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 Garantizamos la alta disponibilidad de datos y aplicaciones de misión crítica. Información sobre Emerson Network Power Emerson Network Power, una compania de Emerson (NYSE:EMR), es un lider mundial en el suministro de tecnologia para la infraestructura critica y los servicios durante todo el ciclo de vida de los sistemas tecnologicos en el ambito informatico y de la comunicacion. Gracias a un portfolio cada vez mayor de soluciones de hardware y software inteligentes y de rapida implementacion para la gestion termica, la infraestructura y el suministro electrico, Emerson Network Power permite la creacion de redes eficientes y de alta disponibilidad. Obtenga mas informacion en www.EmersonNetworkPower.es Aunque se han tomado todas las precauciones para asegurar la precisión y la integridad de este documento, Emerson no asume ninguna responsabilidad y no acepta reclamación alguna por daños y perjuicios derivados del uso de esta información o de cualquier error u omisión. Las especificaciones están sujetas a cambios sin previo aviso. EmersonNetworkPower.es Oficinas Emerson Network Power Global Headquarters 1050 Dearborn Drive P.O. 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