Método par ala implementación de sistemas solares activos en establecimientos hospitalarios, estudio de caso en el hospital clínico del sur, Concepción, Chile.

Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 451 21. Método para la implementación de sistemas solares activos en establecimientos hospitalarios, estudio de caso en el Hospital Clínico del Sur, Concepción, Chile. Nope Bernal, Alberto (1, *), García Alvarado, Rodrigo (2) Bobadilla Moreno, Ariel (3) (*)Universidad del Bío-Bío, [email protected] +56988035403 (1) Universidad del Bío-Bío, [email protected] (2) Universidad del Bío-Bío, [email protected] Resumen Los establecimientos hospitalarios constituyen morfologías complejas con altos requerimientos energéticos, por lo tanto, la generación energética solar integrada en este tipo de edificios puede ser un aporte relevante para su funcionamiento, pero su adecuada implementación requiere relacionar volumetría, demandas y tecnologías. Los métodos empleados hoy en día para determinar instalaciones solares en edificios usualmente no involucran aspectos arquitectónicos, energéticos y económicos en un solo proceso, lo cual reduce las posibilidades de que el proyectista o consultor aborden la implementación de forma eficaz, tanto en edificios existentes, como en etapas tempranas de nuevos proyectos. Este trabajo revisa procedimientos actualmente sugeridos para instalar equipos solares, identificando tareas adicionales, para plantear una metodología integral experimentada en el pabellón de hospitalización del Hospital Clínico del Sur, Concepción, Chile. Este proceso permitió detectar potencialidades de la envolvente, y evaluar tres distribuciones combinadas de equipos térmicos y fotovoltaicos en cubierta; determinando una alternativa con una cantidad de 131 paneles térmicos y 196 paneles fotovoltaicos que puede satisfacer hasta un 70% del suministro de agua caliente sanitaria y un 91% de la iluminación, recuperando la inversión inicial en 7,8 años. Lo que permite determinar un análisis más completo de la implementación solar, incorporando una evaluación del desempeño energético, superficies captadoras, factibilidad técnica y evaluación económica que pueden aportar sustancialmente en las necesidades funcionales, y sugerir volumetrías y sistemas en nuevos edificios hospitalarios con mayores posibilidades solares activas. Palabras clave: Establecimientos Hospitalarios, Morfologías complejas, Energía Solar, Diseño Integrado. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 452 1 Introducción El diseño en un establecimiento hospitalario se fundamenta usualmente en el programa de necesidades según el número de personas que deberán ser atendidas, servicios y flujos de operación del personal, pacientes y visitantes (Cisneros 1999). Involucrando conceptos constructivos, operativos y premisas que buscan garantizar el funcionamiento de atención del usuario y actividades internas, con un proceso de diseño que se inicia desde la diagramación generatriz, hasta la definición detallada de áreas como la clínica, apoyo técnico, administración y servicios generales entre otras (Horacio and González 2006), usualmente en distintas etapas. Localizados en emplazamientos urbanos céntricos que generan morfologías complejas caracterizadas por la variabilidad de alturas, produciendo alto sombreamiento anual, que debilitan la captación solar activa o pasiva (Fig. 1). Fig 1 Máximo sombreamiento anual en el Hospital Clinico del Sur. Elaboración propia En Chile los establecimientos de la salud, representan aproximadamente el 15% del consumo energético total del sector público, lo que implica alrededor de 240 GWh año (Walter Löhr, Karin Gauer, Nelson Serrano 2014). Este tipo de establecimientos generan altas demandas energéticas debido a su funcionamiento continuado y edificación concentradas, muchas veces sin características constructivas o instalaciones eficientes, por lo que se han recomendado diversas acciones de mejoramiento pasivo (Arquiambiente Alguasol 2010), pero sin abordar capacidades específicas para generación solar activa. Investigaciones de potencial solar activo integrado en las edificaciones en Chile, plantean una alta capacidad en localizaciones centrales, lo cual permitiría establecer un balance entre la energía consumida y la energía generada (Wegertseder 2016). Los estudios para la instalación de tecnologías térmicas y/o fotovoltaicas en edificios abordan usualmente solo aspectos técnicos de manera acotada, omitiendo las condiciones de la volumetría, los servicios y el análisis económico que permita mediante la comparación de distintas alternativas identificar costos iniciales y valor residual, que aporten sustancialmente al establecimiento. El objetivo de este trabajo es revisar los métodos existentes, abstrayendo atributos importantes y planteando acciones faltantes, para formular una metodología integral que permita la implementación de tecnologías solares. Proveyendo una estrategia eficaz para arquitectos y/ consultores en establecimientos de salud existentes o en aquellos que se encuentren en etapas tempranas de diseño. 2 Métodos existentes Método, se define como el modo ordenado y sistemático de proceder para llegar a un resultado. Para este caso, se exploró desde la mirada de un arquitecto y/o Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 453 consultor, las recomendaciones técnicas, energéticas y arquitectónicas descritas en distintas fuentes destinadas a implementar tecnologías térmicas o fotovoltaicas en la edificación. Se realizó un análisis de procedimientos indicados en guías y manuales emitidos por instituciones públicas y profesionales (Tabla 1), como el Ministerio de Vivienda y Urbanismo de Chile (Minvu 2014), la Corporación de Desarrollo Tecnológico (CDT 2013), la Cámara Chilena de la Construcción (CDT - CChC 2007), la Consejería Nacional de Energía de España (CNE 2013) y la Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid de España (DGIEM, Dirección General de Industri 2010), para identificar de cada uno de estos, los análisis técnicos, energéticos, arquitectónicos y económicos planteados, y proponer consideraciones faltantes. Por otro lado, también se revisaron herramientas digitales surgidas para la implementación de sistemas de energía solar en edificios (Tabla 2), integradas en reconocidos softwares de diseño de Autodesk y Graphisoft entre otras. Las cuales consideran variables de implementación, permitiendo evaluar superficies, pero en la mayoría de los casos no vinculan tipos de tecnologías, datos de los equipos, aporte a la demanda, factibilidad técnica arquitectónica y retorno de la inversión, lo que es una limitación para el medio local, debido a su alcance internacional. Todos estos recursos se caracterizan por involucrar de forma independiente un análisis técnico y/o energético, dotando de fórmulas de cálculo entre equipos, pero carecen de una revisión vinculada de aspectos volumétricos y proyecciones en los servicios para asegurar una eficaz implementación. Tabla 1 Acciones identificadas en guìas y manuales. Elaboración propia Método DGIEM (2010) MINVU, (2014) CNE, (2013) CDT (2013) CChC (2007) Integración con la arquitectura x x Adaptados a la arquitectura x x x x x Sombreamiento x x x x x Instalación x x x x x Modulación x x x x Estructura de soporte x x x x x Lugar de instalación x x x x x Accesorios y Complementos x x x x Rendimiento x x x x x Dimensionamiento x x x x x inversión y valor residual x Evaluación del potencial solar Simulación de la demanda cuantificación del consumo x x mantenimiento x x x x x Especificaciones técnicas x x x x Base meteorológica x x x x Casos de estudio x x x Tabla 2 Herramientas digitales y atributos identificados. Elaboración propia Herramientas digitales para la implementación de energía solar Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 454 Autodesk Ecotect Autodesk Revit Graphisoft Archicat Autodesk Vasari Valentin TSol Pro 5.0 Elaboración de modelo conceptual x x x x Estudio solar año, mes día, hora x x x x Cálculo de la radiación solar, considerando ubicación. x x x x x Estimación de la energía producida x x demanda energética para agua cal. sanitaria x x x x x demanda energética para electricidad x x x x x demanda energética para calefacción x x x x x Estimación económica x Diseño de la instalación x Cuantificación de tecnologías x Proyección de sombras x x x x Para proyectos nuevos y existentes se reconocieron en general actividades (figura2) como la cuantificación del consumo (1), evaluación y selección de las tecnologías (4), y el cálculo de la capacidad de suministro (5). Fig 2 Acciones identificadas para determinar la implementación de paneles solares en edificios. Elaboración propia Sin embargo estos cálculos no parecen suficientes para determinar cabalmente los aportes de sistemas solares en una edificación. Se pueden plantear algunas actividades para complementar estos estudios (figura 3) como la simulación de la demada energetica (proyectos nuevos o existentes) (2), la evaluación del potencial solar de la envolvente (3), la evaluación de la factibilidad tecnica arquitectonica (6), y la evaluación económica de las distintas alternativas de inversión (7), permitiendo proponer una revisión mas general de las posibilidades para una instalación eficaz. Fig 3 Acciones sugeridos para complementar la implementación de paneles solares en edificios. Elaboración propia 3 Caso de estudio El Hospital Clínico del Sur, se encuentra en el centro de la ciudad de Concepción Chile, la cual está localizada en la latitud Sur -36,81 y la longitud -73,05. Localizada en un clima templado marítimo con una influencia mediterránea, con temperatura en verano entre los 11 y 22°C y en invierno entre los 6 y 13 °C. La radiación acumulada promedio anual es de 1.629 kWh sobre superficie plana (DTI 2012). Se realizó un catastro de los servicios de la salud presentes en la comuna central del área metropolitana de Concepción Chile, identificando establecimientos hospitalarios y evaluando sus características morfológicas y de emplazamiento que inciden en las posibilidades de captación solar. Luego, se seleccionó un caso ilustrativo con mayor incidencia de sombra, para experimentar la metodología Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 455 propuesta y evaluar una implementación integrada, y de esta forma sugerir estrategias de diseño que permitieran optimizar el área de captación en techumbres y fachadas, posibilitando mayores aportes. La Figura 4 muestra la ubicación de los servicios de la salud presentes en la comuna de Concepción Chile, obteniendo en la Tabla 3 una estimación del número de servicios por tipos, superficie de cubierta útil, superficie construida, consumos, área de techo útil y potencial solar inicial, calculada según el área de cubierta general y la radiación anual recibida. Fig 4 En rojo los servicios de la salud presentes en la comuna de Concepción, Chile. En azul el Hospital Clíinico del sur caso de estudio. Extarido de (Nope 2015) Tabla 3 Estimación del consumo y generación energetica potencial para distintos establecimientos de salud presentes en la comuna de Concepción Chile. Extraido de (Nope 2015) Destino Tipo de establecimiento M2 Cubierta M2 Superficie construida Consumo KWh/año Área útil en techo Potencial de energía KWh/año Salud Hospitales 27,174 93,351 56,980 10,870 16,370 Clínicas 14,817 32,176 19,852 20,032 8,926 Consultorios 50,080 140,307 86,569 20,032 30,168 Total 92,071 265,834 163,402 50,934 55,464 El Hospital Clínico del Sur (Figura 5), es uno de los centros de salud más importantes de la Región del Bío Bío. Cuenta con 117 camas y 7 pabellones quirúrgicos de la más alta tecnología; con una infraestructura de primer nivel, incluyendo un nuevo servicio de urgencia, con 8 boxes de atención, sala de observación, box de reanimación y box de procedimientos y de yeso. También cuenta con UCI y UTI las cuales han sido remodeladas, contando actualmente con 16 camas de paciente crítico y 4 camas de UTI neonatología. Este establecimiento se emplaza en un terreno de 9.794 m2, con una superficie total de construcción de 11.300 m2, en un edificio principal y otro secundario. El edificio principal está constituido por los volúmenes A-A1-A2-B (figura 5) que hacen parte de la unidad de hospitalización, pabellones quirúrgicos y maternidad. Mientras que el secundario D-C-E está destinado principalmente, para funciones administrativas propias de la institución, servicio de urgencia, box de atención, sala de observación, box de reanimación y box de procedimientos. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 456 Fig 5 Hospital Clínico del sur Concepción Chile. Extraido de Extarido de (Revista nos 2010) (Nope 2015) Como un ejemplo de alto consumo concentrado se tomó la unidad de hospitalización (volumen A-A1) la cual contempla un total 3.000 m2 de construcción, albergando 58 habitaciones con 117 camas, en un pabellón rectangular orientado al nor oeste, el cual presenta 20 metros de altura, 14.80 metros de ancho y 56.22 metros de largo, con una superficie total en cubierta de 1.385 m2. Los principales consumos energéticos de esta unidad son agua caliente sanitaria, electricidad y calefacción. Para efectos de análisis y aplicación del método se decidió trabajar con requerimientos de agua caliente sanitaria e iluminación, puesto que las bajas condiciones de hermeticidad al paso del aire y transmitancia térmica de la envolvente no garantizan la conservación adecuada de la calefacción en los recintos de la unidad de hospitalización, y pueden ser reducidas con mejoramientos de envolvente o equipamiento. 4 Método propuesto Reconociendo los atributos detectados y sugeridos en los métodos y herramientas revisadas se formuló un proceso que permitiera a arquitectos y/o consultores energéticos implementar de forma integrada tecnologías solares en la arquitectura de establecimientos hospitalarios nuevos o existentes. Considerando 7 atributos metodológicos (figura 6) que involucran condiciones técnicas, arquitectónicas y económicas. Para edificaciones existentes el método deberá ser desarrollado a partir del atributo 1 seguido del tres 34 – 56 y 7, y ejecutando el atributo 2 como comparación entre consumos y demandas de energía. Para proyectos que se encuentren en etapas tempranas de diseño el método se desarrollará a partir del atributo 2 seguido del 3 – 4 – 56 – 7. Fig 6 Pasos considerados en la formulaciòn del mètodo integral. Elaboración propia 1. Cuantificación del consumo de gas y electricidad 2. Simulación de la demanda energética para agua caliente ACS, Calefacción e iluminación 3. Evaluación del potencial solar de las distintas superficies que componen la envolvente del edificio 4. Evaluación y selección de las tecnologías a implementar 5. Cálculo de la capacidad de suministro 6. Evaluación de la factibilidad constructiva-arquitectónica 7. Evaluación económica de las distintas alternativas de inversión Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 457 5. Aplicación del método al caso de estudio 5.1 Cuantificación del consumo de gas y electricidad Para establecimientos existentes, este análisis consiste en la revisión de los consumos energéticos anuales y mensuales generados por el establecimiento, que comúnmente obedecen a consumos de gas y electricidad, calculados en m3 y kWh respectivamente. En este caso, con la información de gastos suministrada por la entidad hospitalaria, se cuantificó el consumo anual de gas y electricidad destinada para suplir las necesidades de agua caliente sanitaria (ACS), calefacción e iluminación de los 11.300 m2. De esta forma se observó que para el año 2013, los consumos totales de gas estuvieron sobre los 322.849 m3, equivalentes cerca de 3.489.999 kWh; y los consumos de electricidad para el mismo año fueron de 1.844.100 kWh, lo anterior equivale a un costo anual aproximado de USD 457.852,080, lo cual representa en términos ambientales y financieros un gasto relevante que podría reducirse implementando tecnologías alternativas. La unidad de hospitalización, cuenta con un área construida de 3.000 m2 distribuidos en 4 niveles. Los consumos de energía (Grafico 1, 2 y 3) destinados para agua caliente sanitaria (ACS) para el 2013 fueron de 123,780 kWh /m2 (371.3 35kWh), para calefacción de 185,670 kWh /m2 (557.003 kWh) e iluminación de 139,370 kWh /m2 (489.420 KWh). Grafico 1 Consumo mensual de gas en kWh /m2 para ACS Unidad de Hospitalización. Elaboración propia Grafico 2 Consumo mensual de gas en kWh /m2 para calefacción Unidad de Hospitalización. Elaboración propia Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 458 Grafico 3 Consumo electrico mensual en kWh /m2 para Iluminación Unidad de Hospitalización. Elaboración propia 5.2 Simulación de la demanda energética. Se formuló como herramienta para determinar la demanda energética según condiciones generales de agua caliente sanitaria (ACS), calefacción e iluminación en etapas tempranas de diseño. Para este caso se utilizó como medida de comparación frente a consumos energéticos del caso evaluado, identificando los porcentajes que sobrepasan un consumo aceptable. Para evaluar la demanda energética de agua caliente sanitaria ACS, Calefacción e iluminación del pabellón de hospitalización del Hospital Clínico del Sur, se utilizó el software Design Builder desarrollando un modelo tridimensional (Fig. 7), conformado por 44 zonas térmicas a las cuales se les asignaron propiedades de ocupación, sistemas de clima, cargas latentes, sensibles y materialidad de la envolvente según estado actual. Fig 7 Modelo de simulación energetica Unidad de Hospitalización Hospital Clínico del sur Concepción Chile. Elaboración propia La simulación energética permitió identificar que para el caso del agua caliente sanitaria el consumo de sobrepasa la demanda en un 20%, para calefacción un 41% y para iluminación un 39%. Tabla 4 Demanda de energía para Iluminación, Calefacción y agua caliente sanitaria Unidad de Hospitalización. Elaboración propia Mes Iluminación Calefacción (Gas) Agua caliente sanitaria (Gas) kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2 Enero 20.291,38 1.766,59 8.475,92 Febrero 17.644,67 2.150,49 7.655,67 Marzo 18.526,91 4.097,27 8.475,92 Abril 19.409,14 8.066,68 8.202,51 Mayo 20.291,38 16.781,80 8.475,92 Junio 17.644,67 21.493,73 8.202,51 Julio 20.291,38 24.019,70 8.475,92 Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 459 Agosto 19.409,14 19.847,23 8.475,92 Septiembre 18.526,91 15.249,69 8.202,51 Octubre 20.291,38 10.220,57 8.475,92 Noviembre 18.526,91 5.327,98 8.202,51 Diciembre 19.409,14 2.561,56 8.475,92 Total 230.263,01 131.583,29 99.797,15 5.3 Evaluación del potencial solar de las distintas superficies que componen la envolvente del edificio Para la evaluación del potencial solar presente en las distintas superficies que conforman la envolvente de la unidad de Hospitalización del Hospital Clínico del Sur, se utilizó el software VASARI de Autodesk, el cual se desarrolla con base a la construcción de masas conceptuales que compartían las mismas características morfológicas del caso de estudio seleccionado (Fig. 8). Este programa considera una data meteorológica tipo TMY2 la cual se basa en promedios de datos recopilados en periodos de 30 años (a menudo en aeropuertos) para este caso correspondió a la 8682290 del aeropuerto Carriel Sur de Concepción. El tipo de evaluación es de carácter acumulativo considerando valores en kWh /m2 año en superficies de cubierta y fachada considerando la relación volumétrica entre la unidad de hospitalización y el resto del conjunto hospitalario, proyectando sombreamiento en cubiertas y fachadas. Fig 8 Evluación del potencial solar Unidad de Hospitalización Hospital Clínico del sur Concepción Chile. Elaboración propia El mayor potencial solar se encuentra en cubierta comprendiendo 1.124,170 kWh /m2año. Considerando un total de área útil de 1.385 m2 el total de energía solar es de 1.556.975 kWh /año. Tabla 5 Potencial de radiación solar para cubiertas y fachadas de la Unidad de Hospitalización. Elaboración propia Fachada Superficies M2 Kwhm2/año Total Cubierta 1 1.385,00 1.124,17 1.556.975,45 Fachada Nor-Oriental: 1 70 513,33 35.932,86 2 44 472,67 20.797,32 3 44 490,94 21.601,56 4 44 488,33 21.486,54 5 44 489,72 21.547,74 6 44 487,80 21.463,00 7 77 508,81 39.178,41 8 44 496,81 21.859,52 Fachada sur Oriental 1 84 184,9762 15.538,00 3 28 102,1924 2.861,39 4 84 144,9473 12.175,58 Fachada sur occidental 1 28 194,379 5.442,61 2 28 230,936 6.466,22 3 28 194,039 5.433,09