Proyecto de aplicación de sistemas de cogeneración en hospitales en Colombia

Introducción

El sector hospitalario colombiano al igual que el de los países subdesarrollados adolece de presupuestos que verdaderamente puedan cubrir los costos reales de salud básica para todos los estratos y por obvias razones mucho menos los estratos 1 y 2 de la población colombiana.

Ello se ve reflejado en las crisis de muchos hospitales en los cuales los pagos a proveedores, salarios y deudas acumuladas han llegado a niveles críticos.

Ante este panorama que se presenta en el sector de salud pública, las medidas de posibles ahorros en la factura energética de los hospitales se pueden presentar como una de las soluciones que pueden ayudar a que la crisis no se ahonde más y tratar de salir del problema en que se encuentran.

Con la problemática del sector y el no muy amplio conocimiento del mismo desde el punto de vista de consumos energéticos y su posible potencial de ahorro la UPME, con visión futurista contrató el estudio de Ahorro Energético en el Sector Hospitalario Colombiano, del cual estamos haciendo la entrega correspondiente al informe final.

Este informe contempla el desarrollo de una metodología para identificar consumos energéticos tanto térmicos como eléctricos en forma detallada y con indicaciones suficientes para ser desarrollada por los hospitales colombianos tendiente a disminuir los costos de energía en estos centros, para lo cual el grupo de trabajo realizó las mediciones y comprobaciones correspondientes, en un centro hospitalario de nivel 4 y en un centro hospitalario de nivel 1, creando los indicadores energéticos correspondientes para futuras comparaciones de otros hospitales y centros de atención médica. Es importante anotar que aunque existen y se entregaron indicadores internacionales de consumo de energía es más importante la creación de los mismos por parte de la UPME ya que aquellos se basan condiciones que el país no tiene como es el caso de las estaciones y que afectan sensiblemente los consumos.

La base de datos que se elaboró para este fin se desarrolló en ACCESS, con código en VISUAL BASIC, plataforma MICROSOFT y en ella la UPME podrá tener el soporte informático necesario para dar cabida a todos centros hospitalarios colombianos y efectuar los cálculos de posibles ahorros energéticos en este sector de la economía colombiana. Se requiere que los equipos donde se vaya a correr el sistema tengan como mínimo OFFICE XP.

Las mediciones y demás datos necesarios para el desarrollo del estudio se encuentran debidamente analizados y consignados en el estudio así como los protocolos requeridos en la toma de datos.

Uno de los aspectos que se analizó en este estudio, es la importancia de calentar agua con paneles solares en los centros hospitalarios colombianos de todos los niveles, efectuamos análisis de perfectibilidad al reemplazar energía eléctrica o térmica por energía solar.

Aunque en otros países ya se habla de cogeneración en este sector, infortunadamente en Colombia, debido al tamaño de los hospitales públicos y a los requerimientos de vapor para su funcionamiento no hacen atractiva la inversión en esta tecnología importantísima a nivel mundial.

Como un gran centro de consumo energético en los hospitales se encontró al área de lavandería y es allí donde se centró las mejoras tecnológicas cuyos análisis y sensibilidades así como los modelos de evaluación se entregan con sus correspondientes resultados.

Finalmente y con el fin de que los esfuerzos por mejorar energéticamente el sector no se pierdan se hace entrega de un programa de divulgación del estudio y de la metodología, para ser puesta en practica por los hospitales, programa que comprende los requerimientos internos para su desarrollo y la divulgación externa del estudio.

Metodología

A continuación presentamos la metodología empleada para el desarrollo del presente estudio la cual tiene como fundamento AUDIT METHODOLOGY desarrollada por GARD ANALYTICS y A GUIDEBOOK FOR PERFORMING WALK-THROUGH ENERGY AUDIT"s OF INDUSTRIAL FACILITIES de BONNEVILLE POWER ADMINISTRATION.

• INTRODUCCIÓN.

De acuerdo con la Comisión de Energía de California[1]en un estudio de URE es necesario identificar los proyectos técnicamente viables y sus costos reales, que producirán la reducción del consumo de energía y de los costos operativos en el sistema.

Consecuentemente, la metodología que se describe en las siguientes páginas, se fundamenta en el conocimiento del consumo energético del sistema y el medio para lograrlo es la realización de un estudio de viabilidad, denominado también Auditoria Energética, entre otros términos.

Siguiendo la CEC, durante la auditoria se evaluarán los equipos consumidores de energía y se identificarán las formas de mejorar su eficiencia operativa.

Estas auditorias pueden ser realizadas directamente por personal calificado del usuario y la metodología pretende darle una guía y herramientas básicas en su ejecución y en el seguimiento del comportamiento energético del sistema o de un subsistema en particular. Sin embargo es muy importante tener en cuenta la experiencia del personal y su disponibilidad de tiempo.

Como quiera que si las recomendaciones de una auditoria no se pueden implantar en forma mas o menos inmediata, su ejecución a mediano plazo requeriría, al menos, una actualización del estudio realizado, la metodología propone un registro que sirva de base tanto para tal actualización como para el seguimiento del proceder del sistema.

• SUPUESTOS.

La metodología para auditorias energéticas en hospitales, como se vera en el siguiente numeral, parte de algunas premisas o supuestos los cuales se describen a continuación.

• Se supone que todos los estamentos del hospital tanto administrativos, técnicos y operativos están comprometidos con el ahorro energético como política general del hospital, por lo cual se considera que prestarán toda la colaboración necesaria para el éxito de cualquier estudio sobre este tema.

• La metodología propuesta en este estudio es de carácter general con un campo de aplicación para todos los hospitales en Colombia, sin embargo como ella es aplicable para diferentes tipos de auditorias energéticas, implica que las directivas del hospital deberán escoger el tipo de auditoria que requieran y su nivel de detalle.

• Las diferentes metodologías existentes para estudios energéticos prevén que para el desarrollo del mismo, existan elementos básicos necesarios como son planos, registros de las modificaciones a los mismos y conocimiento, por parte del personal, de la operación del sistema.

• Los procedimientos de toma de mediciones y la forma de realización de los análisis son de completa responsabilidad de quien realiza el estudio.

• Para el presente estudio y su Base de Datos se debe tener en cuenta que todos los meses se cuentan de 30 días.

• Debe tenerse en cuenta para todos los efectos, que los equipos que se encuentran en "Stand By" funcionarán a plena carga tan pronto entren en servicio.

Ya definidos los supuestos para la metodología, a continuación se presenta el procedimiento de la misma.

• DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA.

En el presente numeral se describen las actividades que se deben desarrollar en la metodología propuesta.

2.3.1. Paso 1. Entrevista con el Personal Directivo y de Mantenimiento y Operación (M&O).

Durante la auditoria inicial, se realiza una reunión entre el auditor y el personal de M&O para iniciar o presentar el proyecto. El tema de la reunión se centra principalmente en:

• Objetivos de la auditoria y alcance del trabajo.

• Normas y regulaciones del servicio del hospital.

• Funciones y responsabilidades de los miembros del equipo de trabajo.

• Descripción de las actividades del proyecto.

Adicionalmente a estos aspectos administrativos, durante esta reunión se pretende establecer:

• Características de operación del hospital.

• Especificaciones de los sistemas de energía.

• Procedimientos de operación y mantenimiento.

• Primera aproximación de las áreas de investigación.

• Restricciones inusuales de operación.

• Futuros planes de expansión.

• Otros aspectos relativos al hospital.

• Paso 2. Reconocimiento del Hospital.

Después de la reunión inicial, se organiza una visita al sitio para observar directamente su operación o funcionamiento, enfocando la atención hacia los principales centros de consumo identificados en la reunión previa, incluyendo la arquitectura, iluminación y fuerza, procesos de sistemas mecánicos y energéticos.

• Paso 3. Revisión de Documentos.

Durante la visita inicial y sucesivas reuniones de inicio, la documentación del ente auditado se revisa con representantes del hospital. Esta documentación deberá incluir los planos arquitectónicos y de ingeniería, disponibles, procedimientos de operación y mantenimiento y sus bitácoras y las facturas, por consumo de energéticos, de años precedentes. Debe anotarse que "los planos disponibles" hace referencia a aquellos actualizados mas que a los de "diseño" o, aun, a aquellos que contengan diferencias menores entre el sistema bajo evaluación como una parte de la auditoria y lo que actualmente está instalado.

• Pso 4. Inspección del Hospital.

Después de la revisión de la documentación, los principales centros de consumo se investigan. Donde sea necesario, se toman mediciones de campo para validar o materializar los parámetros de operación.

• Paso 5. Reunión con la Dirección.

Subsecuente a la inspección del hospital, el equipo auditor se reúne con la dirección del hospital, para presentar los resultados preliminares encontrados y las recomendaciones que están siendo consideradas. Puesto que el objetivo de la auditoria puede traducirse en proyectos que representen altos costos para el usuario, la información suministrada por la dirección puede ayudar a establecer las prioridades que formen una base de la auditoria energética. Así mismo, en entrevistas con el personal representativo encargado de M&O y señalado por el hospital, se puede obtener información relevante para la auditoria energética. Este personal representativo puede incluir los principales contratistas usuarios del sistema (consumidores de energía), de mantenimiento y, aún, representantes de las entidades proveedoras de energéticos.

• Paso 6. Análisis de Consumo Facturado.

Este análisis consiste en una revisión, lo mas detallada posible, de las facturas de energía de los últimos 12 a 36 meses. Se debería incluir toda la energía comprada, entre otros, electricidad, gas natural, combustóleo (fuel-oil), gas propano y vapor comprado tanto como la energía generada en sitio. Si es posible y se considera necesario, estos datos se obtienen y revisan antes de la visita al hospital (paso 4) para dirigir la atención de la visita hacia las áreas más críticas. En las facturas se debe revisar, hasta donde sea posible, la energía usada, la demanda de energía y la estructura de costos del proveedor.

El análisis de estas facturas debe considerar cambios en el sistema energético tales como cambios en la operación y se usa como una de las bases para calcular los ahorros proyectados para la evaluación ahorro de energía (EMC-Energy Conservation Measures).

Generalmente, los proveedores ofrecen un portafolio de tarifas y condiciones específicos para el caso en estudio, referente al consumo de energía y demanda del usuario final, de tal suerte que el hospital puede analizar sus opciones frente a las características propias de oferta/demanda de energía y optar por las mas conveniente.

Adicionalmente, ante un alto costo de la energía comprada, puede considerarse la opción de generar por si mismo alguna parte de sus requerimientos energéticos así, dentro de esta opción se puede considerar, entre otros: generación de potencia básica o para picos, paneles solares, generación eólica y cogeneración.

• Paso 7. Identificación y Evaluación de Ahorro Posible.

Típicamente, una auditoria energética debe cubrir tanto las modificaciones grandes que requieren detallado análisis económico como las modificaciones menores que puedan ofrecer retornos simples y/o rápidos, así, se realiza una lista de los posibles ahorros de energía para los mas importantes centros de consumo (calor, vapor, aire acondicionado, iluminación, fuerza, procesos, etc). Fundamentados en una revisión de toda la información de datos recolectados acerca del hospital y basados en las reacciones (opiniones) del personal del hospital en la conclusión de la revisión de la investigación de campo(paso 5), se elabora una lista de posibles ahorros y se revisa con la dirección del hospital.

• Paso 8. Análisis Económico.

Los datos recolectados durante la auditoria se procesan y analizan. Se construyen modelos y simulaciones para reproducir las observaciones de campo y se desarrolla una base contra la cual se miden los potenciales ahorros de energía. Enseguida se realiza la implantación de costos, ahorros de energía y retornos simples para cada centro de consumo investigado.

• Paso 9. Informe de Auditoria.

Los resultados encontrados y las recomendaciones se resumen en un informe final. Este informe incluye una descripción del hospital y su operación, una información de los principales centros de consumo, una descripción de los posibles ahorros con su impacto energético, análisis de costos, beneficios y retorno. El informe incorpora un resumen de las actividades y esfuerzos realizados a través del proyecto y conclusiones y recomendaciones específicas.

2.3.10. Paso 10. Revisión de las recomendaciones con la dirección del hospital.

Se hace una presentación formal de las recomendaciones finales a la dirección del hospital, con los suficientes datos de beneficios y costos para que puedan tomar una decisión en relación con los cambios y proyectos que deban ejecutar.

• TIPOS DE AUDITORÍAS.

En el documento "How to Hide an Energy Auditor to Identify Energy Efficiency Projects" de "California Energy Comisión" se definen tres (3) tipos de auditoria energética, a saber.

• Auditoria preliminar

• Auditoria de un solo propósito o dirigida (enfocada) hacia un sistema específico.

• Auditoria total.

En general las auditorias producen un balance energético el cual compara el consumo de energía de acuerdo con las facturas existentes con un consumo estimado del equipo actual basado en condiciones de operación normal.

El balance verifica que las suposiciones hechas durante la estimación de la energía consumida por los equipos es consistente con el total de la energía consumida, identificada a partir de las facturas.

La diferencia sustancial entre estos tres tipos de auditoria consiste en el nivel de detalle y análisis requerido para que la auditoria sea completa (suficiente).

• Auditoria Preliminar.

Estas son rápidas evaluaciones para determinar el potencial del proyecto y determinar si una auditoria más detallada se justifica. A menudo estas auditorias se usan como una estrategia de mercadeo y dependiendo del tamaño del ente por auditar, usualmente toma menos de un día para realizarse completamente.

En las auditorias preliminares se recolectan datos para estimar en forma general el ahorro de energía y los costos del proyecto mediante grupos tolerantes o generales de proyectos específicos, tales como la instalación de lámparas eficientes. De estos proyectos, los que tengan un probable retorno favorable serán analizados en futuras auditorias del tipo de un solo propósito o totales.

En este tipo de auditorias se incluye un breve informe que contenga una lista preliminar de posibles proyectos. Igualmente aporta unos cálculos mínimos y su análisis de soporte, así como unos ahorros de energía y los costos del proyecto estimados en forma general. Así mismo, en ellas no hay consideraciones de interacción entre los proyectos de URE, el efecto de instalar iluminación eficiente en el proyecto de HVAC (Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado), por ejemplo.

Como resultado, los ahorros no son seguros y no podrían ser usados como base para una decisión financiera.

• Ventajas.

– Da idea de potenciales proyectos energéticos.

– Es el tipo de auditoria menos costoso.

• Desventajas.

– Solamente suministra un mínimo de información, su seguridad es limitada en cuanto los costos y ahorros del proyecto.

• De Único Propósito.

También llamada como auditoria dirigida a un sistema específico. Este tipo de auditoria suministra un análisis detallado en uno o más proyectos específicos. Los proyectos analizados resultarían de una auditoria preliminar o ser sugeridos por el personal de mantenimiento y operación como un proyecto de mejora progresiva.

Esta auditoria bien puede ser realizada por personas especializadas en equipos específicos, eficientes, pero deben producir resultados relativamente seguros y hacer un estudio completo del sistema. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que un proyecto de gestión de sistemas de energía o un proyecto de reemplazo de sistemas HVAC, requiere un análisis más detallado que un proyecto de iluminación, por ejemplo, pues para estos últimos no se requiere un balance de todo el equipo, mientras que en los primeros se requiere, al menos, un balance simplificado, para asegurar que las suposiciones de ingeniería en cuanto a las horas de funcionamiento, cargas y eficiencia de los equipo, son válidas.

Un balance simplificado, generalmente, usa factores de densidad de energía para sistemas que no han sido considerados dentro del proyecto energético y recolecta mayor información de aquellos equipos que están siendo estudiados.

Todas las suposiciones usadas para desarrollar el balance energético y la información de la operación, tanto de los equipos existentes como para los propuestos, deben expresarse en la auditoria energética.

• Ventajas.

– Suministra un análisis detallado de una tecnología energética específica.

– Analiza solamente los proyectos que el usuario quiere.

• Desventajas.

– No presenta un plan de gestión energética.

– Puede ofrecer análisis potencialmente polarizados.

– Se enfoca en tecnologías específicas que pueden impactar adversamente en recomendaciones de proyectos energéticos futuros.

– Puede fallar por no contemplar otras alternativas.

• Auditoria Total.

Una auditoria total da un plan detallado de realización de un proyecto energético, puesto que evalúa todos los principales sistemas de consumo. La evaluación de los sistemas incluye el entorno del edificio, iluminación, agua caliente, HVA y controles. En algunos casos, la auditoria evalúa los potenciales proyectos de almacenamiento de energía térmica y cogeneración de energía.

Este tipo de auditoria ofrece estimativos de ahorro y de costos, mas seguros, considera los efectos interactivos de todos los proyectos, contabiliza el consumo de energía de todos los principales equipos e incluye cálculos, lo mas detallado posible, de ahorro de costos de energía y costos del proyecto.

Generalmente, una auditoria total usa modelos en computador para simular la operación del edificio y de los equipos, basados en conjuntos de equipos específicos, horas de operación y otros parámetros.

En una auditoria total, un elemento clave es el balance de energía. Este balance está basado en un inventario de los sistemas que consumen energía, suposiciones de operación normal y cálculos de consumo de energía. Este consumo estimado se compara con el valor de la factura.

Los resultados obtenidos en este tipo de auditorias sirven como base para la toma de decisiones de inversión dentro de un conjunto de proyectos del usuario de la energía.

• Ventajas.

• Presenta un análisis detallado de los ahorros y costos del proyecto para todas las tecnología apropiadas para el sistema.

• Incluye los efectos interactivos de todos los proyectos.

• Propone un plan lógico, no polarizado, para la ejecución del proyecto.

• Desventajas.

– Es la auditoria más costosa.

– Puede analizar mas proyectos que los que se puedan ejecutar prontamente.

• SISTEMAS A ESTUDIAR.

Se requiere que el personal de planta que realice el monitoreo o análisis de los sistemas energéticos a estudiar, esté familiarizado y conozca el día a día de la operación de éstos sistemas generales que identificaremos como sistema eléctrico y sistema térmico.

• Sistema Eléctrico.

Corresponde a la identificación de sistemas, tecnologías y equipos donde se puedan presentar oportunidades de ahorro energético y su consumo sea únicamente eléctrico. Los subsistemas a estudiar son:

• Iluminación.

• Motores

• Bombas y ventiladores

• Aire comprimido

• Refrigeración y aire acondicionado

• Iluminación.

Identificar plenamente las características de los diferentes tipos de tubo o bombillo, utilizando si es el caso binóculos para aquellas que estén demasiado altas. La cantidad de luz de cada uno se mide en LUMEN.

La relación LUMEN / WATT nos indica la eficiencia del tubo o bombillo. A mayor relación, mayor eficiencia.

De las tablas siguientes obtenemos una referencia sobre la operación y consumos de los tubos y bombillos más comunes.

• Motores.

Se debe identificar plenamente la eficiencia de los motores eléctricos en operación, su factor de carga (relación entre la carga real y la máxima de diseño ) para determinar las posibilidades de ahorro al utilizar motores de alta eficiencia.

El valor anual del ahorro de energía al utilizar motores de alta eficiencia, se puede calcular fácilmente de la siguiente ecuación.

Existen otros factores que permiten mejorar el rendimiento como lo son la velocidad, la potencia (a mayor potencia mayor eficiencia que en motores pequeños) y el factor de carga al que se opera según observamos en la siguiente gráfica.

Para efectos del control de eficiencia de los motores se deben llevar estadísticas con la siguiente información

• Bombas y Ventiladores.

Actualmente la eficiencia en una bomba puede tener variaciones de 50 a 80%, en una óptima operación. Es preciso determinar que el tamaño de la bomba o ventilador sea el apropiado así como las condiciones de operación en cuanto al flujo y velocidad como observamos en la tabla y gráficos adjuntos.

• Aire Comprimido y Vacío.

Se precisa determinar las caídas y variaciones que puedan presentar las líneas de aire comprimido y vacío, así como también la necesidad real de aire CFM y vacío en cada período de tiempo o jornada de trabajo.

Se estima que un HP genera de 3 a 5 CFM de ahí la importancia en evitar fugas en las líneas correspondiente a estos sistemas.

En la tabal adjunta observamos la cantidad de aire y la cantidad de energía (KWHr) que se pierde al presentar fugas de diferente diámetro en sistemas de aire comprimido, operando a 100 psig.

Además de los estadísticos de los motores se debe complementar con la siguiente información

• Refrigeración y aire acondicionado.

Se requiere determinara las reales necesidades de la temperatura mínima de enfriamiento y así seleccionar el tipo de compresión a utilizar 1 o 2 etapas. Los compresores multietapas generan mayores consumos de energía.

Los ciclos de los ventiladores de evaporación y compresión se pueden reducir hasta el 50% utilizando controles de tiempo y de temperatura.

El consumo eléctrico requerido por el sistema de aire acondicionado representa valores tan altos como el 30% del consumo total.

Se debe pensar siempre en utilizar sistemas de agua helada (chillers) que aunque con un costo inicial de 2,2 veces el de un aire de ventana, permite regular la capacidad de la unidad para operar a mayores eficiencias mientras que en el de ventana está a criterio del usuario.

En los sistemas de aire acondicionado central también llamados de agua fría (chiller) la unidad genera agua a temperaturas de aproximadamente 7°C. la cual es distribuida mediante tubería a las habitaciones y áreas comunes.

El componente que consume mayor energía en una unidad de agua fría es el compresor.

Esquema de Unidad Central o de Enfriadora de Agua (Chiller)

En la siguiente tabla se muestran los principales tipos de compresores y su consumo promedio en KW/TR (tonelada de refrigeración) al 100% de su capacidad, de acuerdo al medio de condensación.

Oportunidades de ahorro de Energía en sistemas de aire acondicionado. A. Charnichart, York Co & Alliance to Save Energy

I.P.LV. Valor integrado del comportamiento a cargas parciales.

La mayor parte de los equipos enfriadores de agua existen desde hace 15 años, son reciprocantes o centrífugos, con consumos promedio de 1,7 KW/T.R. cuando es un equipo reciprocarte enfriado por aire 0,9 KW/T.R. para uno centrífugo enfriado por agua y de esa misma edad.

En el siguiente gráfico se muestra la carga en KW proyectada en función de la demanda.

Ahorro de Energía en Sistemas HVAC. Carlos Aguirre – Danfoss & Alliance to Save Energy

Esta curva permite ajustar los flujos en la unidad central de acuerdo a la demanda.

En los sistemas con variador de velocidad se puede apreciar que con reducciones del 50% en el flujo, se obtienen consumos de energía de tan solo 12.5% del consumo máximo.

Ahorro de Energía en Sistemas HVAC. Carlos Aguirre – Danfoss & Alliance to Save Energy

Para completar la información de Aire Acondicionado se debe llevar la siguiente información

UNIDADES DE VENTANA

UNIDAD DE ENFRIAMIENTO CENTRAL – CHILLER

• Sistema Térmico.

El sistema térmico en un hospital básicamente está conformado por aquellos centros donde se consume directamente gas natural, ACPM, fuel oil, petróleo crudo, carbón, etc y en los que utilicen vapor, aire, agua caliente, generados a partir de energía térmica.

Los subsistemas a estudiar son:

• Calderas.

• Incineradores.

• Hornos.

• Estufas.

• Lavandería.

• Lavadoras.

• Secadores.

• Calandrias.

• Planchas.

• Cocina.

• Esterilización.

• Servicios Generales

• Agua caliente.

• Lactarios.

• Calderas.

La generación de vapor constituye la mayor fuente de consumo energético, de ahí la importancia de la eficiencia de combustión y operación de las calderas.

En la siguiente tabla se presentan los rangos típicos de operación de caldera para diferentes combustibles.

Bonneville Power Administration