• Diseño de sistemas eléctricos para la educación superior

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Las escuelas universitarias y los campus requieren sistemas de redes eléctricas fiables, fáciles de modificar y de mantener para cumplir con sus misiones académicas y de investigación. Las perturbaciones eléctricas pueden, independientemente de cuál sea la causa, poner en riesgo e incluso invalidar las investigaciones científicas, así como interrumpir la actividad rutinaria de las aulas de una institución.

Para diseñar este tipo de sistemas, el profesional eléctrico debe sopesar una serie de requisitos funcionales tanto inmediatos como a largo plazo (además de los códigos y las normas y de seguridad) para diseñar un sistema eléctrico fiable y duradero para todo el campus y sus distintos edificios excepcionales de alto rendimiento. De hecho, un examen a fondo de la infraestructura, la fiabilidad, los sistemas redundantes, los sistemas de medición, la variabilidad y la facilidad del mantenimiento revela en qué medida los complejos requisitos de diseño de las instalaciones de educación superior sobrepasan los requisitos mínimos de las normativas.

Infraestructura y fiabilidad

La infraestructura de la red eléctrica que suministre a un campus de educación superior debe proporcionar energía fiable y segura a sus distintos componentes. Para ello, el suministro eléctrico entrante debe ser distribuido de tal manera que se facilite la restauración de la energía de manera segura y rápida tras producirse un apagón.

A la hora de solicitar los servicios de una compañía eléctrica, los propietarios de las instalaciones deberán sopesar diversos factores al seleccionar el servicio eléctrico más adecuado para el campus. Las soluciones varían en función de la geografía. Los campus en el corazón de las grandes ciudades pueden confiar en la red de la empresa suministradora disponible para servir a sus edificios directamente, mientras que un campus ubicado en una localización más remota puede que tenga que gestionar su infraestructura eléctrica y distribuir sus propios servicios de manera interna. En este último caso, el reto consiste en seleccionar los servicios apropiados de la empresa suministradora y determinar cómo distribuirlos con mayor eficacia.

 Tabla 1: En esta tabla se compara la fiabilidad de un sistema radial simple, un sistema selectivo primario con conmutación manual y un sistema selectivo primario con conmutación selectiva automática. Cortesía de: Affiliated Engineers Inc.; fuente: IEEE 493-2007, Tabl

Para analizar la fiabilidad del servicio de suministro eléctrico que, de acuerdo con el IEEE, es el factor que más contribuye tanto a la tasa de fallos como a las horas de tiempo de inactividad forzada al año en el punto de servicio de 480 V, los ingenieros deben remitirse a la norma IEEE 493-2007: Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems (Prácticas recomendadas para el diseño de sistemas eléctricos industriales y comerciales fiables). Esta norma proporciona ejemplos valiosos que resultan útiles para determinar la fiabilidad de las fuentes de suministro simple y doble, y para la comparación de diferentes técnicas de distribución dentro del campus. Los ejemplos dados concluyen que se obtiene una mayor fiabilidad con una fuente de suministro doble dispuesta en una configuración selectiva primaria.

La norma IEEE 493-2007 compara la fiabilidad de un sistema radial siempre (una sola fuente), de un sistema selectivo primario con conmutación manual (9' para conmutación) y de un sistema selectivo primario con conmutación selectiva automática (5" para conmutación) (véase la tabla 1). 

Con equipamiento para la conmutación automática en los interruptores principales, el número de fallos por año se reduce en un factor de 6. La norma IEEE 493-2007, en su apartado 3.3.5.3, establece que: "El uso de un equipamiento de transferencia automática que pudiera detectar un fallo en una línea de 13,8 kV y cambiar a la segunda línea en menos de 5 segundos, ofrecería una mejora de 6 a 1 en la tasa de fallos en el punto de suministro de 480 V".

Figura 2: Este diagrama ilustra dos sistemas eléctricos selectivos primarios con distribución radial secundaria. Cortesía de: Affiliated Engineers Inc.

Basándonos en estos datos, los campus universitarios deberían solicitar dos líneas de suministro y establecer un sistema selectivo primario con un equipo de conmutación automática para lograr una mayor fiabilidad en el punto de suministro del edificio de 480 V (véase la Figura 2).

El transformador en los sistemas de distribución secundarios es un componente muy fiable (con una tasa de fallos λ baja de 0,0062), pero posee el segundo tiempo de corte más alto después de la compañía de suministro eléctrico (de 132 horas, lo que resulta en más horas de inactividad forzada/año, λr). En consecuencia, aunque el transformador es bastante fiable, se deberán tener en cuenta los medios para hacer frente a la larga interrupción experimentada para reemplazarlo en un escenario en el que se requiere una alta disponibilidad general del sistema. Un sistema selectivo secundario que emplee centros de dos extremos permite una protección adicional para los fallos o trabajos de mantenimiento del transformador (véase la Figura 3).

Sin embargo, no todos los edificios del campus requerirán este nivel adicional de fiabilidad o los costes asociados al proyecto de centro de dos extremos.

Figura 3: Este diagrama ilustra un sistema selectivo secundario que consiste en múltiples centros de dos extremos alimentados por un sistema de distribución de dos líneas de la compañía eléctrica. Cortesía de: Affiliated Engineers Inc.

Entonces seleccionar qué edificios del campus se van a clasificar como vitales desde el punto de vista de la operabilidad se convierte en una decisión programática y se pueden sopesar los beneficios en función de los costes asociados a los componentes redundantes adicionales, como para los Data Centers informatizados y edificios de investigación.

Una alternativa al proyecto de centro de transformación de dos extremos implementada en el edificio Institutos para el Descubrimiento de Wisconsin de la Universidad de Wisconsin es el sistema de transformador de repuesto (véase la Figura 4). Cuando se haya determinado que los transformadores son altamente fiables y que rara vez fallan, el tiempo de interrupción reducido debido a al centro de transformación de dos extremos se puede replicar mediante la instalación de un transformador redundante que, básicamente, está interconectado inicialmente con un disyuntor principal y varios disyuntores de barra enclavados. En un sistema de dos extremos realmente redundante los transformadores estarían dimensionados al 50 % de sus respectivos valores nominales. Una ventaja es que en este esquema redundante, cada transformador soporta su propia carga (un solo extremo) y los valores de kVA del transformador pueden alcanzar efectivamente la carga del edificio y no tendría que confiar en los valores nominales de los ventiladores para los eventos de transferencia. Este sistema redundante también tiene la ventaja de ocupar menos espacio en comparación con los centros de dos extremos.

En una universidad del Medio Oeste, un sistema selectivo primario, compuesto de una línea de distribución principal con una línea de reserva secundaria, se distribuye por todos los edificios del campus, creando un sistema de bucles (véase la Figura 5). Los seccionadores se emplean para crear el bucle principal externo que está abierto en un lugar del campus para permitir a la empresa suministrar la alimentación desde dos puntos. Los seccionadores se emplean para aislar cualquier línea que presente fallo en este nivel. Estos conmutadores se emplean, entonces, para crear un segundo bucle interno, que interconecta las secciones del campus geográficamente a través de transformadores de cabina con conmutadores seccionadores de bucle totalmente inmersos en aceite y fusibles para la limitación de la intensidad extraíbles. Este sistema permite aislar cualquier sección del sistema de bucle y también sustituir cualquier transformador local del bucle sin interrumpir a los demás edificios. En la Figura 5 se muestran los sistemas secundarios radiales en cada edificio (una línea), pero se puede lograr una mayor fiabilidad mediante la introducción de equipos de doble línea en las instalaciones "vitales" del campus. Este sistema es muy común y adecuado para un campus universitario muy extenso.

Figura 4: Este diagrama ilustra un sistema de transformador redundante que utiliza conexiones de canalización con centrales de transformación de un extremo y es una alternativa al proyecto de centro de transformación de dos extremos. Cortesía de: Affiliated Engineers Inc.

Sistemas redundantes

Las razones para proporcionar sistemas de energía redundantes a edificios universitarios están asociadas a diversos requisitos normativos sobre sistemas de emergencia y sistemas en espera, así como a los requisitos relativos al programa para equipos sensibles opcionales específicos del usuario. Los sistemas de generadores, sistemas de baterías de almacenamiento y sistemas SAI son opciones típicas para que las universidades puedan cumplir con estos requisitos energéticos especiales. La necesidad de un sistema de generación puede surgir de la capacidad asignada total de las cargas de emergencia, en espera y cargas en espera opcionales. En función del tipo de edificio, las cargas de emergencia suelen ser las más pequeñas, mientras que las cargas de espera suelen ser mayores y pueden inclinar la balanza hacia la selección del generador. Además, las cargas de espera incluyen un gran componente de cargas de motores, que se maneja mejor mediante un sistema de generador en vez de con los sistemas de almacenamiento de baterías. Cuando se selecciona un generador, la selección de su capacidad suele ser controvertida a la hora de determinar qué otras cargas en espera opcionales tendrán que cubrirse. La mayoría de los generadores son adecuados para edificios más grandes, donde se suman las cargas en espera y opcionales, como en edificios de gran altura y edificios con requisitos de alta tecnología, como los Data Centers. Los edificios más pequeños con requisitos mínimos de emergencia pueden contar con sistemas de baterías (centralizados o unificados) para la fuente de respaldo.

Los SAI se emplean con frecuencia en los Data Centers y con equipos de tecnología de la información (IT) y las universidades pueden tener que determinar la configuración del sistema SAI que les resulte más apropiado instalar. Por ejemplo, para el equipo de tecnología de distribución ubicado en un suelo típico de una instalación, se puede elegir entre los sistemas SAI individuales de montaje en rack frente a un sistema SAI centralizado distribuido a todos los armarios de IT. Un sistema SAI centralizado, con un componente de puenteado para el mantenimiento perimétrico, puede reducir las llamadas de mantenimiento y puede resultar rentable en una instalación de gran tamaño. Además, algunos investigadores pueden necesitar contar con un sistema de alimentación ininterrumpida para sus experimentos sensibles que, igualmente, se puede conseguir con un SAI para la aplicación en concreto o con un sistema central.

Figura 5: Este diagrama ilustra un sistema de distribución de la alimentación de bucle selectivo primario en un campus universitario del Medio Oeste. El bucle está constituido por seccionadores al aire libre y servicios de punto de utilización derivados a través de transformadores de cabina con conmutadores integrados.

Otro enfoque típico es gestionar las cargas en espera opcionales como un sistema independiente que rara vez se necesitará, ya que, dependiendo de la infraestructura del campus, la mayoría de los tiempos de interrupción son breves, pero puede que necesiten ser planificados para situaciones catastróficas. En la planificación de desastres, la creación de un punto de conexión para un sistema generador portátil puede resultar prudente, invirtiendo solo en la infraestructura inicial para tener la capacidad de dar servicio a los sistemas opcionales, tales como los refrigeradores que alojan muestras de investigación sensibles. En el caso de estas unidades portátiles, las universidades suelen hacer un contrato de alquiler con el proveedor del generador y, cuando se avisa de la proximidad de una tormenta, por ejemplo, pueden instalar la unidad portátil como medida de seguridad. También es común ofrecer este tipo de prestación de un sistema portátil para un edificio central de la universidad (es decir, el sindicato de estudiantes), que podría convertirse en un refugio del campus para la planificación de desastres y tener energía para las operaciones comerciales normales durante el evento (preparación de alimentos, servicios estudiantiles). Con esta inversión inicial, también se puede prever la posterior instalación de un generador permanente en esta ubicación.

Medición

Figura 6: Este gráfico muestra la vida útil típica de los sistemas de construcción pensados para 100 años. Es recomendable tener en cuenta las inversiones iniciales prudentes cuando se estén sopesando las consecuencias de las renovaciones futuras de las instalaciones. Cortesía de: Affiliated Engineers Inc.

Las peticiones para la toma de mediciones eléctricas cada vez están más extendidas en los campus universitarios, promovidas por la necesidad de controlar el consumo de energía en edificios individuales para fines de facturación, para cumplir los requisitos LEED y para las solicitudes de submedición adicionales de los diferentes departamentos universitarios para estudios energéticos o para la subfacturación. Para los edificios que aspiran a obtener la certificación LEED, el proceso asocia tres puntos de crédito dentro de la categoría de Energía y Ambiente, en Medición y Verificación. Se necesitan contadores eléctricos para supervisar el consumo de energía total del edificio, así como para medir diversas categorías de procesos, tales como las cargas de iluminación, equipos y cargas de las tomas de corriente.

Un plan de medición y verificación, aunque no tenga como finalidad la certificación LEED, es una herramienta valiosa para la gestión del ahorro de energía en una instalación. Estos contadores pueden proporcionar información para la supervisión constante del consumo de energía en la instalación y para mejorar el rendimiento a lo largo de la vida útil del edificio. Además, se convierten en una herramienta importante en la planificación del futuro crecimiento del campus. Una universidad que implemente una estrategia de medición contará con datos de las cargas de demanda media que se pueden analizar según el tipo de edificio. Estos datos reales se pueden utilizar para predecir el consumo de energía de las instalaciones futuras y ayudar en la planificación de la expansión futura, pudiendo ser, además, una herramienta muy valiosa para dimensionar correctamente los equipos. Los valores de referencia derivados de estos datos (vatios/m²) ayudan enormemente a los diseñadores de edificios futuros.

Variabilidad

Un edificio de investigación en un campus de educación superior se someterá a una serie de renovaciones físicas a lo largo de la vida útil de la estructura, ya que el edificio posee una vida útil considerablemente más larga que muchos de sus componentes individuales. La esperanza de vida de la mayoría de equipos de distribución eléctrica oscila entre los 35 y 40 años, lo que indica que se necesitarán varias renovaciones a lo largo de la existencia del edificio de 50 o 100 años y dicho edificio se deberá diseñar para permitir las sustituciones de los equipos y las actualizaciones necesarias (véase la Figura 6).

Figura 7: Esta foto del laboratorio de Enseñanza del Descubrimiento, de la Universidad de Wisconsin, en Madison, muestra los espacios abiertos del laboratorio y las tomas eléctricas reconfigurables dispuestas por encima de la cabeza. Cortesía de: Affiliated Engineers Inc.

La incorporación de esta base de diseño durante la planificación de la instalación es de suma importancia. Para lograr dicho objetivo, se requiere que los espacios eléctricos se creen con los medios suficientes para poder sustituir componentes individuales limitando, en lo posible, la interrupción de otros equipos funcionales. Este propósito se cumple proporcionando espacios para la retirada de los equipos en los documentos de diseño. Es lógico, por ejemplo, garantizar que un centro de transformación tenga el espacio suficiente como para poder retirar el transformador y transportarlo, a lo largo de una ruta sin obstáculos, hasta el exterior. Pero, ¿y si el centro de transformación se encuentra en el nivel más bajo de la instalación, que resulta estar por debajo del nivel del suelo? ¿Cuenta el ascensor con la suficiente capacidad de elevación para soportar las 20.000 libras que pesa un transformador de 2500 kVA? Tales preocupaciones juegan un papel importante a la hora de determinar el plan de sustitución, no solo para los elementos eléctricos, sino para todos los sistemas dinámicos que se deberán reconfigurar durante la vida del edificio (armarios, laboratorios, sistemas de climatización y las tuberías). La solución no puede ser independiente de otros sistemas, ya que surgen muchas oportunidades de compartir con otros gremios los accesos para la renovación de los equipos.

La variabilidad también implica la capacidad de manejar los cambios de acuerdo al programa con una inversión inicial prudente. ¿Cómo puede una universidad atraer a un investigador que solicita disponer de alta potencia en un edificio que no está previsto para este tipo de investigación inicialmente? Las características de variabilidad deberían ser intuitivas y transparentes, lo que significa que los propietarios de las instalaciones deben ser conscientes de estos elementos. Una inversión inicial prudente puede ser la asignación de espacio para la instalación de futuros equipos, en lugar de comprar el equipo durante la fase inicial de la construcción. Por ejemplo, el cuarto de la acometida principal podría incluir espacio físico para centros de transformación futuros, si se prevé que para el futuro la carga eléctrica sea considerable, tal vez con una financiación económica (subvención). Inicialmente, se pueden adquirir conmutadores de media tensión de repuesto para servir a este equipo futuro como un medio para reducir el tiempo de inactividad de la instalación durante la futura renovación.

El edificio de 300.000 sq ft para la investigación interdisciplinaria de los Institutos para el Descubrimiento de Wisconsin, situado en el campus de la Universidad de Wisconsin, en Madison, fue previsto como una nueva dirección en el diseño de instalaciones de investigación, flexible y sostenible (para una vida útil de 100 años), y exigente en cuanto a funcionalidad (véase la figura 7). Entre las diversas características de variabilidad implementadas en el edificio Discovery, estaba la de proporcionar los suficientes interruptores automáticos en los paneles eléctricos inicialmente como para satisfacer las futuras modificaciones de espacio. Poder añadir un circuito eléctrico se encuentra entre las principales solicitudes de servicio cuando se remodela un espacio, al menos en las operaciones anuales. Una práctica de diseño habitual es incluir un 25 % de interruptores de reserva en el presupuesto inicial de diseño, un 5 % para los cambios que puedan ocurrir durante la construcción y un 20 % para futuras modificaciones. Otra inversión previa implementada fue la de proporcionar conductos vacíos sin conectar desde el panel eléctrico hasta el espacio del techo accesible más cercano. La cantidad de conductos de reserva debería proporcionar la capacidad para pasar los conductores necesarios correspondientes a la cantidad de interruptores de reserva instalados.

Otras características de variabilidad dentro de un laboratorio de investigación específica o aula abierta incluyen el uso de dispositivos eléctricos montados en el techo. El proyecto de espacios abiertos con las tomas eléctricas instaladas en el techo facilita la futura variabilidad del propio espacio. Una planificación adecuada incluye la normalización de los tipos de tomas de corriente para que sean compatibles con los armarios móviles, así como la disposición de tensiones alternativas (es decir, 120 V, 208 V monofásicas o trifásicas) en este nivel de espacio. Otra alternativa viable es la de proporcionar sistemas de canalización enchufables en los casos, por ejemplo, en los que se puede derivar líneas de 120 V y 208 V monofásicas o trifásicas con unidades enchufables estándar a través de cables suspendidos integrados.

Figura 1: La sala de lectura principal de la nueva biblioteca James B. Hunt Jr. de la Universidad Estatal de Carolina del Norte aplica las estrategias de diseño de energía eficiente, tales como la integración de luz natural y de la iluminación estética. Recuadro: La biblioteca James B. Hunt Jr. es la

Mantenibilidad

Según la definición del IEEE, la mantenibilidad es "la facilidad con la que un sistema o componente de software se puede modificar para corregir defectos, mejorar el rendimiento u otros atributos, o también adaptarse a un entorno cambiante". El mantenimiento es vital para el funcionamiento continuo y seguro de los campus universitarios de educación superior. Un sistema eléctrico bien planificado proporcionará un enfoque abierto en cuanto a la mantenibilidad, teniendo en consideración las directrices existentes de las instalaciones junto con los códigos y normas en evolución. Las distancias de seguridad para los trabajos eléctricos (según el artículo 110 del Código Eléctrico Nacional de los EE.UU.) deben ser diseñadas y respetadas adecuadamente, teniendo en cuenta que son recomendaciones mínimas de los códigos y que no tienen en cuenta los medios para la sustitución de los equipos. La normalización de componentes y de repuestos en stock puede reducir considerablemente el tiempo de inactividad de las operaciones. Por ejemplo, es común que en un diseño de aparamenta extraíble que se emplee en todo el campus universitario se usen marcos de tamaño estándar para los interruptores automáticos y que se mantengan repuestos en stock que se puedan utilizar en cualquier punto de las instalaciones.

El acceso a los equipos sigue siendo un factor crítico en el mantenimiento de una instalación. Durante la fase de diseño, los consultores pueden facilitar este proceso con el BIM, que se ha convertido en un estándar para proyectos sofisticados. El BIM puede visualizar los sistemas eléctricos actuales en software 3D y puede incluir los espacios de seguridad de los equipos que sugieren los códigos, así como el espacio de acceso en las ilustraciones. Esta herramienta resulta muy valiosa pues proporciona la forma de garantizar la mantenibilidad de los sistemas. Por ejemplo, se puede modelar el acceso a la bandeja portacables; no solo con las dimensiones físicas de la propia bandeja, sino también con el espacio de acceso continuo recomendado superior a 12 y 24 pulgadas en, al menos, un lado.

No hay que olvidarse de la experiencia que las instalaciones del edificio y el personal de asistencia técnica aportan a la ecuación. Las normas locales, los proveedores preferentes (que ofrecen familiaridad y normalización), los protocolos de seguridad (categorías preferidas de arco voltaico y escaneado infrarrojo), las lecciones aprendidas y las necesidades operativas forman parte del éxito de un objetivo de mantenibilidad que estos grupos de personas deben ejecutar posteriormente. La gestión de estos requisitos puede llegar a plantear un gran reto, ya que la inversión de capital inicial debe compensar la inversión previa de los futuros costes de mantenimiento.

Conclusión

Proporcionar a los actuales clientes de la educación superior una infraestructura de energía fiable y flexible basada en inversiones prudentes de primeros costes, gestionada con supervisión de energía y mantenibilidad optimizada, y capaz de prestar servicio a edificios de 100 años de antigüedad es el desafío único al que se enfrentan los profesionales del diseño a la hora de entregar una instalación eléctrica. La forma en la que se cumplan las expectativas del cliente y se ejecuten todos estos elementos del campus será fundamental para el futuro éxito de la institución.


Cordero es Ingeniero Eléctrico y trabaja con Affiliated Engineers Inc. en Madison (Wisconsin, EE.UU.). Está especializado en instalaciones de complejos para educación superior, sanidad e investigación. Sus proyectos más recientes son los Institutos para el Descubrimiento de Wisconsin, de la Universidad de Wisconsin (Laboratorio del Año 2012) y el Centro de Investigación Eckhardt de la Universidad de Chicago.

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