Comparativa entre una solución de SAI distribuida vs. centralizada en

Comparativa entre una solución de SAI distribuida vs. centralizada en
hospitales
Autor:
Enrique Jaureguialzo - Consultants Development Manager
1Introducción
Este documento tiene como objeto comparar dos soluciones de alimentación eléctrica ininterrumpida para
quirófanos en hospitales desde la óptica de la inversión inicial, seguridad y costes de explotación (pérdidas
energéticas, mantenimiento, etc.), una basada en la instalación de un sistema de alimentación ininterrumpida (de
ahora en adelante SAI) por cada quirófano o sala de intervenciones y otra basada en centralizar las cargas críticas en
un solo sistema de SAI. Por último, se presenta una solución general optimizada para todas las cargas críticas de un
hospital (servicios generales, CPD y salas de intervención).
2 Sistema de SAI distribuido y
centralizado
Esta configuración presenta numerosas ventajas
respecto del anterior:
El sistema distribuido consiste en alimentar cada sala
de intervenciones con un único SAI de potencia y
autonomía suficientes para esa sala:
Menor coste de adquisición (inversión inicial).
Menor coste de explotación (menores pérdidas y
costes de mantenimiento)
Optimización del sistema de baterías.
Menor espacio ocupado (huella) y peso
SAI
10 kVA
5 kVA
Carga crítica
quirófano 1
Este esquema presenta el problema que, ante un fallo
del SAI, todos los quirófanos quedan sin alimentación.
Si este riesgo no es asumible, el sistema de SAI puede
ser redundado con otra unidad, de tal forma que ante el
fallo de uno de ellos, el otro pueda asumir la carga. Para
esto existen dos configuraciones:
SAI
10 kVA
5 kVA
Carga crítica
quirófano 1
2 kW
2 kW
SAI
Nx5
kVA
Figura 1. Sistema distribuido: cada sala con un SAI dedicado.
Esta es la solución más habitual y consiste en un SAI
de 7,5 kVA o 10 kVA que alimenta al transformador
de aislamiento (5 kVA o 7,5 kVA) y de aquí a las cargas
vitales de la sala. Estas cargas, por numerosos registros
de los que disponemos, son de aproximadamente 2
kW. Este valor puede ser usado para el cálculo de las
baterías, que deben garantizar, según reglamento, dos
horas de autonomía.
Con este esquema, claro está, deben instalarse tantos
SAI como salas a proteger. Otra forma de alimentar las
salas consiste en agruparlas en un único sistema de SAI:
SAI
Nx5
kVA
5 kVA
Carga crítica
quirófano 1
2 kW
5 kVA
Carga crítica
quirófano 2
2 kW
5 kVA
Carga crítica
quirófano N
2 kW
Figura 3. Sistema centralizado con SAI en paralelo redundante.
SAI
existente
SAI
Nx5
kVA
5 kVA
Carga crítica
quirófano 1
2 kW
SAI
Nx5
kVA
5 kVA
Carga crítica
quirófano 2
2 kW
5 kVA
Carga crítica
quirófano N
5 kVA
Carga crítica
quirófano 1
Figura 2. Sistema de SAI centralizado
2
5 kVA
5 kVA
2 kW
2 kW
Carga crítica
quirófano 2
2 kW
Carga crítica
quirófano N
2 kW
Figura 4. Sistema centralizado con SAI redundantes en Hot Standby.
10
15
20
Factor de
simultaneidad
Carga total
en SAI (Kw)
Autonomia
(h)
Area ocupada
(m2)
Peso
(kg)
Coste solución
por cada quirófano
Coste total
solución
Coste anual
mantenimiento
El siguiente cuadro resume los aspectos comparativos
más importantes de las soluciones descritas. En este
cuadro se comparan instalaciones de 5, 10, 15 y 20
quirófanos:
Potencia por
quirófano (kW)
Arquitectura de SAI
3 Comparativas entre sistemas
Potencia
SAI (kVA)
5
única desventaja es que el SAI que permanentemente
alimenta los quirófanos es el que dispone de la
autonomía de 2 horas, mientras que el de SSGG dispone
de autonomías típicas de 10 minutos. Además, es claro
que el SAI de SSGG debe tener potencia suficiente
para poder asumir las cargas de los quirófanos ante el
hipotético fallo de su SAI.
5
Distribuido
10
2
1
2
2
2,00
2.350
0,20
1,00
1,00
1
Centralizado (SAI único o
redundante Hot Standby)
30
2
0,8
8
2
1,85
1.422
0,08
0,42
0,20
N° de SAI
N° quirófanos
El esquema de paralelo redundante (figura 3) es más
caro que el del SAI único (figura 2), pero da plena
seguridad a las cargas críticas y goza de las mismas
ventajas enumeradas respecto del tradicional sistema
distribuido. En el esquema “Hot Standby” (figura 4) la
carga vital es alimentada por un SAI pero, si éste falla,
transfiere la carga a su entrada de by-pass, donde
está conectado otro SAI que la asume. En un hospital,
donde suele existir un sistema de SAI de gran potencia
para servicios generales (de aquí en más SSGG), el
equipo de respaldo (“SAI existente” de la figura 4)
puede ser este SAI de SSGG. La ventaja respecto del
paralelo redundante es evidente: se ahorra un SAI. La
2
Centralizado (paralelo redundante)
30
2
0,8
4
4
3,69
2.844
0,14
0,69
0,40
10
Distribuido
10
2
1
2
2
4,00
4.700
0,10
1,00
1,00
1
Centralizado (SAI único o
redundante Hot Standby)
50
2
0,7
14
2
2,63
2.108
0,03
0,29
0,11
2
Centralizado (paralelo redundante)
50
2
0,7
7
4
5,26
4.216
0,05
0,50
0,21
15
Distribuido
10
2
1
2
2
6,00
7.050
0,07
1,00
1,00
1
Centralizado (SAI único o
redundante Hot Standby)
80
2
0,6
18
2
1,88
2.730
0,02
0,24
0,07
2
Centralizado (paralelo redundante)
80
2
0,6
9
4
3,76
5.460
0,02
0,35
0,15
20
Distribuido
10
2
1
2
2
8,00
9.400
0,05
1,00
1,00
1
Centralizado (SAI único o
redundante Hot Standby)
100
2
0,6
24
2
2,45
3.290
0,01
0,19
0,06
2
Centralizado (paralelo redundante)
100
2
0,6
12
4
4,90
6.580
0,01
0,28
0,12
Cuadro 1: Comparativa entre sistemas (datos basados en precios medios de mercado).
Notas:
• Las columnas de costes se refieren siempre a la solución tradicional de SAI distribuidos. Por ejemplo, para la comparativa sobre 5
quirófanos, el coste de la solución con 5 SAI de 10 kVA se considera 1, mientras que la solución con un SAI único de 30 kVA es 0,42.
• La fila de “SAI único o redundante Hot Standby” considera, para el caso del hot standby, solo los costes del SAI dedicado a quirófanos
y no los de SSGG, ya que se considera que éste dispone de potencia suficiente para asumir los quirófanos, por lo que prácticamente
no es necesaria ninguna inversión adicional.
3
El siguiente gráfico compara los costes de inversión
por quirófano de las distintas soluciones, referidas a la
solución tradicional distribuida (un SAI por quirófano):
1,00
El esquema adjunto muestra una configuración optimizada
para dar servicio ininterrumpido a las distintas cargas de
un hospital. En concreto, se han dividido en tres grandes
grupos:
0,80
SSGG: Sistema de SAI de servicios generales (ofimática,
Coste por quirófano
1,20
0,60
0,40
0,20
0,00
5
10 15 20
Cantidad de quirófanos
Distribuido (un SAI 10 kVA por quirófano)
Centralizado (paralelo redundante)
Centralizado (o Hot Standby)
En el cuadro anterior puede verse claramente que los
costes de inversión son mucho menores en soluciones
centralizadas, y disminuyen a medida que se agrupan más
salas de intervención. Por ejemplo, el coste de agrupar 20
salas bajo un único SAI supone un 20% de la inversión que
sería necesaria para instalar un SAI por cada sala.
El siguiente gráfico muestra una comparativa de los costes
de mantenimiento referidos a la solución distribuida:
Costes de mantenimiento por quirófano
laboratorios, otros). Normalmente de gran potencia y
autonomía 10 minutos. Debe prestarse especial interés
en el rendimiento de este SAI, ya que será el que más
carga soporte. Por ejemplo, un SAI modelo Trinergy™
Cube de Emerson Network Power, tiene un rendimiento
medio anual cercano al 98% gracias a sus tres modos de
funcionamiento y a su redundancia circular (para más
detalles ver documentación técnica del equipo). Más
adelante se estudiarán las soluciones desde el punto de
vista de la eficiencia energética.
Quirófanos: SAI dedicado a las salas de intervenciones
Gráfico 1. Comparativa costes de inversión.
(solución centralizada) en configuración “Hot Standby”
con el SAI de SSGG para lograr alta fiabilidad a bajo
coste.
CPD: En el caso de los CPD (centro de proceso de datos),
los servidores disponen de doble fuente de alimentación,
por lo que la tendencia para lograr alta disponibilidad es
la de generar dos sistemas de SAI independientes, cada
uno alimentando las dos fuentes de cada servidor. En
nuestra propuesta se muestra un SAI dedicado al CPD
(fuentes 2), y las fuentes 1 toman alimentación del SAI
de SSGG, logrando así gran fiabilidad a bajo coste.
1,20
5 Comparativa de las distintas
soluciones desde la eficiencia
energética
1,00
0,80
0,60
A continuación se analizan las pérdidas energéticas entre
dos instalaciones, una de ellas según la arquitectura
tradicional y la otra según la optimización planteada en el
esquema anterior.
0,40
0,20
0,00
5
10 Distribuido (un SAI 10 kVA por quirófano)
15 20
Cantidad de quirófanos
Centralizado (paralelo redundante)
Centralizado (o Hot Standby)
Gráfico 2. Comparativa de costes de mantenimiento.
En el gráfico anterior pueden verse que los costes de
mantenimiento (explotación) disminuyen a medida
que se consolidan las cargas bajo un sistema único de
SAI. Es fácil verlo: cuantos más SAI mayores costes de
mantenimiento. Por ejemplo, si consideramos que se
agruparán 20 quirófanos en un único SAI, su coste de
mantenimiento será del 8% aproximadamente respecto al
coste de mantener 20 SAI.
4
4 Solución optimizada para todos los
servicios del hospital
Se consideran, para este estudio, los siguientes valores/
constantes:
Cantidad de quirófanos: 50
Carga media diaria por quirófano: 2 kW
Carga crítica de SSGG: 300 kW
Carga servidores CPD: 30 kW
Coste de la energía: 120 €/MWh
kg CO2 por kWh: 0,28 kg/kWh (fuente WWF media para
España año 2008)
ηAA: 2,5 (rendimiento del sistema de aire acondicionado)
Para esta comparativa se han tenido en cuenta los
siguientes escenarios:
Sistema 1 (tradicional):
Un SAI de 10 kVA por quirófano. En total 50 SAI.
Dos SAI de 400 kVA en paralelo redundante (1+1) para
SSGG.
Dos SAI de 40 kVA en paralelo redundante (1+1) para el
CPD.
Aplicando estos datos a la fórmula anterior nos queda:
1+ 1
1 1
1
∆ Pèrdidas = PCarga⦗ 11
= 100 kW ‾ - ‾ . 1+ ‾ = 8,2 kW
η1 ‾
η2)( η‾AA )
(‾
(0,9 0,952,5
)(
)
La energía anual disipada de más por el sistema 1 será:
Energía anual = 8,2 kW x 24 h x 365 días = 71,7 MWh anuales
Esta energía, a 120 €/MWh darán costes adicionales de la
solución convencional de:
Sistema 2 (optimizada):
Se agrupan los quirófanos en dos conjuntos de 25, cada
uno alimentado por un SAI de 120 kVA en “Hot Standby”
con el SAI de SSGG.
Un sistema Trinergy™ Cube con tres módulos de 200
€ pérdidas anuales = 71,7 MWh x 120
t de CO2=71,7 MWh x 0,28
kg CO2
fuentes 2 se alimentan desde el SAI de SSGG.
5.1 Comparativa de pérdidas entre los dos sistemas:
La siguiente ecuación sirve para el cálculo de la diferencia
de pérdidas entre dos sistemas de SAI de distintos
rendimientos:
11
∆
=P
1+ 1
Pèrdidas Carga⦗(‾
ηSAI 1 ‾
ηSAI 2 )( ‾
ηAA )
MWh
= 8.600 € anuales
Las emisiones adicionales de CO2 del sistema convencional
serán:
kVA (redundancia 2+1) para SSGG.
Un SAI único de 40 kVA para el CPD (fuentes 1). Las
€
kWh
= 20 t CO2 anuales
Los siguientes cuadros muestran los ahorros a diez años
vista:
100
Ahorro anual
(miles de €)
80
60
donde:
Pcarga: Potencia activa, en kW, de la carga a la cual se
comparan las pérdidas.
ηSAI1: Rendimiento del SAI 1 (el de menor rendimiento de
la comparativa)
40
20
0
ηSAI2: Rendimiento del SAI 2 (el de mayor rendimiento de
la comparativa)
ηAA: Rendimiento del aire acondicionado que debe neutralizar
el calor producido por el SAI: a menos pérdidas menor
aporte de frío necesario.
26
52
60
86
250
200
150
5.2 Pérdidas en los SAI de quirófanos:
100
Para el escenario 2 se plantean 2 SAI de 120 kVA, cada uno
de ellos con 25 quirófanos. La potencia total disponible en
SAI será de 240 kVA manteniendo igualmente 100 kW de
carga, indicando que el sistema está cargado al 40%. El
rendimiento de un SAI de 120 kVA al 40% de carga es de
aproximadamente el 95%.
17
43
77
1 23 4 5678910 Años
A continuación se analizarán las pérdidas por cada
subsistema: quirófanos, servicios generales y CPD:
Para el escenario 1 se plantean 50 SAI de 10 kVA, por lo
que la potencia total en SAI serán 500 kVA. La carga media
diaria en cada quirófano la hemos considerado de 2 kW,
por lo que la carga media total será de 100 kW, lo que
indica que el sistema de SAI (50x10 kVA= 500 kVA) estará
cargado al 20%.
El rendimiento de un SAI de 10 kVA al 20% de carga es de
aproximadamente el 90%.
9
34
69
Ahorro emisiones
CO2(t)
50
0
20
40
60
80
100
120
141
161
181
201
1 23 4 5678910 Años
5.3 Pérdidas en los SAI de SSGG:
Consideramos que estos SAI tendrán una carga media de
300 kW.
Para el escenario 1: esta carga será soportada por dos SAI
de 400 kVA (redundancia 1+1), lo que significa que cada uno
estará por debajo del 50% de carga. Si se han escogido SAI
de tecnología con transformador interno, su rendimiento a
este estado de carga es de aproximadamente el 90%.
5
Para el escenario 2: esta carga será soportada por un SAI
Trinergy™ Cube de 600 kVA (tres módulos de 200 kVA,
redundancia 2+1). Este equipo, con 300 kW de carga
estará al 50% de carga, con un rendimiento aproximado
del 98%.
Aplicando estos datos a la fórmula anterior nos queda:
11
1+ 1
1 1
1
∆ Pèrdidas = PCarga⦗ ‾
= 300 kW ‾ - ‾ . 1+ ‾ = 38,1 kW
η2)( η‾
( η1 ‾
)
(0,9 0,982,5
)(
)
AA La energía anual disipada de más por el sistema 1 será:
Energía anual = 38,1 kW x 24 h x 365 días = 338 MWh anuales
Esta energía, a 120 €/MWh darán costes adicionales de la
solución convencional de:
€ pérdidas anuales = 338 MWh x 120
€
MWh
= 40.000 € anuales
Las emisiones adicionales de CO2 del sistema convencional
serán:
t de CO2= 338 MWh x 0,28
kg CO2
kWh
= 93,4 t CO2 anuales
Los siguientes cuadros muestran los ahorros a diez años
vista:
5.4 Pérdidas en el CPD
Hemos considerado que el CPD tiene una carga de 30 kW.
Para el escenario 1, donde se disponen de dos SAI de 40
kVA para alimentarlo, cada SAI estará por debajo del 50%
de carga. Un SAI de 40 kVA a este estado de carga rinde
aproximadamente el 94%.
Para el escenario 2 se dispone de un solo SAI de 40 kVA
que asume el 50 % de carga, ya que el otro 50% lo asume
el SAI de SSGG. Entonces, el SAI dedicado al 50% de
carga rendirá un 92%, mientras que el Trinergy™ Cube de
SSGG, como ya indicamos, rinde un 98%. Luego el análisis
diferencial de pérdidas se debe hacer comparando los dos
rendimientos indicados pero con una carga de 15 kW:
La energía anual disipada de más por el sistema 1 será:
11
1+ 1
1
1
1
∆ Pèrdidas = PCarga⦗ ‾
= 15 kW ‾ - ‾ . 1+ ‾ = 0,9 kW
η2)( η‾AA )
( η1 ‾
(0,94 0,982,5
)(
)
Energía anual = 0,9 kW x 24 h x 365 días = 8 MWh anuales
Esta energía, a 120 €/MWh darán costes adicionales de la
solución convencional de:
€ pérdidas anuales = 8,9 MWh x 120
€
MWh
= 959 € anuales
Las emisiones adicionales de CO2 del sistema convencional
serán:
450
400
t de CO2= 8 MWh x 0,28
Ahorro anual
(miles de €)
kg CO2
kWh
= 2,2 t CO2 anuales
Los siguientes cuadros muestran los ahorros a diez años vista:
350
300
12
250
200
150
100
50
0
40
80
120
160
200
240
280
320
360
400
Ahorro anual
(miles de €)
10
8
6
1 23 4 5678910 Años
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 23 4 5678910 Años
1,000
800
Ahorro emisiones
CO2(t)
25
20
Ahorro emisiones
CO2(t)
600
400
200
0
93
187
280
374
467
561
654
748
841
934
1 23 4 5678910 Años
6
15
10
5
0
2
4
7
9
11
13
16
18
20
22
1 23 4 5678910 Años
5.5 Resumen de pérdidas entre los dos sistemas
El siguiente cuadro muestra un resumen de los ahorros
esperados con la solución optimizada propuesta:
a 1 año
a 5 años
a 10 años
Ahorro anual en
quirófanos [MWh]
71,7
358
717
Ahorro anual en
SSGG [MWh]
338
1.690
3.380
Ahorro anual en CPD
[MWh]
La eficiencia de un SAI, y en general de cualquier sistema,
se define por la relación entre la potencia activa de salida
y la potencia activa de entrada:
PSalida
ηSAI = ‾[Adimensional]
PEntrada
de donde la potencia de entrada
8
40
80
Ahorro anual total
[MWh]
417,7
2.088
4.177
€ anuales ahorrados
(a 120€/MWh):
50.124
250.620
501.240
117
585
1.170
t CO2 ahorrados:
Anexo 1: Cálculo del diferencial de
pérdidas entre dos sistemas de distinto
rendimiento
Se puede concluir que existen varios aspectos que
hacen una solución centralizada más ventajosa que una
distribuida:
Menor coste de inversión inicial.
Menores costes de mantenimiento (menores costes de
explotación).
Mayor eficiencia energética (menores costes de
explotación).
Notas Legales:
•Los productos de Emerson cumplen con el estándar
EN62040 parte 1 (estándar de seguridad para SAI), y
no deben ser usados en aplicaciones invasivas y/o
instalados en las cercanías eléctricamente activas del
paciente (alejado como mínimo a 1,5 m del paciente)
PSalida
PEntrada = ‾ [kW]
ηSAI
La diferencia entre potencia de entrada y de salida son las
pérdidas, en forma de calor, del SAI:
PSalida
PPèrdidas SAI = PEntrada — PSalida = ‾ PSalida [kW]
ηSAI
El aire acondicionado que debe enfriar la sala del SAI
deberá aportar tantas kcal como las disipadas por el SAI.
La potencia que absorberá el AA de la red será:
PPérdidas SAI
PAA = [kW]
ηAA
donde ηAA es el rendimiento del aire acondicionado.
La potencia total de pérdidas será:
PSalida
PPérdidas SAI
PPérdidas totales = PPérdidas SAI + PAA = – PSalida + [kW]
ηSAI
ηAA
Si tenemos dos sistemas de SAI de distinto rendimiento,
llamemos ηSAI 1 y ηSAI 2, la diferencia entre ambas pérdidas
será:
∆PPérdidas totales = PPérdidas totales SAI 1 – PPérdidas totales SAI 2
= (PPérdidas SAI 1 + PAA SAI 1) – (PPérdidas SAI 2 – PAA SAI 2) [kW]
reagrupando
términos:
∆PPérdidas totales = (PPérdidas SAI 1 – PPérdidas SAI 2 ) + (PAA SAI 1 – PAA SAI 2 ) [kW]
reemplazando por las ecuaciones anteriores:
•El diseño de la instalación debería ser hecha y/o
validada por un ingeniero profesional, y siempre
∆PPérdidas totales =
debería incluir distribuciones separadas “A+B”
+
con fuentes y líneas físicamente separadas. Todos
los SAI deben estar equipados con by-pass manual y
automático.
[(
PSalida
[( ηSAI 1
)
— PSalida —
PSalida
( ηSAI 2
— PSalida
)]
PPérdidas SAI 1
P
— Pérdidas SAI 2 [kW]
ηAA ) ( ηAA )]
reemplazando las pérdidas del SAI 1 y 2, sacando factor
común y operando:
∆PPérdidas totales =
PSalida
[ ηSAI 1
— PSalida —
PSalida
P
PSalida
— PSalida — Salida + PSalida
ηSAI 1
ηSAI 2
+ PSalida +
] [
ηSAI 2
]
ηAA
PSalida PSalida
PSalida
PSalida
PSalida PSalida
1
1+ ——
= ——— — ——— + ————— — ————— = ——— — ———
)(
(
ηSAI 1 ηSAI 2 ηSAI 1 , ηAA ηSAI 2 , ηAA
ηSAI1
ηSAI 2 ηAA )
= PSalida
1
1
1
——— — ——— 1+ —— [kW]
ηSAI 2 ) ( ηAA )
( ηSAI 1
7
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