Artículo Académico / Academic Article
Recibido: 23-04-2023, Aprobado tras revisión: 14-06-2023
Forma sugerida de citación: Arias, F.; Freire, A. (2023). “Estudio de Indicadores de Desempeño Energético (IDEn) del Suministro
Eléctrico de un Hospital Básico en el Ecuador”. Revista Técnica “energía”. No. 20, Issue I, Pp. 33-42
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v20.n1.2023.580
© 2023 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Study of Energy Performance Indicators (EnPI) of a Basic Hospital in
Ecuador
Estudio de Indicadores de Desempeño Energético (IDEn) de un Hospital
Básico en el Ecuador
F.R. Arias1 A.S. Freire1
1Universidad Técnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador
E-mail: fernando.arias6251@utc.edu.ec; armando.freire2833@utc.edu.ec
Abstract
The following document presents a systematic
process of energy use through an analysis of energy
indicators in a health building, where the
importance of regular energy consumption profile
requirements to establish specific performance
indicators in a hospital is affirmed. A basic hospital
located in the province of Cotopaxi (Ecuador), with
15 beds, is analyzed, an energy balance is made
where electricity is determined as the largest energy
carrier with 46,84 %, the electricity tariff is
evaluated during the period of the year (2022),
managing to identify an annual consumption of 124
030 kWh, also identifies the distributed percentage
of electricity in this hospital, with the highest
consumption of electric motors with 38%, and
lighting with 22 %, based on the analysis carried out,
a capacitor bank was implemented to help improve
the power factor from 0,87 to 0,95 through
simulation with the ETAP software and the
replacement of fluorescent lamps with LED
technology, optimizing the level of luminosity within
the permitted levels through the use of the DIALux
software. 69 kWh/year and carbon dioxide emissions
of 1 688,43 kg/CO2/year.
Resumen
El siguiente documento presenta un proceso
sistemático del uso de la energía a través de un
análisis de indicadores energéticos en un edificio
sanitario, donde se afirma la importancia de
requerimientos de perfiles de consumo energético
con regularidad para establecer indicadores de
rendimiento específicos en un hospital. Se analiza un
hospital básico situado en la provincia de Cotopaxi
(Ecuador), dotado de 15 camas, se realiza un balance
energético donde se determina a la energía eléctrica
como el mayor portador energético con un 46,84 %,
la tarifa eléctrica se evalúa durante el periodo del
año (2022), logrando identificar un consumo anual
de 124 030 kWh, además se identifica el porcentaje
distribuido de energía eléctrica en este hospital,
siendo el de mayor consumo los motores eléctricos
con un 38 %, e iluminación con un 22 %,
encontrando indicadores energéticos que
permitieron tomar decisiones para efectuar ahorros
de energía mediante el análisis de calidad de energía
y lumínica, en base al análisis realizado se
implementa un banco de capacitores que ayuda a
mejorar el factor de potencia de 0,87 a 0,95 mediante
simulación con el software ETAP y la sustitución de
lámparas fluorescentes por tecnología LED
optimizando el nivel de luminosidad dentro de los
niveles permitidos mediante el uso del software
DIALux, como resultado final se logra una
reducción estimada de energía eléctrica anual de 8
807.69 kWh/año y emisiones de dióxido de carbono
en 1 688,43 kg/CO2/año.
Index terms−− Health care buildings, Systematic
processes, Energy performance indicators, Carbon
dioxide emissions.
Palabras clave−− Edificios sanitarios, Procesos
sistemáticos, Indicadores de rendimiento energético,
Emisiones de dióxido de carbono.
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Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
1. INTRODUCCIÓN
Analizar el uso de la energía dentro de una unidad
hospitalaria es esencial ya que estas áreas demandan de
climatización originada por la combustión de petróleo o
gas, iluminación producida por la electricidad, vapor
causado por la transformación del agua a través de
derivados de petróleo [1]. Un proceso no eficiente se
traduce en un proceso sin el uso adecuado de la energía,
la producción y consumo de energía van a la par
causando incrementos constantes de los precios de los
servicios, además del deterioro medio ambiental,
entonces se ve la importancia de contar con una gestión
energética [2].
Definir indicadores de desempeño energético (IDEn)
es importante dentro de una organización, siendo un
mecanismo clave que permite aseverar resultados
eficaces y medibles en el tiempo, bajo conocimientos
introducidos en la norma ISO 50 001 [3]. Medir a través
de indicadores de desempeño energético permite mejorar
el sistema a través de enfoques multidisciplinarios se
deben comparar el antes y después, con el objetivo de
reducir el consumo energético y la emisión de gases de
efecto invernadero [4].
Los edificios hospitalarios deben ser funcionales y de
apoyo a las diversas funciones que se llevan a cabo, ya
que además de la atención que brindan y el servicio que
ofrecen, también son centros educativos y de formación
desarrollándose como incubadoras para la investigación
y el desarrollo en medicina y ciencias farmacéuticas [5].
Se deben emplear varias técnicas siguiendo actividades
como acciones que deban ser llevadas a la práctica del
uso eficiente de la energía, como cambios tecnológicos y
cambio del comportamiento del usuario del servicio [6].
Se proponen planes de acción que llevados a la
práctica se obtienen oportunidades de recuperación de la
energía, siendo necesario un estudio del potencial
energético que presente una viabilidad técnica y una
rentabilidad económica en comparación con las fuentes
de energías convencionales [7]. El propósito es construir
una metodología de compilación y cuantificación del
consumo real de la energía dentro del establecimiento de
salud para disminuir el uso de energía y reducir las
emisiones de CO2.
La distribución del documento se basa de la siguiente
manera: La teoría que sustenta la investigación se
observa en la sección 2, la metodología utilizada se
encuentra en la sección 3, la presentación de la propuesta
y análisis de resultados en la sección 4, y finalmente las
conclusiones y recomendaciones en la sección 5.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
El establecimiento destinado para la atención y
asistencia a enfermos objeto de estudio se sitúa en la
provincia de Cotopaxi, cantón Salcedo, parroquia San
Miguel (Ecuador), cuenta con 15 camas y una superficie
aproximada útil de 2 400 m2, la infraestructura
hospitalaria fue diseñado y construido en el año 1977 y
comienza a funcionar en 1979-07-29 [8]. En las
instalaciones laboran un total de 56 personas entre
médicos, enfermeros, auxiliares de enfermería, gestores
administrativos, personal de farmacia, cocina,
lavandería, limpieza, entre otros.
2.1. Descripción del Hospital
El hospital brinda atención en consulta externa,
hospitalización y emergencia en especialidades básicas
como medicina interna, ginecología, pediatría y cirugía,
además del servicio de laboratorio y rayos x, farmacia,
entre otros. En la Fig. 1 muestra un gráfico con la
estructura del edificio.
Figura 1: Instalaciones del Hospital Yerovi Mackuart
Las paredes del edificio están formadas por medio pie
de ladrillo macizo, el tejado está cubierto por Eternit e
incluye aislamiento térmico a través de tumbado tipo
aluminio, la planta baja está aislada bajo estructura de
suelo. Los marcos de ventana son de aluminio, el espesor
medio de los perfiles de aluminio es de 1,50 mm tienen
un vidrio exterior de 6mm.
2.2. Estado del Arte
De estudios con relación a indicadores energéticos en
hospitales se afirma lo siguiente:
Un estudio llevado a cabo en un país australiano,
donde define, analiza y evalúa indicadores energéticos,
concluyen que la energía utilizada en hospitales varía
dependiendo de fuentes y tecnologías accesibles [9].
En el país de China se efectuó encuestas a sus
colaboradores concluyendo que se debe implementar
diferentes niveles de herramientas políticas para diversos
actores involucrados [10].
En [11] destacan acciones de ahorro de energía
sostenible y afirman que al llevar a la ejecución el
proyecto requiere de un tiempo prolongado y no
aceptable de la interrupción de los servicios.
La importancia de la supervisión energética en los
hospitales marroquíes está destinado a mejorar la energía
y los indicadores de desempeño energético, además de la
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Arias et al. / Estudio de Indicadores de Desempeño Energético (IDEn) de un Hospital Básico en el Ecuador
elaboración de buenas prácticas, sugieren la oportunidad
para crear indicadores energéticos sobre atención en
salud actualizada de acuerdo al tipo de actividad que se
lleve a cabo en el hospital [12].
Para la gestión energética en el sector salud de
Colombia, tiene un enfoque de desarrollo limpio y
sostenible en instituciones de servicios de salud, el
estudio se enfoca en el consumo energético está
concentrado en la climatización e iluminación y expone
la importancia de identificar cargasa con mayor consumo
energético [13].
El análisis de un hospital en el Ecuador, define
oportunidades de ahorro y propone un sistema de gestión
de la energía para mejorar los procesos [14], además
afirman que la utilización de tecnología antigua hace que
consuma más energéticos, procediendo a proponer
cambios tecnológicos [15].
2.3. Procesos de una Planificación Energética
Las metodologías utilizadas para la planificación
energética es: Diagnóstico de desempeño energético, la
línea base energética, indicadores de desempeño
energético, además de objetivos, metas y planes de
acción [16], [17], [18].
El diagnóstico de desempeño energético es un
proceso sistemático que accede identificar el consumo
energético de una edificación, se evalúa mediante PHVA
(Planificar-Hacer-Verificar-Actuar) de un SGEn
(Sistema de gestión energética), al ejecutar una
evaluación de consumos energéticos se obtiene una línea
base, para esto requiere de la aplicación de tres términos:
la medición, el seguimiento y el análisis. La línea base
energética (LBE) es una referencia cuantitativa que
provee la base en comparación con el desempeño
energético, son fundamentales ya que permiten medir su
desempeño energético y demostrar su mejora en el
tiempo, se determina al comparar el desempeño en un
periodo dado con la línea base energética e indica el
estado del desempeño energético antes de realizar
acciones de mejora.
Los indicadores de desempeño energético (IDEn) son
unidad de desempeño energético definida por la
organización que permiten el control y monitoreo de
procesos en los que se evalúa el desempeño, y determinan
si se ha logrado un ahorro real objetivo, se emplean para
visualizar resultados en el desempeño energético con
relación a lo deseado, comparándose con la línea base
energética [16], [18], [19].
En la tabla 1 se detallan algunos indicadores energéticos
utilizados en edificios hospitalarios.
Tabla 1: Indicadores de Rendimiento Energético Utilizado en
Edificios Hospitalarios [7], [20]
Índice
Descripción
Unidades
Evaluación
Intensidad
del uso de la
energía.
Energía
anual
utilizada en
el edificio.
Relación entre
el consumo de
la energía de
un edificio y la
superficie neta
del edificio.
Intensidad
energética de
los edificios.
Energía
anual de
consumo
sobre el
tamaño de
un edificio.
Método de
cálculo simple
de una ratio
entre la
energía anual.
Demanda
anual de
energía por
cama
ocupada.
Energía
anual de
consumo
sobre camas
ocupadas.
Relación de
entre el
consumo de
energía
utilizada para
el área de
hospitalización
y número de
camas
utilizadas.
Demanda
anual de
energía por
número de
altas
hospitalarias.
Energía
anual de
consumo
sobre altas
hospitalarias.
Relación de
entre el
consumo de
energía
utilizada para
el área de
hospitalización
y número de
altas
hospitalarias.
3. METODOLOGÍA
Se realiza un balance energético del hospital caso de
estudio, se determina el comportamiento del uso de la
energía eléctrica en los últimos tres años, mediante un
análisis del consumo de la tarifa eléctrica en el año 2022
se estima el consumo anual en función de las horas de su
funcionamiento, se realiza mediciones específicas de los
circuitos eléctricos para diferenciar los consumos
eléctricos correspondientes a cada tablero de
distribución, se idéntica indicadores energéticos
agregados y desagregados para determinar las áreas
prioritarias en las que se deben aplicar mejoras de ahorro
y eficiencia energética, se utiliza un analizador de redes
fijo Fluke 1 748, pinza amperimétrica 376 FC y
luxómetro, equipos que permiten conocer los valores de
consumo de energía eléctrica y niveles de iluminación
en lúmenes.
Para la ventilación y climatización se identifica por
medio de deterioros por los años que lleva la
construcción, debido a factores como consecuencia de las
variaciones climatológicas el territorio se encuentra
influenciado por su propia geografía y no varía con la
altitud y la región.
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Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
3.1. Estadística Energética
El gasto y representación porcentual por portador
energético se determina al consumo de energía eléctrica
como mayor portador energético con un 46,84 %,
utilizado para diferentes aplicaciones en la industria,
seguido el oxígeno con un 36,90 % utilizado en pacientes
ventilados, GLP (Gas licuado de petróleo) con un 12,80
% utilizado para la cocción de alimentos y calentamiento
de agua, diésel con un 1,80 % utilizado en la generación
de energía eléctrica y finalmente la gasolina con un 1,70
%, (ver Fig. 2).
Figura 2: Representación Porcentual de Portadores Energéticos
Entre los años 2020 y 2022 el consumo de energía
eléctrica fue mayor en el año 2020 debido a la pandemia
del COVID 19, en el año 2021 tiende a una baja de 9,66
% y en el año 2022 con respecto al año 2021 tiende a un
crecimiento de 5,48 % (ver Fig. 3).
Figura 3: Historial de Consumo Eléctrico del Hospital en el
Periodo 2020-2022
El suministro eléctrico procede de la red de la
empresa eléctrica Elepco S.A. a medio voltaje de 13 800
V a 220 V mediante un transformador trifásico instalado
en cámara en el interior del edificio. El transformador es
de marca INATRA de 75 kVA es el que abastece a toda
la carga total del hospital, de los terminales del
transformador parte en bajo voltaje al tablero general y
de ahí se deriva al tablero de transferencia automático en
conjunto con la acometida del generador 152 kVA que
alimenta para casos de emergencia, del tablero de
transferencia sale una acometida al tablero general, de
este tablero se distribuyen la alimentación a cargas
generales del hospital, además del tablero general
alimenta a un tablero de transferencia automático que
ingresa a la acometida de un generador de 20 kVA
exclusivo para el banco de vacunas para casos de
emergencia.
Del tablero de distribución principal parte a sub
tableros que alimentan el sistema de fuerza normal,
regulada, iluminación y aire acondicionado, las
acometidas a los sub tableros son trifásicos 4 hilos, se
comprende el sistema a bajo voltaje desde los terminales
del transformador hasta el uso final de la energía, y
operan a un voltaje de 220/127 V, consideraciones
técnicas que fueron destinadas para servicios de la salud.
El departamento de mantenimiento eléctrico del
hospital recopilo mensualmente datos del consumo de
electricidad a partir de datos de facturas emitidas por la
distribuidora, se analiza los datos para comparar y
comprobar que el precio sea el pactado en el contrato, el
precio fluctúo en función del valor de la energía mediante
pliego tarifario 0,06 USD/kWh. Además, se evaluó el
consumo eléctrico mediante información de 12 meses
con respecto al servicio brindado, el promedio mensual
de consumo eléctrico en el año 2022 es de 10 335,83
kWh, con un consumo anual de 124 030 kWh y una
potencia máxima de 42 kW determinado por la
distribuidora, cancelado un valor total por el servicio
anual de USD 10 149,97 (ver Fig. 4).
Figura 4: Consumo y Costo Anual de Energía Eléctrica año 2022
A través de la estimación de la demanda se determina
los porcentajes de distribución de consumo eléctrico,
donde se identifica que el de mayor consumo son los
motores eléctricos con un 38 %, seguido por la
iluminación con un 21 %, entre otros (ver Fig. 5).
También se establece la distribución de consumo por
áreas de servicio con un 6,68 % consulta externa, un 0,90
% triaje respiratorio, un 8,47 % quirófano, un 5,90 % sala
de partos, un 3,91% emergencia, un 3,30 % laboratorio,
un 1,14 % imagenología, un 30,32 % lavandería, un
4,25% cocina, un 1,59 % ECU 911, un 2,53 % residencia
médica, un 8,40 % iluminación externa, un 6,25% cuarto
de máquinas, un 12,79 % área administrativa y un 3,52
% banco de vacunas.
Figura 5: Porcentajes de Utilización de la Energía Total
Consumida
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Arias et al. / Estudio de Indicadores de Desempeño Energético (IDEn) de un Hospital Básico en el Ecuador
3.2. Identificación de Indicadores de Desempeño
Energéticos (IDEn)
Para la identificación de indicadores de desempeño
energético (IDEn), el proceso para la construcción de la
línea base se establece mediante estrategias utilizadas en
el estado del arte [7], [20], [21].
Para un hospital de 15camas y un valor de consumo
anual de energía eléctrica de 124,03 MWh.
Mediante el indicador especifico agregado de energía
anual, cuantifica la energía utilizada al año en (MWh) por
cantidad de camas en dicho hospital (número de camas),
como indica en (1).
A través de la correlación del consumo de la energía
mensual (kWh) y el porcentaje ocupacional en la estancia
(camas/mes), (ver Fig. 6).
Figura 6: Relación del Consumo de la Demanda con el Porcentaje
de Camas Ocupadas/mes
Para hallar otro indicador energético hospitalario en
el suministro eléctrico, se establece el consumo de la
energía mensual (kWh) por metro cuadrado (m2) para una
aproximación de 2 400 m2 (ver Fig. 7).
Figura 7: Indicador Energético Consumo de Energía Mensual por
Metro Cuadrado/mes
Para el área de lavandería la línea base establece la
correlación de consumo de la energía mensual (kWh) y
los kilogramos ropa lavada mes (kg rl/mes), (ver Fig. 8).
Figura 8: Indicador Energético Especifico, Consumo de Energía
por Kilogramo Ropa Lavada/mes
La descripción del índice de la densidad de potencia
eléctrica de alumbrado relaciona la potencia instalada de
alumbrado (W), con el valor de la superficie construida
(m2), y establece que mediante el tipo de edificio la
evaluación de la DPEA no debe superar el valor de 14
W/m2, para hospitales, sanatorios y clínicas (ver Fig. 9).
Figura 9: Índice de Densidad de Potencia Eléctrica de Alumbrado
(DPEA)
3.2.1. Análisis
En la Fig. 7 y 8 se determina los índices desagregados
de acuerdo a las áreas de mayor consumo, el coeficiente
de determinación R2 indica la relación de la variable
dependiente (consumo eléctrico), y de las variables
independientes (porcentaje de ocupación de camas,
metros cuadrados, kilogramo ropa lavada), además de
presentar pérdidas no asociadas debido a la ineficiencia
del sistema eléctrico.
En la Fig. 9 se presenta la evaluación del índice de
densidad de potencia eléctrica de alumbrado (DPEA), se
puede afirmar que se encuentra dentro del requerimiento
de la norma establecida NOM-007-ENER-2014, bajo el
valor de 14 (W/m2) como especifica la normativa.
3.3. Calidad de Energía Eléctrica
El desarrollo de la metodología propuesta para el
estudio de la calidad de energía es mediante el uso del
analizador de redes marca Fluke modelo 1 748 con
número de serie del instrumento 4 546 480, equipo de
medición utilizado para la obtención de parámetros
eléctricos, el procedimiento se realiza con la instalación
del equipo en el lado de bajo voltaje del transformador
como el punto de común acoplamiento (PCC).
Se determino los datos como niveles de voltaje,
corriente, potencia, factor de potencia, armónicos de
voltaje, armónicos de corriente y flickers en un periodo
de registro de 7 días continuos y con toma de muestra en
intervalos de 10 minutos desde el 27 julio a las 9:20 a.m.
hasta al 3 de agosto a las 9:20 a.m. del año 2022.
En la tabla 2 se observa los resultados del estudio de
calidad de energía y la aplicación de la regulación
ecuatoriana ARCERNNR – 002/20, [22].
Tabla 2: Resultados del Estudio de Calidad de Energía
PARÁMETROS
PROM.
MÁX.
MÍN.
ARCONEL
002/20
ANALIZADOS
Voltaje fase A
125,6
128,6
122,13
Si cumple
Voltaje fase B
126
128,9
122,77
Si cumple
Voltaje fase C
125,9
129
122,18
Si cumple
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Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
Desbalance de
voltaje
0,26
Si cumple
Corriente fase A
48,03
140,6
19,57
N/A
Corriente fase B
45,34
80,36
14,99
N/A
Corriente fase C
39,95
99,69
16,55
N/A
Desbalance de
corriente
0,25
N/A
Factor de potencia
total
0,87
0,98
0,46
No cumple
Distorsión de
armónico
de voltaje fase A
1,25
4,83
0,4
Si cumple
Distorsión de
armónico
de voltaje fase B
1,14
5,5
0,42
Si cumple
Distorsión de
armónico
de voltaje fase C
1,3
6,23
0,46
Si cumple
Distorsión de
armónico
de corriente fase
A
19,02
48,09
5,17
No cumple
Distorsión de
armónico
de corriente fase
B
20,51
62,07
5,77
No cumple
Distorsión de
armónico
de corriente fase
C
34,32
76,15
5,95
No cumple
Flicker corta
duración fase A
0,33
1,96
0,06
Si cumple
Flicker corta
duración fase B
0,33
1,69
0,04
Si cumple
Flicker corta
duración fase C
0,36
2,31
0,05
Si cumple
Los resultados de la tabla 2 muestran los parámetros
que cumplieron la regulación ARCERNNR 002/20 (si
cumple), mientras las que no cumplen (resaltado de color
tomate) se debe a la presencia del más del 5 % de
distorsión de la demanda total (TDD) con un valor
promedio de 24,62 %, debido a la presencia de carga
capacitiva generada por las luminarias en el periodo de la
noche, además de cargas monofásicas causantes de
generar la tercera armónica, motores y bombas eléctricas
que generan la quinta armónica con mayor presencia en
la fase C, además causando un bajo factor de potencia
promedio del 0,87 que debe ser compensado por banco
de capacitores para mejorar a un valor superior del 0,92
exigido por la regulación.
3.4. Diagnóstico del Sistema de Iluminación
El sistema de iluminación representa un gran
porcentaje del consumo energético, es por ello que se
determina la cantidad y tipo de lámparas existentes por
área de servicio del Hospital Yerovi Mackuart, y la
utilización de energía para el sistema lumínico.
Para el desarrollo del sistema lumínico en el hospital
Yerovi Mackuart, se aplica las normativas UNE-EN
12464-1 y Decreto Ejecutivo 2393, dónde se identifica
niveles de iluminación mínima que se deben cumplir por
área asignada de trabajo [23], [24].
Los pasos a seguir en sitio fueron: encender las
lámparas con antelación, se espera 20 minutos después
de encendido, se verifica si influye luz natural, la
medición se realiza tanto en el día como en la noche, se
efectuó 3 mediciones en cada punto o zona determinada.
Para la distribución del sistema de iluminación se
contabiliza 174 lámparas, se verifica el tipo de lámpara,
además se toma en cuenta el color de pintura para evitar
la reflectancia, identificando el color blanco hueso en
todo el establecimiento. Para la medición de campo se
utiliza el luxómetro modelo 20250-00, por ser un equipo
que permite las mediciones precisas, y para su utilización
se sigue los pasos de la normativa NOM-025-STPS-2008
[25], en el gráfico de la Fig. 10 se puede apreciar los
resultados obtenidos a través de la medición del nivel de
iluminación en situ.
Figura 10: Medición en Lúmenes (LX) por Área de Servicio HBYM
El estudio de iluminación efectuado en el hospital se
lo realizó en las áreas de servicio directo al paciente como
consulta externa, hospitalización, emergencia y
quirófano, los resultados arrojados demostraron que en la
mayoría de áreas no cumple con el nivel establecido en
la normativa internacional UNE-EN 12464-1.
4. ANALISIS DE RESULTADOS
4.1. Compensación Reactiva
Figura 91: Simulación de Flujo de Potencia del HBYM
En base al estudio de calidad de energía ejecutado, se
realiza una simulación de flujo de potencia en estado
estable por medio del software ETAP (ver Fig. 11),
mediante el cual se utiliza para el análisis de
compensación reactiva y mitigación de distorsión
armónica de corriente generada por el hospital de manera
de cumplir la normativa regulatoria del Ecuador
ARCERNNR 002/20.
38
Arias et al. / Estudio de Indicadores de Desempeño Energético (IDEn) de un Hospital Básico en el Ecuador
4.1.1. Corrección del bajo factor de potencia
La corrección del bajo factor de potencia se realiza
mediante la ecuación (2), donde P es la potencia activa y
QC es la potencia reactiva de compensación necesaria
para mejorar el factor de potencia inicial φ1 de 0,87 a un
valor φ2 del 0,95 para una potencia máxima obtenida de
36,79 kW.
Para el cálculo del capacitor por fase se utiliza la
ecuación (3), donde V es el voltaje de fase, f es la
frecuencia y C es el valor del capacitor:
La reactancia del condensador (Xc) está dado por la
ecuación (4), donde kV es el voltaje de fase en kilovoltios:
La reactancia del reactor (XL) está dado por la
ecuación (5), donde hS es el orden armónico de
sintonización:
La resistencia del reactor (XR) dado por la ecuación
(6):
Aplicando un factor de calidad de 100 se obtiene un
valor de resistencia (R) mediante la ecuación (7):
En la tabla 3 se observa el resultado del filtro pasivo
sintonizado al quinto orden armónico, estos valores
sirven para el diseño y simulación en el software ETAP.
Tabla 3: Valores de Filtro Pasivo Sintonizado a la Quinta
Armónica
Filtro
pasivo
Qc (kVAr)
Q
XC
hs
XL
XR
R (mΩ)
8,44
100
5,72
4,90
0,24
1,20
12,00
4.1.2. Diseño de compensación por filtro pasivo
Debido al alto contenido de armónico total de
corriente mayor al 8 % por parte de la presencia del
armónico 3 y 5 que no cumple la regulación vigente
ARCERNNR 002/20 se implementa una compensación
reactiva sintonizado a los armónicos presentes de manera
que no entren en resonancia.
Los armónicos de orden homopolar no pasan por la
conexión en delta del lado de alta del transformador y el
armónico de quinto orden si está presente y no cumple
con la regulación vigente, en vista que el problema del
tercer orden armónico en el lado de baja o PCC analizado,
la solución es el balance de cargas y el mejoramiento de
puesta a tierra de las cargas debido a la presencia de
corrientes en el neutro.
Para la sintonización de la quinta armónica se realiza
mediante la implementación de un filtro pasivo mediante
el software ETAP, de esta manera evitamos la resonancia
y compensamos la potencia reactiva necesaria para
mejorar el factor de potencia a 0,95.
Como resultado a la implementación de un filtro
pasivo de 8,46 kVAr obtenido por el diseño del software
ETAP equivalente al calculado anteriormente, los valores
de armónicos en porcentajes se encuentran por debajo del
7 % cumpliendo la regulación ARCERNNR 002/20, de
igual manera el contenido de armónico total de corriente
se encuentra en un valor de 6,18 % cumpliendo ser menor
al 8 % permitido por la normativa para esta red eléctrica.
Figura 12: Comparación de Armónicos Presentes en el Lado de
Baja (color tomate) y Lado de Alta (color azul) del
Transformador del Hospital Yerovi Mackuart con la
Implementación del Filtro Pasivo
39
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
Figura 13: Simulación de Flujo de Potencia del HBYM con la
Implementación del Filtro Pasivo
Se observa el flujo de potencia en el estudio del
hospital Yerovi Mackuart que con la implementación del
filtro pasivo mejora el factor de potencia de un valor de
0,87 a un 0,95 para cumplir la regulación ARCERNNR
002/20 de un valor mayor al 0,92.
4.1.3. Ahorro de energía mediante la compensación
reactiva
Mediante la implementación del filtro pasivo para la
compensación reactiva en el alimentador principal a 220
V del hospital de un consumo de potencia reactiva de
20,10 kVAr a un 11,70 kVAr, representa casi a la mitad
de energía desperdiciada en la componente reactiva que
consume el hospital, representando a un valor económico
de la energía, donde se muestra un ahorro de energía
mediante la implementación de un filtro pasivo para la
compensación reactiva.
La estimación de energía ahorrada mediante la
implementación del filtro pasivo es mensualmente de 300
kWh que representa a 20 USD y un ahorro anual de 240
USD al año.
4.2. Sistema de Iluminación
Para la modelación del sistema de iluminación se
utiliza el software DIALux.
Con el objetivo de mejorar los índices de eficiencia
energética se propone una alternativa al Hospital Yerovi
Mackuart, la cual consiste en el cambio de lámparas
fluorescentes por lamparás de mejor calidad y
rendimiento prolongado como son las lámparas LED.
Estas lámparas se sugieren colocar en las áreas
determinadas donde se ha identificado 88 lámparas
fluorescentes con balastro, donde las mediciones de
lúmenes no cumplen con lo propuesto en la normativa y
para las áreas determinadas donde cumple con la
normativa se propone realizar un mantenimiento
preventivo.
Se emplea un total de 88 luminarias LED para el
diseño del sistema de iluminación, con una eficiencia
luminosa desde 3 350 lm/W hasta 8 570 lm/W, el sistema
planteado para el cambio de luminarias cumple los
parámetros establecidos producto del adecuado diseño
del ambiente visual, de esta manera mejora las
actividades diarias y cumple con un confort visual
adecuado.
4.2.1. Distribución de energía en la iluminación
En el reconocimiento de escenarios de iluminación a
través de la verificación del número y distribución de las
luminarias en el establecimiento de salud se contabiliza
174 lámparas, mediante evaluación lumínica y
confirmación con la simulación en DIALux se detectó 88
lámparas que pertenece al 50,57 % del total de las
luminarias con bajos niveles de iluminación, en la Fig. 14
se observa la distribución de energía en el hospital, en el
uso de la energía por concepto de iluminación.
Figura14: Porcentaje Relativo por Área de Trabajo en el Sistema
de Iluminación Actual
4.2.2. Ahorro energético en iluminación
El cambio de lámparas fluorescentes a LED permite
un ahorro energético estimado de 5 207,69 kWh/año, en
la Fig. 15 se observa el porcentaje de ahorro energético
anual en iluminación y se alcanza un porcentaje de 19,74
% con el cambio de lámparas fluorescentes a lámparas
LED.
Figura 15: Porcentaje de Ahorro Energético por Iluminación
4.3. Ahorro Energético Anual Global
El ahorro anual por la implementación del banco de
capacitores y cambio de lámparas en luminarias alcanzo
un valor estimado total de 8 807,70 kWh, por el valor de
0,06 USD del costo por kWh consumida mediante pliego
tarifario asciende a un ahorro económico anual de 572,50
USD.
40
Arias et al. / Estudio de Indicadores de Desempeño Energético (IDEn) de un Hospital Básico en el Ecuador
4.4. Evaluación de Indicadores Energéticos
Con los resultados obtenidos se evalúa los
indicadores energéticos realizando la comparación de los
(IDEn) con el primer indicador global evaluado
anteriormente con la ecuación (1).
Para un hospital de 15 camas con un valor de
consumo anual de energía eléctrica propuesto 115 222
kWh/ año.
En este caso se puede ver la diferencia ya que
disminuye el consumo de energía anual de 8,26
(MWh/cama) /año a un valor de 7,68(MWh/camas/año).
El indicador de eficiencia energética establece la
relación del costo de la energía anual ahorrada (USD) y
la energía anual ahorrada al año (kWh).
El indicador de emisiones evitadas de dióxido de
carbono (CO2), se evalúa las emisiones evitadas mediante
propuesta logrando reducir 8 807,69 kWh/año y 1 688,43
kg/CO2/año.
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de indicadores energéticos permitió
evaluar tanto de forma agregada como desagregada,
además de definir el orden de criterios de evaluación e
identificar indicadores de consumo especifico de energía,
la eficiencia energética alcanzo un valor de
0,065(USD/(kWh/año)) y la emisión de gases efecto
invernadero alcanzo un valor de 1 688,43 kg/ CO2/año.
Mediante el análisis de flujo de potencia
implementado se realiza la compensación reactiva de la
carga debido al bajo factor de potencia que se encuentra
en 0,87 por debajo del límite exigido por la regulación
ARCERNNR 002/20, al realizar el estudio de armónicos,
se procede a realizar un balance de cargas para disminuir
la generación del tercer armónico, de tal manera de
compensar el bajo factor de potencia sintonizando a la
quinta armónica predominante mayor al 10 % de THDi,
el proceso se realiza mediante el software ETAP para
visualizar el comportamiento de la implementación de un
filtro pasivo, como resultado el factor de potencia sube a
0,95 y el valor de la demanda aparente baja a 37,5 kVA
con un THDi de 6,18 % que se encuentra por debajo del
8 % exigido por la normativa.
Al sustituir lámparas fluorescentes por lámparas LED
con niveles lumínicos acorde a la normativa UNE-EN
12464-1 de eficiencia energética con potencia de 24 W,
se disminuyó el consumo eléctrico y mejoro el nivel de
luminosidad dentro de los valores permitidos, reduciendo
el consumo energético estimado en 5 207,69 kWh/año.
Se debe implementar un balance de todas las cargas
conectadas a los tableros principales y subtableros de
derivación, debido al alto desbalance existente en sus tres
fases, esto ocasiona que se genere armónicos del tercer
orden al tener cargas monofásicas conectadas, además se
debe realizar un mejoramiento de las puestas a tierras,
debido a un alto valor de corriente que circula por el
neutro del transformador.
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Fernando Arias Atiaja. - Nació el
02 de septiembre de 1980. Curso
los estudios tecnológicos en el
Instituto Tecnológico Superior
Ramón Barba Naranjo; Título de
Tecnólogo en Mantenimiento
Eléctrico y Control Industrial.
Recibió su título de Ingeniero
Eléctrico de la Universidad Técnica de Cotopaxi en 2021.
Actualmente desempeña como profesional independiente
y cursa sus estudios de cuarto nivel en la Universidad
Técnica de Cotopaxi en la carrera de electricidad
mención en sistemas eléctricos de potencia. Sus campos
de investigación están relacionados con la
automatización industrial, eficiencia energética, calidad
de energía, protección ambiental y sistemas eléctricos de
potencia.
Armando Freire Freire. - Nació
en Latacunga, Ecuador en 1994.
Curso sus estudios secundarios en
el Instituto Tecnológico Ramón
Barba Naranjo. Recibió su título de
Ingeniero Eléctrico de la
Universidad Técnica de Cotopaxi
en 2020. Recibió su título de
Magister en electricidad mención en sistemas eléctricos
de potencia de la Universidad Técnica de Cotopaxi en
2023. Actualmente desempeña el cargo de operador y
técnico de mantenimiento de la subestación eléctrica
Novacero S.A. planta Lasso. Sus campos de
investigación están relacionados con las energías
renovables, calidad de energía, coordinación de
protecciones, mantenimiento y operación de equipos de
potencia.
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