P. Energy efficiency improvement in hospital buildings, based on the example of a selected type of hospital facility in Poland. IOP Conference Series Materials Science and Engineering October 2019;564:012129. [DOI: 10.1088/1757-899X/564/1/012129]

[13] Szczęśniak, Sylwia „Możliwości ograniczenia energii niezbędnej do utrzymania systemów wentylacji mechanicznej i klimatyzacji z odzyskiem ciepła w obiektach szpitalnych.” Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja. 2023, R. 54, nr 3, s. 10-20.

[14] Uścinowicz, Piotr, Anna Bogdan, Mirosław Szyłak-Szydłowski, Magdalena Młynarczyk, i Dominika Ćwiklińska. 2023. „Subjective assessment of indoor air quality and thermal environment in patient rooms: A survey study of Polish hospitals”. Building and Environment 228 (styczeń). https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109840.   

[15] Watts N, Amann M, Arnell N, Ayeb-Karlsson S, Belesova K, Boykoff M, et al. The 2019 report of The Lancet Countdown on health and climate change: ensuring that the health of a child born today is not defined by a changing climate. The Lancet 2019;394:1836–1878. [DOI: 10.1016/S0140-6736(19)32596-6] [16] Zaza PN, Sepetis A, Bagos PG. Prediction and optimization of the cost of energy resources in Greek public hospitals. Energies 2022;15(1):381. [DOI: 10.3390/en15010381]

[10] Szczęśniak, Sylwia „Możliwości ograniczenia energii niezbędnej do utrzymania systemów wentylacji mechanicznej i klimatyzacji z odzyskiem ciepła w obiektach szpitalnych.” Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja. 2023, R. 54, nr 3, s. 10-20.

[11] Uścinowicz, Piotr, Anna Bogdan, Mirosław Szyłak-Szydłowski, Magdalena Młynarczyk, i Dominika Ćwiklińska. 2023. „Subjective assessment of indoor air quality and thermal environment in patient rooms: A survey study of Polish hospitals”. Building and Environment 228 (styczeń). https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109840.   

[12] Watts N, Amann M, Arnell N, Ayeb-Karlsson S, Belesova K, Boykoff M, et al. The 2019 report of The Lancet Countdown on health and climate change: ensuring that the health of a child born today is not defined by a changing climate. The Lancet 2019;394:1836–1878. [DOI: 10.1016/S0140-6736(19)32596-6]