Soluzioni innovative multifunzionali e biocompatibili per la progettazione sostenibile e il management degli edifici ospedalieri nell'era post-covid

Italy, like all of Europe, is going through a major phase of socio-economic transformation that aims at a real transformation in the decision-making system, in the production system and above all in people's lifestyle. This is an urgent change to combat the devastating effects on health and the ecosystem and climate that human pollution is perpetuating over the years. Radical solutions are therefore needed to address essential challenges for the planet and for humanity: from decarbonizing the civil and industrial sector to combat global warming to promoting a circular economy to preserve resources and safeguard biodiversity. The core of the EU’s “Fit for 55” package is to make Europe climate neutral by 2050, and the revision of the EPBD (Energy Performance of Building Directive) aims to bring the European building stock to zero emissions (ZEB) by 2050. The topic of environmental sustainability in the building sector includes two aspects: the relationship between the building and the surrounding environment and the relationship between the building and its occupants. A building determines impacts on the environment not only at the time of construction, but also throughout the entire process, from the procurement of raw materials, production and transport, to the decommissioning and disposal of rubble. However, the use of the building itself, in ensuring conditions of internal comfort and well-being, also contributes significantly to generating this impact. Hospital buildings must also be included in the energy efficiency process, especially because they are among the most energy-intensive users in the building sector. The hospital environment is, however, a very complex system in which multiple chemical, physical and microbiological risk factors can interact with each other to the point of causing an alteration in the comfort and health conditions of both the user and the staff. The Covid-19 health emergency has highlighted these aspects even more. Hospitals, like all high-tech buildings, are subject over time to strong needs for equipment renewal and to high rates of changes in the intended use of the environments. Hence the need to never think of the hospital as a static and closed structure, aimed at a precise and immutable health organization, but rather as an organism as flexible as possible with regard to unpredictable health programs and as open as possible to modifications and expansions. Technological systems are one of the most critical and delicate aspects, since the formally correct methodological approach, which aims to create a highly flexible building organism, requires that the systems are designed in a way that is suitable to serve the specific healthcare activity, but at the same time are structured to allow future adaptations and/or reconversions without highly destructive, invasive and excessively expensive interventions. In Italy there are approximately 1550 hospitals and nursing homes, of which approximately 60% are public and the remaining 40% are private. Regarding the age of the buildings that make up the aforementioned building heritage, there is no updated and reliable data; this is due to the fact that hospitals are complex organisms, often composed of buildings and bodies built in different eras and then subject to repeated more or less radical interventions that influence their real age in a variable way. It is worth pointing out that in 1990, at the start of the multi-year program for the redevelopment of our healthcare building heritage, sanctioned, as is known, by the famous article 20 of the 1988 financial law, a census was carried out, according to which "the majority of the facilities could be defined as poor or mediocre". It also resulted in: 26% of Italian hospitals were housed in facilities of other origins, such as, for example, monasteries; 57% had been built before 1940 and the average age of the buildings was about 62 years, with systems inadequate to safety standards. In 2001, about ten years later, another survey was carried out on the "typical hospital model", whose data, today certainly outdated, have consolidated the awareness that our public hospital heritage is absolutely obsolete. In hospital construction, in particular, the design of energy saving interventions must take place in the essential perspective of the integrated design of the building - systems system, since on the one hand the control of the microclimate must be operated by both the system and the envelope, on the other it is also necessary to select the systems based on their management and maintenance needs, mainly so as not to interfere with the continuous operation cycle of the building. Intervening in this sector, however, means simultaneously considering both the legislation currently in force on energy saving in construction and the specific design standards for healthcare facilities, aspects which are sometimes in conflict with each other. The standards and laws for the design of hospital facilities are in fact numerous and concern various fields of application, given the complexity and social importance of the structure. The control of the parameters that influence environmental and microclimatic well-being within an environment and the control strategies of these quantities – through the use of appropriate air conditioning and ventilation systems – present the greatest application difficulties precisely in the field of hospital construction, characterized, on the one hand, by the need for maximum rigor in environmental control and, on the other, by a very high functional complexity, with varied intended uses and requiring different microclimatic conditions. It must be said that hospitals are highly homogeneous buildings: a hospital consumes two to five times more energy than any other tertiary building and in Europe a group of 15,000 hospitals is responsible for at least 5% of total annual carbon dioxide emissions. For this reason, intervening in the management of air conditioning and heating systems (HVAC systems) represents one of the greatest challenges in the sector. In general, air conditioning systems have the function of controlling the following parameters: air temperature, relative humidity, minimum flow rate of external air, overpressure or depression of an environment compared to the outside and/or neighboring environments and, in the case of hospital facilities, also the concentration of contaminants and the presence of viruses and bacteria present in the external air and/or produced inside the environments. Furthermore, the air conditioning system should be able to balance different temperature and humidity conditions both between departments and in almost every single environment, not only for the different load conditions that may occur, but precisely for operational needs intrinsic to the intended use of the environment. It is easy to understand that what makes the design particularly complex are above all the rates of renewal air required in each environment, to which is often added the need to avoid the recirculation of air or the mixing of volumes of air coming from different environments and to provide, in relation to the department's needs, sterile air with the use of sophisticated filtration systems. In general, the scientific research carried out during the doctoral period has mainly focused on the energy requalification of existing hospitals in the Campania and Molise regions, both from a plant and structural point of view, as well as on the improvement of the comfort conditions of staff and patients during hospital stays. In particular, the work of these years can be divided into two macro-topics: Energy management of hospital facilities; Innovative solutions for sustainable design. This introduction will provide a general overview of the topics covered. ENERGY MANAGEMENT OF HOSPITAL FACILITIES In order to understand whether a generic building is energy efficient, it is first necessary to carry out a correct energy diagnosis. The energy diagnosis is essentially based on an analysis that is aimed at defining the actual state of the building from an energy-performance point of view, identifying what could be the energy requalification interventions to be promoted in order to increase the energy efficiency of the building itself. A first phase of the research therefore concerned the development of a methodology for carrying out the energy diagnosis of hospital facilities taking into account the three key aspects: well-being, energy saving and reduction of environmental impacts. Particular attention was paid to the diagnosis of the systems because by carrying out a detailed analysis of the literature, through a review, it emerged that usually we focus only on the generation system, neglecting the efficiency of the other subsystems that instead contribute to the overall efficiency of the system. Considering this criticality, during the doctorate, in-depth studies were carried out on the type of interventions to be carried out on the different subsystems using a hospital building located in Isernia, the “Ferdinando Veneziale” hospital, as a case study. During the design phase of energy requalification interventions of healthcare facilities, the comfort conditions of both patients and healthcare personnel must also be taken into account. Precisely to take these conditions into account, a study was conducted to evaluate the effectiveness of efficiency measures on the building envelope based on the minimization/maximization of an optimal index to describe the internal conditions. The surgery department of the “A. Cardarelli” hospital in Campobasso was considered as a case study. Various indexes were evaluated, which derive from important studies in the field of thermal comfort. These indexes were evaluated starting from the variable measured inside two rooms and compared with the thermal sensation rating provided by the patients. The analytical and experimental phases suggest that the expected average rating is not adequate to describe the thermal conditions inside the surgery departments. The numerical part, instead, indicates that, based on the perception of comfort, there are different choices regarding the selection of energy efficiency measures. In fact, the insulation of external walls is not advantageous because it would increase thermal discomfort. Indeed, the adoption of horizontal shielding seems to be the most suitable solution because it can reduce the average operating temperature by more than 1°C and obtain a more symmetrical distribution of internal variables. For the same case study, a computational fluid dynamics simulation was also performed with a dynamic model in order to study the influence of different positions of the air emitters, as well as the ventilation efficiency based on different air supply configurations. INNOVATIVE SOLUTIONS FOR SUSTAINABLE DESIGN To improve efficiency and energy performance, the building must also be considered from a structural point of view. Research on innovative materials is of great interest in relation to the energy saving and environmental impact reduction objectives set by the European strategy. In this context, the adoption of phase change materials (PCM) is a promising solution for improving the energy performance of buildings and indoor comfort, while the integration of geopolymer concrete (GPC) allows to recycle materials and reduce the demand for raw materials in concrete production. Both materials contribute to reducing carbon dioxide emissions in the life cycle of the building. In order to define a package of walls in geopolymer concrete and phase change material able to provide sustainable solutions for the performance of buildings in Mediterranean climates, a two-phase analysis has been proposed to determine the optimal configuration of a real case study characterized by the MATRIX (Multi Activity Test-Room for InnovatingX) experimental station, a large-scale test-room serving the Department of Engineering of the University of Sannio. MATRIX is a large-scale test room (36 m2). During the doctorate, in fact, part of the research was conducted in collaboration with the Environmental Technical Physics group of the aforementioned University, continuing the work begun during the internship for the Master's thesis. Other aspects that should not be underestimated are the impact of the glass system that characterizes the building itself and the lighting system present inside the building under study. To further investigate both issues, experimental studies were carried out in collaboration with the group of the University of Sannio at the BNZEB building, a nearly zero-energy building constructed in Benevento.

L’Italia come tutta l’Europa sta attraversando una grande fase di trasformazione socio-economica che punta ad una vera trasformazione nel sistema decisionale, nel sistema produttivo e soprattutto nello stile di vita delle persone. Si tratta di un cambiamento urgente per combattere i devastanti effetti sulla salute e l’ecosistema ed il clima che l’inquinamento umano sta perpetuando negli anni. Sono, quindi, necessarie soluzioni radicali con le quali affrontare sfide essenziali per il pianeta e per l’umanità: dalla decarbonizzare del settore civile ed industriale per combattere riscaldamento globale alla promozione di un’economia circolare per preservare le risorse e salvaguardare la biodiversità. Elemento centrale del pacchetto “Fit for 55” dell'Ue è quello di rendere l’Europa climaticamente neutra entro il 2050 e la revisione della EPBD (Energy Performance of Building Directive) mira a portare il parco immobiliare europeo a zero emissioni (ZEB) entro il 2050. Il tema della sostenibilità ambientale nel settore edilizio comprende due aspetti: il rapporto tra l’edificio e l’ambiente circostante e il rapporto tra l’edificio e i suoi occupanti. Un edificio determina impatti sull’ambiente non solo all’atto della costruzione, ma anche lungo tutto il processo, dall’approvvigionamento delle materie prime, produzione e trasporto, fino alla dismissione e smaltimento delle macerie. Tuttavia anche l’uso dell’edificio stesso, nel garantire condizioni di comfort e benessere interno, contribuisce notevolmente a generare questo impatto. Anche l’edilizia ospedaliera deve rientrare nel processo di efficientamento energetico, soprattutto perché è tra le utenze più energivore del settore edile. L’ambiente ospedaliero è, però, un sistema molto complesso in cui molteplici fattori di rischio chimici, fisici e microbiologici, possono interagire reciprocamente tanto da determinare un’alterazione delle condizioni di comfort e di salubrità sia dell’utente che del personale. L’emergenza sanitaria da Covid-19 ha sottolineato ancora di più questi aspetti. Gli ospedali, come tutti gli edifici ad alta densità tecnologica, sono soggetti nel tempo a forti necessità di rinnovamento delle attrezzature e ad alti indici di variazioni delle destinazioni d’uso degli ambienti. Di qui l’esigenza di non pensare mai l’ospedale come una struttura statica e chiusa, finalizzata ad una precisa ed immutabile organizzazione sanitaria, bensì ad un organismo quanto più è possibile elastico nei confronti degli imprevedibili programmi sanitari e quanto più possibile aperto verso modificazioni ed ampliamenti. Gli impianti tecnologici costituiscono uno degli aspetti più critici e delicati, dal momento che l’impostazione metodologica, formalmente corretta, che ambisce a realizzare un organismo edilizio fortemente flessibile, impone che gli impianti siano progettati in modo idoneo a servire la specifica attività sanitaria, ma nel contempo siano strutturati per consentire futuri adattamenti e/o riconversioni senza interventi fortemente distruttivi, invasivi ed eccessivamente onerosi. In Italia vi sono circa 1550 ospedali e case di cura di cui circa il 60% pubblici e il restante 40% privati. In merito alla vetusta degli edifici che compongono il suddetto patrimonio edilizio, non esistono dati aggiornati e affidabili; ciò è dovuto al fatto che gli ospedali sono organismi complessi, spesso composti da edifici e da corpi realizzati in epoche diverse e poi soggetti a ripetuti interventi più o meno radicali che ne influenzano in maniera variabile l’età reale. Vale comunque la pena precisare che nel 1990, al momento dell’avvio del programma pluriennale di riqualificazione del nostro patrimonio edilizio sanitario, sancito, come è noto, dal famoso articolo 20 della legge finanziaria del 1988, venne effettuato un censimento, in base al quale “la maggior parte dei presidi era definibile come scadente o mediocre”. Risultava, inoltre: • il 26% degli ospedali italiani era ospitato in presidi di altra origine, come, ad esempio, monasteri; • il 57% era stato edificato prima del 1940 e l’età media degli edifici era di circa 62 anni, con impianti inadeguati alle norme di sicurezza. Nel 2001, circa dieci anni dopo, è stata fatta un’altra ricognizione sul “modello ospedale tipo”, i cui dati, oggi certamente superati, hanno consolidato la consapevolezza che il nostro patrimonio ospedaliero pubblico è assolutamente obsoleto. Nell’edilizia ospedaliera, in particolare, la progettazione di interventi per il risparmio energetico deve avvenire nell’ottica irrinunciabile della progettazione integrata del sistema edificio – impianti, poiché da un lato il controllo del microclima deve essere operato sia dall’impianto che dall’involucro, dall’altro è altresì necessario selezionare i sistemi impiantistici in funzione delle loro necessità gestionali e manutentive, principalmente in modo da non interferire con il ciclo di funzionamento continuo dell’edificio. Intervenire su questo settore, però, significa considerare contemporaneamente sia la normativa attualmente vigente in materia di risparmio energetico in edilizia, sia le norme di progettazione specifiche per le strutture sanitarie, aspetti questi talvolta contrastanti tra di loro. Le norme e le leggi per la progettazione delle strutture ospedaliere, infatti sono molteplici e riguardano svariati campi di applicazione, data la complessità e l’importanza sociale della struttura. Il controllo dei parametri che influenzano il benessere ambientale e microclimatico all’interno di un ambiente e le strategie di controllo di tali grandezze – mediante il ricorso ad opportuni impianti di climatizzazione e ventilazione – presentano le maggiori difficoltà applicative proprio nell’ambito dell’edilizia ospedaliera caratterizzata, da una parte, dalla necessità di massimo rigore nel controllo ambientale e, dall’altra, da una complessità funzionale elevatissima, con destinazioni d’uso variegate e che richiedono diverse condizioni microclimatiche. C’è da dire che gli ospedali sono edifici altamente omogenei: un ospedale consuma da due a cinque volte più energia di un qualsiasi altro edificio del terziario e in Europa un insieme di 15000 ospedali è responsabile di almeno il 5% delle emissioni totali annue di anidride carbonica. Per questo, intervenire sulla gestione degli impianti di climatizzazione e riscaldamento (i sistemi HVAC) rappresenta una delle più grandi sfide del settore. In generale, gli impianti di climatizzazione hanno la funzione di controllare i seguenti parametri: temperatura dell’aria, umidità relativa, portata minima di aria esterna, sovrapressione o depressione di un ambiente rispetto all’esterno e/o ad ambienti limitrofi e, nel caso di strutture ospedaliere, anche la concentrazione dei contaminanti e la presenza di virus e batteri presenti nell’aria esterna e/o prodotti all’interno degli ambienti. Inoltre l’impianto di climatizzazione dovrebbe essere in grado di bilanciare condizioni di temperatura e umidità differenti sia tra reparto e reparto che in quasi ogni singolo ambiente, non solo per le diverse condizioni di carico che possono verificarsi, ma proprio per esigenze operative intrinseche alla destinazione d’uso dell’ambiente. È facile intuire che a rendere particolarmente complessa la progettazione sono soprattutto i tassi di aria di rinnovo richiesti in ciascun ambiente, cui si aggiunge spesso la necessità di evitare il ricircolo dell’aria o il mescolamento tra volumi di aria provenienti da ambienti diversi e di fornire, in rapporto alle esigente di reparto, aria sterile con l’utilizzo di sofisticati sistemi di filtrazione. In generale, la ricerca scientifica svolta durante il periodo di dottorato si è concentrata principalmente sulla riqualificazione energetica di ospedali esistenti nelle regioni Campania e Molise, sia dal punto di vista impiantistico che dal punto di vista strutturale, nonché al miglioramento delle condizioni di comfort di personale e pazienti nelle degenze ospedaliere. In particolare, il lavoro di questi anni può essere suddiviso in due macro-argomenti: Il management energetico delle strutture ospedaliere; Le soluzioni innovative per la progettazione sostenibile. In questa introduzione si andrà a fornire una panoramica generale degli argomenti trattati. IL MANAGEMENT ENERGETICO DELLE STRUTTURE OSPEDALIERE Per poter capire se un generico edificio è efficiente dal punto di vista energetico è necessario, innanzitutto, andare a fare una corretta diagnosi energetica. La diagnosi energetica si basa, essenzialmente, su una analisi che è finalizzata a definire lo stato di fatto dell’edifico dal punto di vista energetico-prestazionale, individuando quelli che potrebbero essere gli interventi di riqualificazione energetica da promuovere al fine di aumentare l’efficienza energetica dell’edificio stesso. Una prima fase della ricerca ha dunque riguardato la messa a punto di una metodologia per realizzare la diagnosi energetica di strutture ospedaliere tenendo conto dei tre aspetti chiavi: benessere, risparmio energetico e riduzione degli impatti ambientali. Particolare attenzione è stata posta alla diagnosi degli impianti in quanto facendo una analisi dettagliata della letteratura, attraverso una review, è emerso che usualmente ci si concentra solo sul sistema di generazione trascurando l’efficienza degli altri sottosistemi che invece concorrono all’efficienza globale del sistema. Considerando questa criticità, durante il dottorato sono stati realizzati approfonditi studi sulla tipologia di interventi da realizzare ai diversi sottosistemi utilizzando come caso studio un edificio ospedaliero situato ad Isernia, l’ospedale “Ferdinando Veneziale”. Durante la fase di progettazione di interventi di riqualificazione energetica di strutture sanitarie sono da tenere in considerazione anche le condizioni di comfort sia dei pazienti che del personale sanitario. Proprio per tenere in considerazione tali condizioni, è stato condotto uno studio per valutare l’efficacia delle misure di efficienza sull’involucro edilizio basato sulla minimizzazione/massimizzazione di un indice ottimale per descrivere le condizioni interne. Come caso studio è stato considerato il reparto di chirurgia dell’ospedale “A. Cardarelli”, a Campobasso. Sono stati valutati diversi indici, che derivano da importanti studi nel campo del comfort termico. Questi indici sono stati valutati a partire dalla variabile misurata all’interno di due stanze e confrontati con il voto di sensazione termica fornito dai pazienti. Le fasi analitiche e sperimentali suggeriscono che il voto medio previsto non è adeguato a descrivere le condizioni termiche all’interno dei reparti di chirurgia. La parte numerica, invece, indica che, in base alla percezione di confort, ci sono scelte diverse per quanto riguarda la selezione delle misure di efficienza energetica. Infatti l’isolamento delle pareti esterne non è vantaggioso perché aumenterebbe il discomfort termico. Anzi l’adozione di schermature orizzontali sembra la soluzione più adeguata perché si può ridurre la temperatura media operativa di oltre 1°C e ottenere una distribuzione più simmetrica delle variabili interne. Per lo stesso caso studio, è stata, inoltre, eseguita una simulazione fluidodinamica computazionale con un modello dinamico al fine di studiare l’influenza di diverse posizioni degli emettitori di aria, nonché l’efficienza di ventilazione in base a diverse configurazioni di alimentazione dell’aria. LE SOLUZIONI INNOVATIVE PER LA PROGETTAZIONE SOSTENIBILE Per migliorare l’efficienza e le prestazioni energetiche bisogna considerare l’edificio anche dal punto di vista strutturale. La ricerca sui materiali innovativi è di grande interesse in relazione agli obiettivi di risparmio energetico e di riduzione dell’impatto ambientale previsti dalla strategia europea. In questo contesto, l’adozione dei materiali a cambiamento di fase (PCM) è una soluzione promettente per il miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici e del comfort interno, mentre l’integrazione del calcestruzzo geopolimerico (GPC) consente di riciclare i materiali e di ridurre la domanda di materie prime nella produzione di calcestruzzo stesso. Entrambi i materiali contribuiscono a ridurre le emissioni di anidride carbonica nel ciclo di vita dell’edificio. Al fine di definire un pacchetto di pareti in calcestruzzo geopolimerico e materiale a cambiamento di fase in grado di fornire soluzioni sostenibili per le prestazioni degli edifici in climi mediterranei, è stata proposta una analisi a due fasi per determinare la configurazione ottimale di un caso studio reale caratterizzato dalla stazione sperimentale MATRIX (Multi Activity Test-Room for InnovatingX), una test-room di grande scala a servizio del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi del Sannio. MATRIX è una sala prove di grandi dimensioni (36 m2). Durante il dottorato, infatti, una parte delle ricerche è stata condotta in collaborazione con il gruppo di Fisica Tecnica Ambientale della suddetta Università, proseguendo il lavoro iniziato durante il tirocinio per la tesi Magistrale. Altri aspetti da non sottovalutare sono l’impatto del sistema di vetrate che caratterizza l’edificio stesso e il sistema di illuminazione presente all’interno dell’edificio oggetto di studio. Per approfondire entrambe le tematiche sono stati realizzati studi sperimentali in collaborazione con il gruppo dell’Università degli Studi del Sannio presso l’edificio BNZEB, un edificio a energia quasi zero costruito a Benevento.