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by

Arch.Federica Leone
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Bornholms Hospital: la flessibilità comincia da ciò che non può cambiare

Perché scartare una soluzione energetica inadeguata è la forma più alta di progettazione.

Bornholm’s Hospital: Flexibility Begins with What Cannot Change

Why Discarding an Unsuitable Energy Solution Is the Highest Form of Design

Caso/Case: Bornholms Hospital, FUTURE Case 2
Scala/Scale: complesso ospedaliero e sistema energetico dell’isola di Bornholm/The hospital complex and energy system of Bornholm Island
Orizzonte progettuale/Strategic Vision: spostare una parte dei consumi per sostenere la rete e valorizzare la produzione rinnovabile/shifting a portion of energy consumption to support the grid and enhance renewable generation
Domanda/The Issue: come distinguere una flessibilità utilizzabile da un potenziale soltanto nominale, inefficiente o incompatibile con la continuità delle cure?/How can usable flexibility be distinguished from a potential that is merely nominal, inefficient, or incompatible with continuity of care?

Questo articolo sviluppa la cornice teorica delineata in “Il diritto all’inflessibilità “. Leggi l’analisi completa qui.

This article expands on the theoretical framework outlined in “The Right to Inflexibility“. Read the full analysis here.

English version below

ITA

A Bornholms Hospital, nella città danese di Rønne, circa trecento sensori e punti di misura hanno registrato i consumi elettrici fino a intervalli di cinque secondi. Il progetto FUTURE cercava di rendere visibile ciò che il contatore generale nascondeva: l’origine dei picchi, la durata dei cicli, le interazioni tra gli impianti e gli eventuali margini con cui modificare la domanda senza interferire con le funzioni critiche dell’ospedale. Il complesso utilizzava circa 3,54 GWh di elettricità e 5,52 GWh di calore all’anno. Era collegato alla rete elettrica e al teleriscaldamento di Rønne, disponeva di fotovoltaico, sfruttava il vicino lago Zahrmann come fonte di raffrescamento e manteneva due generatori diesel per le emergenze. Bornholm, connessa elettricamente alla Svezia ma interessata anche alla possibilità di operare temporaneamente in isola, aveva bisogno di capacità capaci di accompagnare una produzione crescente da vento e sole. L’ospedale sembrava, quindi, un candidato ideale per la flessibilità. Possedeva carichi consistenti, sistemi di controllo, masse termiche, impianti di raffrescamento e apparecchiature con cicli differenti. La verifica sul campo produsse però un risultato più utile di un semplice inventario dei consumi spostabili: nessuna delle ipotesi esaminate venne raccomandata per l’attuazione.

Una prima prova intervenne sul sistema centrale di raffrescamento, alimentato dall’aria esterna e dall’acqua del lago, con pompe di calore utilizzate quando le fonti dirette non erano sufficienti. Per ventiquattro ore, il setpoint dell’acqua refrigerata fu portato da 7,5 a 9,5 °C. Il consumo scese da circa 1.142–1.144 kWh dei giorni di confronto a 916 kWh, con una riduzione vicina al 20 per cento. Il dato era consistente, ma descriveva soprattutto un potenziale di efficienza. L’energia non veniva trasferita verso un altro momento: il sistema ne richiedeva meno per fornire il servizio. Un carico eliminato riduce la domanda di partenza; un carico flessibile rimane necessario e cambia collocazione temporale. La relazione tecnica interpretava, infatti, la prova come un risultato di efficienza più che come una risorsa da offrire alla rete.

La regolazione dinamica incontrò anche un limite operativo. Le prime analisi assumevano che il setpoint fosse determinato dalle temperature dei locali dedicati alle scansioni. La ricognizione successiva individuò invece nella risonanza magnetica, collocata nel punto più lontano del circuito, l’utenza critica. Il personale tecnico preferiva una regolazione manuale e conservativa, capace di produrre meno allarmi e di garantire maggiore affidabilità rispetto a un controllo dinamico più complesso. La proposta venne abbandonata.

Una seconda ipotesi cercava il margine nell’accumulo. Due serbatoi interrati da cento metri cubi, precedentemente utilizzati per il combustibile dei generatori e ormai vuoti, avrebbero potuto immagazzinare il freddo prodotto durante la notte. Raffreddare di un grado i duecento metri cubi d’acqua avrebbe accumulato circa 235 kWh. Il valore appariva rilevante finché non veniva confrontato con il sistema reale. Il fabbisogno massimo di raffrescamento, rivalutato in circa 400 kW, avrebbe consumato quella capacità in poco più di mezz’ora. L’investimento stimato in 200.000 corone danesi avrebbe avuto un tempo di ritorno compreso tra dieci e ventitré anni, secondo la differenza tariffaria tra giorno e notte. L’intervento avrebbe aggiunto complessità impiantistica senza produrre un margine proporzionato e non fu raccomandato.

Anche i magazzini refrigerati della cucina sembravano offrire una capacità già disponibile nei prodotti conservati e nell’aria fredda. Il setpoint delle celle fu modificato da −22 a −24 °C per un giorno e l’esperimento venne ripetuto. Le misure a intervalli di un minuto non registrarono una variazione significativa nel consumo dei compressori. L’apertura prolungata delle porte durante le operazioni mattutine avrebbe inoltre disperso rapidamente l’energia accumulata. Il potenziale teorico non diventava un servizio affidabile.

La massa termica dell’edificio fu verificata attraverso venti sensori interni che registravano temperatura e concentrazione di CO₂. Durante le prove estive, la ventilazione venne interrotta per periodi di circa un’ora. Nei locali con maggiore presenza di persone, la concentrazione di CO₂ raggiunse rapidamente livelli critici. Il margine non era determinato soltanto dalla temperatura: la qualità dell’aria riduceva il tempo durante il quale l’impianto poteva rispondere alla rete.

Un’ulteriore ipotesi riguardava i generatori di emergenza, avviati ogni quattordici giorni per le prove obbligatorie. Coordinare quei test con i momenti di maggiore necessità della rete avrebbe potuto offrire circa 12 MWh all’anno. La quantità era modesta, il combustibile costava circa tre corone per ogni kWh prodotto e l’avvio richiedeva la presenza manuale di uno dei soli tre tecnici autorizzati. Anche questa soluzione venne scartata.

I risultati costruiscono una mappa precisa della disponibilità energetica dell’ospedale. Il sistema centrale di raffrescamento conteneva soprattutto un margine di efficienza. L’accumulo nei serbatoi era tecnicamente possibile ma economicamente debole. Le celle frigorifere non produssero una risposta misurabile. La ventilazione incontrò rapidamente il limite della qualità dell’aria. I generatori appartenevano prima di tutto all’infrastruttura di sicurezza. Ogni componente richiedeva, quindi, una domanda differente. Alcuni consumi dovevano essere garantiti. Altri potevano essere ridotti attraverso una regolazione migliore. Altri ancora sarebbero stati spostabili soltanto dopo investimenti, automazione e verifiche ulteriori. Riunirli sotto un unico valore di flessibilità disponibile avrebbe cancellato proprio le differenze che ne determinavano la reale utilizzabilità.

Proteggere la risonanza magnetica, la qualità dell’aria o la continuità elettrica non rende necessariamente rigido l’intero edificio. Impone al progetto di cercare la variazione negli accumuli, nelle sequenze di funzionamento e nei controlli, conservando la possibilità di ritirarla appena una soglia clinica o operativa viene raggiunta.

Bornholm mostra anche che questo spazio può essere molto più piccolo di quanto suggeriscano i dati aggregati. La tecnologia non crea automaticamente un carico modulabile. Una misurazione più granulare rende visibili i vincoli, ma non li elimina. Un potenziale fisico può perdere utilità quando vengono conteggiati distribuzione, manutenzione, personale, durata della risposta e tempi di ritorno.

Scartare una soluzione energetica inadeguata diventa allora parte della progettazione. La mancata attivazione non equivale all’assenza di un risultato: identifica il punto in cui il servizio clinico, l’affidabilità tecnica o la proporzione economica prevalgono sulla disponibilità teorica del carico.

Il metodo resta trasferibile più dei valori ottenuti. Un ospedale costruito e ampliato nel corso di un secolo contiene sistemi sovrapposti, utenze lontane, controlli parzialmente automatici e priorità che cambiano nello spazio e nel tempo. Prima di aggregare i consumi occorre ricostruire la catena con cui ciascun impianto produce un servizio e individuare la soglia oltre la quale quel servizio perde affidabilità.

Bornholms Hospital lascia una regola di progetto precisa: prima di chiedere a un edificio di adattarsi, il sistema deve sapere che cosa non ha il diritto di muovere.

ENG

At Bornholm’s Hospital, in the Danish town of Rønne, approximately three hundred sensors and metering points recorded electricity consumption at intervals as fine as five seconds. The FUTURE project sought to make visible what the main meter concealed: peak origins, cycle durations, interactions among building systems, and potential margins for modulating demand without interfering with the hospital’s critical functions. The complex consumed approximately 3.54 GWh of electricity and 5.52 GWh of heat annually. Connected to Rønne’s power grid and district heating network, it featured photovoltaic generation, leveraged the nearby Lake Zahrmann as a cooling source, and maintained two diesel generators for emergency backup. Bornholm—electrically interconnected with Sweden but keenly interested in the ability to operate temporarily as an islanded grid—required capacity capable of accommodating expanding wind and solar generation. The hospital thus appeared to be an ideal candidate for flexibility. It possessed substantial loads, building control systems, thermal mass, cooling infrastructure, and equipment operating on distinct cycles. Yet field testing produced a result far more instructive than a simple inventory of shiftable loads: none of the evaluated hypotheses was recommended for implementation.

A first trial targeted the central cooling system, which relied on ambient outdoor air and lake water, supplemented by heat pumps when direct sources proved insufficient. For twenty-four hours, the chilled water setpoint was raised from 7.5 to 9.5 °C. Electricity consumption dropped from approximately 1,142–1,144 kWh on baseline comparison days to 916 kWh, representing a reduction close to 20 percent. While significant, this metric primarily described efficiency potential. Energy was not being shifted to a different time window; the system simply required less power to deliver the required service. An eliminated load reduces baseline demand, whereas a flexible load remains necessary and merely shifts chronologically. Indeed, the technical report interpreted the test as an efficiency gain rather than a grid-servicing resource.

Dynamic regulation also encountered a clear operational boundary. Initial analyses assumed setpoints were dictated by the room temperatures of scanning suites. Subsequent site surveys, however, identified the magnetic resonance imaging (MRI) unit—situated at the farthest point on the cooling loop—as the critical load. Technical staff favored conservative, manual setpoint adjustments that triggered fewer alarms and ensured greater reliability over a more complex dynamic control scheme. Consequently, the proposal was abandoned.

A second hypothesis sought flexibility through energy storage. Two underground tanks, each with a capacity of one hundred cubic meters previously used for generator fuel and now empty, could have stored cold water produced overnight. Cooling two hundred cubic meters of water by one degree Celsius would store approximately 235 kWh. This figure appeared meaningful until evaluated against the actual facility requirements. Peak cooling demand, reassessed at approximately 400 kW, would have exhausted that stored capacity in just over thirty minutes. The estimated investment of 200,000 Danish kroner promised a simple payback period between ten and twenty-three years, depending on day-night tariff spreads. The intervention would have introduced structural and engineering complexity without delivering a proportionate operational margin; it was not recommended.

The kitchen’s refrigerated storage rooms also appeared to offer latent thermal capacity within stored goods and chilled air. The setpoint of the cold rooms was lowered from −22 to −24 °C for one day, and the experiment was subsequently repeated. One-minute interval measurements revealed no statistically significant change in compressor power draw. Moreover, prolonged door openings during morning operations rapidly dissipated any accumulated thermal energy. The theoretical potential failed to materialize as a reliable grid service.

Building thermal mass was monitored via twenty indoor air quality sensors measuring temperature and CO₂ concentrations. During summer trials, mechanical ventilation was paused for periods of approximately one hour. In spaces with higher occupancy, CO₂ concentrations rapidly approached critical thresholds. The operating margin was therefore determined not by thermal inertia alone, but by air quality, which severely constrained the window during which the ventilation system could respond to grid signals.

A final hypothesis involved the emergency diesel generators, which were operated every fortnight for mandatory routine testing. Coordinating these test runs with periods of peak grid demand could have supplied approximately 12 MWh annually. The volume was modest, fuel costs hovered around three kroner per generated kWh, and startup required the physical presence of one of only three authorized technical staff members. This option was likewise discarded.

These results map the hospital’s true energy availability with precision. The central cooling system held an efficiency margin rather than shiftable flexibility. Storage in underground tanks was technically feasible but economically unviable. Cold storage rooms produced no measurable load response. Ventilation modulation rapidly hit air quality boundaries. The generators belonged primarily to safety infrastructure. Every component presented a distinct operational requirement. Certain loads had to be strictly guaranteed. Others could be reduced through improved regulation. Still others could become shiftable only following further capital investment, automation, and testing. Aggregating them into a single metric of available flexibility would have erased the exact operational nuances that dictated their real-world usability.

Safeguarding MRI operations, indoor air quality, and electrical continuity does not render an entire facility inherently rigid. It obliges system designers to seek flexibility within dedicated energy storage, equipment operational sequences, and control logic—while explicitly preserving the capability to override flexibility the moment a clinical or operational threshold is breached.

The Bornholm case demonstrates that this operational margin can be vastly narrower than aggregated data suggests. Technology does not automatically create a modifiable load. Granular metering renders operational constraints visible, but it does not remove them. Physical potential loses utility once distribution losses, maintenance needs, staffing constraints, response durations, and financial payback periods are factored into the accounting.

Discarding an unsuitable energy strategy thus becomes an integral component of engineering design. A failure to activate flexibility is not a failure to achieve a result: it pinpoints the exact boundary where clinical service, technical reliability, and economic proportion prevail over theoretical load availability.

The methodology remains far more transferable than the specific quantitative values obtained. A hospital complex constructed and expanded over a century features overlapping systems, remote end-users, partially automated controls, and priorities that shift across time and space. Before aggregating energy loads, engineers must map the precise chain through which each asset delivers its service and identify the threshold beyond which that service loses reliability.

Bornholm’s Hospital leaves behind an unequivocal design rule: before asking a building to adapt, the system must first know what it has no right to move.

References

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