Diseño de sistemas eléctricos para la educación superior.

Los campus de colegios y universidades dependen de redes de sistemas eléctricos confiables, fáciles de cambiar y de fácil mantenimiento para cumplir con sus misiones académicas y de investigación. Independientemente de la causa, las perturbaciones de energía pueden comprometer e incluso invalidar las investigaciones científicas, así como interrumpir e incomodar las funciones rutinarias del aula de una institución.

Para diseñar dichos sistemas, el profesional eléctrico debe sopesar una serie de diversos requisitos funcionales inmediatos y a largo plazo, además de los códigos y estándares de seguridad, para diseñar un sistema eléctrico confiable y duradero para todo el campus y sus edificios individuales excepcionales de alto rendimiento. . De hecho, la consideración exhaustiva de la infraestructura, la confiabilidad, los sistemas de respaldo, la medición, la capacidad de cambio y el mantenimiento ilustra hasta qué punto los requisitos de diseño complejo de las instalaciones de educación superior exceden las pautas mínimas del código.

Infraestructura y confiabilidad

La infraestructura de la red eléctrica que abastece al campus de educación superior debe proporcionar energía confiable y segura a sus componentes individuales. Para hacerlo, el servicio de energía eléctrica entrante debe distribuirse de tal manera que facilite la restauración de energía durante un corte de manera segura y rápida. Al solicitar servicios públicos, los propietarios de las instalaciones deben sopesar varios factores al seleccionar el servicio eléctrico más adecuado para llevar al campus. Las soluciones varían en términos de geografía. Los campus ubicados en el corazón de las grandes ciudades pueden confiar en la red de servicios públicos disponible para dar servicio a sus edificios directamente, mientras que un campus más remoto puede tener que administrar su infraestructura eléctrica y distribuir sus propios servicios internamente. Para estos últimos, el desafío radica en seleccionar los servicios públicos adecuados y determinar cómo distribuirlos de la manera más efectiva.

Para analizar la confiabilidad del servicio de energía eléctrica, que, según IEEE, es el que más contribuye tanto a la tasa de fallas como a las horas forzadas de inactividad por año en el punto de uso de 480 V, los ingenieros deben consultar el estándar IEEE 493-2007. : Práctica recomendada para el diseño de sistemas de energía industriales y comerciales confiables. Este estándar proporciona ejemplos valiosos que resultan útiles para determinar la confiabilidad de las fuentes de servicios públicos simples y dobles, y para comparar varias técnicas de distribución en campus. Los ejemplos dados concluyen que se obtiene una mayor confiabilidad con una fuente de servicio dual dispuesta en una configuración selectiva primaria.

IEEE 493-2007 compara la confiabilidad de un sistema radial simple (una fuente), un sistema selectivo primario con cambio manual (conmutación de 9 min) y un sistema selectivo primario con cambio selectivo automático (conmutación de 5 segundos) (consulte la Tabla 1 ). Con equipos de transferencia automática en los interruptores primarios, la cantidad de fallas por año se reduce en un factor de 6. IEEE 493-2007, Sección 3.3.5.3 establece: "El uso de equipos de transferencia automática que podrían detectar una falla de un suministro de servicios públicos de 13,8 kV y cambiar al segundo suministro en menos de 5 segundos daría una mejora de 6 a 1 en la tasa de fallas en el punto de uso de 480 V".

Con base en estos datos, los campus universitarios deben solicitar dos fuentes de servicios públicos y establecer un sistema selectivo primario con equipo de transferencia automática para una mayor confiabilidad en el punto de uso del edificio de 480 V (consulte la Figura 2).

El transformador en los sistemas de distribución secundaria es un componente muy confiable (con una baja tasa de fallas λ de 0.0062) pero posee el segundo tiempo de interrupción más alto después de la empresa de servicios públicos (a 132 h, lo que resulta en un mayor tiempo de inactividad de horas forzadas/año, λr). Esto implica que, si bien el transformador es bastante confiable, se deben tener en cuenta los medios para hacer frente a la larga interrupción experimentada para reemplazarlo donde se requiere una alta disponibilidad general del sistema. Un sistema selectivo secundario que utiliza subestaciones de dos extremos permite una protección adicional para fallas o mantenimiento del transformador (consulte la Figura 3).

Sin embargo, no todos los edificios en el campus pueden necesitar este nivel adicional de confiabilidad o costos asociados con el concepto de subestación de dos extremos. Luego se convierte en una decisión programática para seleccionar qué edificios en el campus se clasifican como "vitales" en cuanto a operatividad y los costos asociados con los componentes redundantes adicionales se pueden usar para sopesar sus beneficios, como centros de datos computarizados y edificios de investigación.

Una alternativa al concepto de subestación de dos extremos implementado en el edificio Wisconsin Institutes for Discovery recientemente terminado en la Universidad de Wisconsin es el sistema de transformador ahorrador (consulte la Figura 4). Habiendo establecido que los transformadores son altamente confiables y rara vez fallan, el tiempo de interrupción reducido por la subestación de dos extremos se puede replicar instalando un transformador de repuesto, que básicamente está interconectado inicialmente con un interruptor principal y varios interruptores automáticos de enlace entrelazados. Un verdadero sistema redundante de dos extremos implica que los transformadores tienen un tamaño del 50 % de sus valores nominales. Una ventaja es que en este esquema de ahorro, cada transformador transporta solo su propia carga (terminal único), y las clasificaciones de kVA del transformador pueden coincidir de manera efectiva con la carga del edificio y no necesitarían depender de las clasificaciones de los ventiladores para los eventos de transferencia. Este sistema ahorrador también tiene la ventaja de un espacio reducido en comparación con las subestaciones de dos extremos.

En una universidad del Medio Oeste, un sistema selectivo primario compuesto por una línea principal de servicios públicos, con una línea de reserva secundaria, se distribuye a los edificios de todo el campus, creando un sistema de bucle (consulte la Figura 5). Los interruptores de seccionamiento se utilizan para crear el bucle exterior principal que está abierto en un lugar del campus para permitir que el servicio público venga de dos direcciones. Los seccionadores se utilizan para aislar cualquier falla del alimentador en este nivel. Luego, estos interruptores se utilizan para crear un segundo circuito interno, que interconecta secciones del campus en términos geográficos a través de transformadores montados en pedestal con interruptores de circuito de seccionamiento integrales sumergidos en aceite y fusibles extraíbles limitadores de corriente. Este sistema permite aislar cualquier sección del sistema de bucle y también la eliminación de cualquier transformador local del bucle sin perturbar a otros edificios. La Figura 5 muestra los sistemas secundarios radiales en cada edificio (un solo extremo), pero se puede agregar una mayor confiabilidad mediante la introducción de equipos de dos extremos en las instalaciones "vitales" del campus. Este sistema es muy común y adecuado para un gran campus universitario.

Sistemas de respaldo

Las razones para proporcionar sistemas de energía de respaldo en los edificios universitarios se derivan de varios requisitos de código para sistemas de emergencia y de reserva, así como requisitos programáticos para equipos sensibles opcionales especificados por el usuario. Los sistemas generadores, los sistemas de baterías de almacenamiento y los sistemas UPS son opciones típicas para que las universidades cumplan con estos requisitos especiales de energía. La necesidad de un sistema generador puede surgir de la capacidad total asignada de las cargas de emergencia, de reserva y de reserva opcional. Según el tipo de edificio, las cargas de emergencia suelen ser las cargas más pequeñas, mientras que las cargas de reserva constituyen el mayor equilibrio y pueden inclinar la balanza hacia la selección del generador. Además, las cargas de reserva incluyen un gran componente de cargas de motores, que se manejan mejor con un sistema generador que con sistemas de almacenamiento de baterías. Cuando se selecciona un generador, su selección de capacidad se convierte en un tema controvertido en términos de determinar qué otras cargas de reserva opcionales se necesitarán atender. Los generadores son principalmente adecuados para edificios más grandes donde se suman las cargas opcionales y de reserva, como edificios de gran altura y edificios con requisitos de alta tecnología, como centros de datos. Los edificios más pequeños con requisitos mínimos de emergencia pueden confiar en los sistemas de baterías (centralizados o unificados) como fuente de respaldo.

Los sistemas UPS se emplean con frecuencia en centros de datos y equipos de tecnología de la información (TI), y es posible que las universidades necesiten determinar qué configuración de sistema UPS es la más adecuada para instalar. Por ejemplo, para el equipo de tecnología distribuida ubicado en un piso típico de una instalación, se puede elegir entre sistemas de UPS montados en bastidor individuales o un sistema de UPS centralizado distribuido en cada armario de TI. Un sistema UPS centralizado, con un componente de derivación de mantenimiento envolvente, puede reducir las llamadas de mantenimiento y puede resultar rentable en una instalación más grande. Además, algunos investigadores pueden solicitar energía ininterrumpida para experimentos sensibles, que de manera similar pueden ser manejados por un UPS en el punto de uso o un sistema central.

Otro enfoque típico es manejar las cargas de reserva opcionales como un sistema separado que rara vez se necesitará porque, según la infraestructura del campus, la mayoría de los tiempos de interrupción son breves, pero es posible que deban planificarse como eventos catastróficos. En la planificación de desastres, la creación de un punto de conexión para un sistema de generación portátil puede resultar prudente, invirtiendo solo en la infraestructura inicial para tener la capacidad de brindar servicio a sistemas opcionales, como refrigeradores que albergan muestras de investigación sensibles. Para estas unidades portátiles, las universidades suelen tener un contrato de alquiler con un proveedor de generadores y ante la advertencia de una tormenta que se aproxima, por ejemplo, podrían instalar la unidad portátil como medida de seguridad. También es común proporcionar este tipo de suministro de sistema portátil en un edificio universitario central (es decir, la Unión de Estudiantes), que puede 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 para estudiantes) . Con esta preinversión inicial, también se pueden hacer provisiones para instalar un futuro generador permanente en este lugar.

Medida

Las solicitudes de medición eléctrica se están volviendo omnipresentes en los campus universitarios, debido a la necesidad de monitorear el uso de energía en edificios individuales con fines de facturación, requisitos LEED y solicitudes adicionales de submedición de departamentos universitarios individuales para estudios de energía o subfacturación. Para edificios que buscan la certificación LEED, el proceso asocia tres puntos de crédito dentro de la categoría Energía y Atmósfera, en Medición y Verificación. Se requieren medidores eléctricos para monitorear el consumo total de energía del edificio, así como la submedición de varias categorías de procesos, como cargas de iluminación, equipos y cargas de enchufes.

Un plan de medición y verificación, incluso si no persigue LEED, es una herramienta valiosa para administrar el ahorro de energía en una instalación. Estos medidores pueden proporcionar información para monitorear continuamente el uso de energía de la instalación y mejorar el rendimiento durante la vida útil del edificio. Además, se convierten en una herramienta importante en la planificación del crecimiento futuro del campus. Una universidad que implemente una estrategia de medición tendrá datos de carga de demanda promedio que se pueden analizar por tipo de edificio. Estos datos reales se pueden usar para predecir el uso de energía de futuras instalaciones y ayudar en la planificación de futuras expansiones, y pueden ser una herramienta invaluable para dimensionar correctamente los equipos. Los valores de referencia derivados de estos datos (vatios/pie cuadrado) son de gran ayuda para los diseñadores de futuros edificios.

Posibilidad de cambiar

Un edificio de investigación en un campus de educación superior se someterá a una serie de renovaciones físicas durante la vida útil de la estructura, ya que el edificio tiene una vida de diseño esperada sustancialmente más larga que muchos de sus componentes individuales. La esperanza de vida de la mayoría de los equipos de distribución eléctrica oscila entre 35 y 40 años, lo que indica que se requerirán varias renovaciones en el transcurso de los 50 o 100 años de existencia del edificio, y ese edificio debe diseñarse para facilitar los reemplazos y actualizaciones de equipos en consecuencia. (ver Figura 6).

Es fundamental incorporar esta base de diseño durante la planificación de la instalación. Para lograr tal objetivo se requiere que los espacios eléctricos se creen con medios suficientes para el reemplazo de componentes individuales con una interrupción limitada de otros equipos operativos. Proporcionar rutas de remoción de equipos como parte de los documentos de diseño cumple con este propósito. Por ejemplo, asegurar que una subestación unitaria tenga suficiente espacio para quitar su transformador, transportarla a través de un camino despejado hacia una puerta exterior accesible suena lógico. Pero, ¿qué pasa si la subestación unitaria está ubicada en el nivel más bajo de la instalación, que resulta estar por debajo del nivel del suelo? ¿Tiene el ascensor suficiente capacidad de elevación para manejar el peso de un núcleo de transformador de 2500 kVA que pesa 20 000 lb? Estas preocupaciones juegan un papel importante en la determinación del plan de reemplazo, no solo para los elementos eléctricos, sino también para todos los sistemas dinámicos que requerirán una reconfiguración durante la vida útil del edificio (muebles, laboratorios, HVAC y tuberías). La solución no puede ser independiente de otros sistemas, ya que surgen muchas oportunidades al compartir el acceso a la eliminación de equipos entre otros oficios.

La capacidad de cambio también implica la capacidad de la instalación para manejar cambios programáticos con una inversión previa prudente. ¿Cómo puede una universidad atraer a un investigador que solicita alta potencia a un edificio que inicialmente no estaba planeado para una investigación de tal potencia? Las funciones de cambiabilidad deben ser intuitivas y transparentes, lo que significa que los propietarios de las instalaciones deben conocer estos elementos. Una preinversión prudente puede ser la asignación de espacio para la instalación de equipos futuros, en lugar de adquirir los equipos durante la fase inicial de construcción. Por ejemplo, la sala principal de entrada del servicio eléctrico puede incluir espacio físico para futuras subestaciones, si se anticipa una gran carga eléctrica en el futuro, quizás con financiamiento monetario (subvención). Inicialmente, se pueden adquirir interruptores 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 investigación interdisciplinaria de los Institutos de Wisconsin para el Descubrimiento de 300,000 pies cuadrados en el campus de la Universidad de Wisconsin en Madison se concibió como una nueva dirección en el diseño de instalaciones de investigación, flexible y sostenible (un edificio de 100 años) mientras funcionalmente exigente (ver Figura 7) . Entre las diversas características de capacidad de cambio implementadas en Discovery estaba la de proporcionar suficientes interruptores automáticos de repuesto en los tableros eléctricos inicialmente para satisfacer las futuras modificaciones del espacio. Agregar un circuito eléctrico se clasifica en la parte superior de la solicitud de servicio al remodelar un espacio, al menos un evento anual. Una práctica de diseño común es incluir un 25 % de interruptores de repuesto en el presupuesto de diseño inicial, un 5 % para cambios que puedan ocurrir durante la construcción y un 20 % para modificaciones futuras. Otra preinversión implementada fue proporcionar conductos vacíos desde el tablero hasta el espacio de techo accesible más cercano. La cantidad de conductos de repuesto debe brindar capacidad para manejar los conductores necesarios para igualar la cantidad de interruptores de repuesto instalados.

Otras características de variabilidad dentro de un laboratorio de investigación específico o un aula abierta incluyeron el uso de dispositivos eléctricos montados en el techo. El concepto de espacios abiertos con utilidades montadas en el techo facilita la futura mutabilidad del propio espacio. La planificación adecuada incluye la estandarización de los tipos de receptáculos para que sean compatibles con los gabinetes móviles, además de proporcionar voltajes alternativos (es decir, 120 V, 208 V monofásicos o trifásicos) en este nivel de espacio. Otra alternativa viable es proporcionar electroductos de vía enchufables en los que, por ejemplo, se puede derivar energía monofásica y trifásica de 120 V y 208 V con unidades enchufables estándar a través de cables de bajada incorporados.

mantenibilidad

Según la definición de IEEE, la mantenibilidad es "la facilidad con la que un sistema o componente de software se puede modificar para corregir fallas, mejorar el rendimiento u otros atributos, o adaptarse a un entorno modificado". El mantenimiento es vital para el funcionamiento continuo y seguro de los campus de educación superior. Un sistema eléctrico bien planificado proporcionará un enfoque inicial para la mantenibilidad al considerar las pautas de las instalaciones existentes junto con los códigos y estándares en evolución. Los espacios libres de trabajo eléctrico (según el Código Eléctrico Nacional, Artículo 110) deben diseñarse y mantenerse adecuadamente, teniendo en cuenta que son recomendaciones mínimas del código y que no toman en cuenta los medios de reemplazo del equipo. La estandarización de componentes y repuestos en stock puede reducir considerablemente el tiempo de inactividad de las operaciones. Por ejemplo, es común que un diseño de aparamenta extraíble en un campus universitario estandarice los tamaños de los marcos de los interruptores automáticos y mantenga repuestos en stock que se puedan reemplazar entre varias instalaciones.

El acceso al equipo sigue siendo un factor crítico en el mantenimiento de una instalación. Durante la etapa de diseño, los consultores pueden facilitar este proceso con el BIM que se ha convertido en un estándar para proyectos sofisticados. BIM puede presentar visualmente los sistemas eléctricos en un software 3D y puede incluir las autorizaciones de código del equipo y el espacio de acceso como parte de las ilustraciones. Esta herramienta resulta invaluable al proporcionar una vía para garantizar que se pueda lograr la mantenibilidad de los sistemas. Por ejemplo, el acceso a la bandeja de cables se puede modelar, no solo con las dimensiones físicas de la bandeja en sí, sino con el espacio de acceso continuo recomendado superior a 12 pulgadas y 24 pulgadas en al menos un lado.

No hay que olvidar la experiencia que aportan las instalaciones y el personal de servicio del edificio. Los estándares del sitio, los proveedores preferidos (que ofrecen familiaridad y estandarización), los protocolos de seguridad (categorías preferidas de arco eléctrico y escaneo infrarrojo), las lecciones aprendidas y los requisitos operativos son parte de un objetivo de mantenimiento exitoso que estos grupos de personas deben ejecutar en última instancia. Gestionar estos requisitos puede ser todo un reto, ya que la inversión de capital inicial debe equilibrar la inversión previa de los costes de mantenimiento futuros.

Conclusión

Proporcionar a los clientes de educación superior de hoy en día una infraestructura de energía confiable y flexible basada en inversiones de primer costo prudentes, administrada con monitoreo de energía y mantenibilidad optimizada, y capaz de soportar edificios de 100 años es el desafío único para el profesional del diseño que entrega un sistema eléctrico. La medida en que se cumplan las expectativas del cliente y se realicen todos estos elementos del campus será fundamental para el éxito futuro de la institución.

Cordero es ingeniero eléctrico sénior en Affiliated Engineers Inc. en Madison, Wisconsin. Se especializa en instalaciones complejas de educación superior, atención médica e investigación. Sus proyectos escolares más recientes son los Institutos de Descubrimiento de Wisconsin en la Universidad de Wisconsin (Laboratorio del Año 2012) y el Centro de Investigación Eckhardt en la Universidad de Chicago.

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