Este artículo fue publicado originalmente en el anuario de la AEIH 2023.

Los hospitales pueden considerarse edificios intensivos desde el punto de vista del consumo energético. Las cada vez mayores exigencias que enmarcan esta actividad en materia de seguridad y confort, así como la alta tecnificación relativa a sus instalaciones y equipamiento, unidas al escenario alcista de los precios de la energía, hacen necesario que el diseño y ejecución de estos edificios se realice con una orientación en la línea de mejorar la sostenibilidad medioambiental y energética de los mismos.

En este sentido el Hospital San Juan de Dios de Sevilla supone una apuesta decidida por la implantación de tecnologías y sistemas de gestión, basados en criterios de eficiencia energética.

En este artículo pretendemos ilustrar cómo el trabajo conjunto entre los servicios técnicos de un grupo hospitalario y los agentes intervinientes en la ejecución de un edificio, enfocado a la mejora de los proyectos, puede culminar con un edificio mejorado desde su concepción inicial.

 

Introducción

El nuevo Hospital San Juan de Dios de Sevilla es un hospital de modelo vertical ubicado en la parcela de 10.000 m2 propiedad de la Orden en el barrio sevillano de Nervión.

Es un edificio de siete plantas sobre rasante y cuatro plantas bajo rasante con un total de 38.000 m2 construidos y, a nivel de instalaciones, es un ejemplo de implantación de tecnologías con criterios de eficiencia energética.

 

Vista general del Hospital San Juan de Dios de Sevilla.

 

La implantación de instalaciones basadas en fuentes renovables, para la producción de frío y calor como la geotermia, la incorporación de sistemas basados en la recuperación de frío o calor con equipos polivalentes, la apuesta por el autoconsumo mediante la instalación de una planta fotovoltaica, la producción de la energía destinada a preparación del ACS mediante energía solar, sin olvidar la importancia de la propia gestión de las instalaciones mediante un sistema de gestión que incluye módulos específicos de monitorización, gestión y control energéticos, y que integra prácticamente todas las instalaciones (media tensión, cuadros eléctricos, iluminación, climatización, ACS, protección contra incendios y seguridad), se materializan en un edificio de máxima eficiencia energética.

 

 

Interiores del Hospital San Juan de Dios de Sevilla.

 

Dado que no es posible en este artículo abordar en detalle todas las instalaciones de este hospital, vamos a centrarnos en adelante en los sistemas de producción de frío y calor y en cómo la implicación de los servicios de ingeniería de un hospital en las fases de desarrollo y ejecución de un proyecto, pueden contribuir a mejorar el edificio.

Tras un análisis crítico del proyecto del edificio a nivel de instalaciones, se concluyó que existía margen de mejora en la concepción de los sistemas de producción de frío y calor, por lo que previamente a la ejecución de las obras los servicios de ingeniería y arquitectura de la Orden Hospitalaria San Juan de Dios coordinamos, con la constructora FCC y la Dirección Facultativa realizada por el arquitecto Javier Jiménez Sánchez-Dalp, cambios al proyecto en la estrategia de producción de frío y calor y en el sistema de gestión de las instalaciones DESIGO de SIEMENS.

De esta forma, para el sistema de producción de frío y calor, se evolucionó desde la concepción de proyecto con tres plantas enfriadoras condensadas por aire, una de ellas con recuperación parcial al ACS y calderas de gas natural de condensación, para la producción de calefacción, a un sistema basado en un multichiller combinando distintas tecnologías y eliminando las calderas de calefacción. En resumen, esta es su configuración:

• Instalación geotérmica de lazo abierto, consistente en bomba de calor agua/agua de 544 kW, denominada BCG, sistema de intercambio y 5 pozos (2 de extracción y 3 de recarga).
• Equipo polivalente condesando por aire, con producción simultánea mediante recuperación, de frío y calor, de 411 kW y 489 kW respectivamente, denominado BCP, que permite además refrigerar gratuitamente los espacios con demanda de frío en invierno.
• Enfriadora agua/aire de tornillo inverter de 645 kW.
• Bomba de calor de apoyo agua/aire tipo scroll, con 732 kW en modo frío y 672 kW en modo calor.

 

Funcionamiento del sistema de producción

Se trata de una Instalación de climatización a 4 tubos con secundario a caudal variable y sistema de producción desacoplado. Cada equipo dispone de un grupo de bombeo específico con bombas gemelas y válvulas de sectorización para independizar la bomba parada.

 

Producción.

 

Vamos a centrarnos ahora en describir el funcionamiento de cada uno de estos equipos y en cómo contribuyen a la eficiencia energética de la instalación.

 

Bomba de calor geotérmica con tecnología de lazo abierto

Tal como hemos adelantado anteriormente se incorporó al sistema de producción una bomba de calor agua/agua, que utiliza como foco frío o caliente, en función de que se produzca calor o frío, agua de pozos conectados al nivel freático en el subsuelo.

El término lazo abierto hace referencia a la forma en la que se capta la energía del subsuelo, ya que en lugar de utilizar colectores con un fluido caloportador en circuito cerrado intercambiando calor con el terreno, en este caso se capta directamente caudal del freático mediante pozos de captación que, tras pasar por un intercambiador de calor, en el que produce en intercambio con el equipo (condensación o evaporación) vuelve a reinyectarse al freático en otros pozos, de recarga o inyección. Es decir, se trata de una explotación no consuntiva del agua del freático.

 

Excavación de los pozos de geotermia.

 

La ventaja de este sistema respecto a una bomba de calor agua/aire, o agua/agua con torres de refrigeración, es que las condiciones de temperatura más o menos constantes del agua de freático que además son muy similares a las de confort interior, permiten que estos equipos de producción trabajen con rendimientos elevados.

En este caso, además, se plantea una estrategia de recuperación, permitiendo que en caso de que exista demanda de frío o calor, cuando la bomba de calor debe disipar energía, esta se utilice para cubrir dichas demandas en lugar de disipar contra los pozos geotérmicos. Lo explicamos a continuación.

Hay que tener en cuenta que esta bomba de calor sólo tiene capacidad para ajustar la producción del modo que tenga activado (frío o calor) pudiendo el otro servicio resultar excedentario o insuficiente. Por tanto, si no existe demanda suficiente en el servicio secundario (colector de calor cuando se está produciendo frío o viceversa), la bomba de calor disipará contra los pozos geotérmicos, con un rendimiento mejor al que tendría una bomba de calor disipando contra el aire. Sin embargo, si la demanda del servicio secundario es suficientemente alta y similar a la del modo de producción que tenga activado, disipará contra el colector que da cobertura a ese servicio secundario, recuperando energía.

En resumen, el sistema de gestión del multichiller debe priorizar el uso de esta bomba de calor en caso de que no existan demandas simultáneas de frío y calor, por su mayor rendimiento debido a las condiciones del freático. Pero el rendimiento del sistema se maximiza si funciona recuperando energía en el servicio secundario cuando es posible.

 

Esquema de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica en modo calor.

 

Equipo polivalente

Este equipo a cuatro tubos permite la producción simultánea de agua fría y caliente, disipando la energía excedentaria al aire del ambiente.

A diferencia de la bomba de calor geotérmica, este equipo no tiene una fuente/sumidero de calor como los pozos geotérmicos, si no que disipa contra el ambiente, pero sí es capaz de modular para satisfacer las demandas simultáneas de frío y calor por lo que su adecuación a ellas es más precisa.

Esta posibilidad de recuperación de energía permite, por ejemplo, aportar frío de forma gratuita, a las zonas en la que exista esta demanda, cuando en el edificio predomine la demanda de calor.

 

Esquema de funcionamiento de la bomba de calor polivalente.

 

Enfriadora agua/aire de tornillo inverter

Este equipo produce únicamente agua fría, y entrará en general en producción cuando sólo exista demanda de frío y dicha demanda no pueda ser cubierta por la bomba de calor geotérmica en su totalidad.

Los criterios de eficiencia en este equipo vienen marcados por la tecnología inverter, pues trabaja con un alto rendimiento a carga parcial, gracias al variador de frecuencia.

 

Bomba de calor agua/aire scroll

Este equipo es el menos eficiente, por lo que entrará en funcionamiento cuando los demás no sean capaces de cubrir la demanda.

 

Multichiller

Es el sistema de control que gestiona las diferentes etapas y entrada y salida de los equipos de producción que se integran en este sistema, en función de las demandas de frío y calor. En este caso es un sistema autónomo de control REGIN, programado por el fabricante de los sistemas de producción AIRLAN/AERMEC, que trabaja integrado en el BMS DESIGO.

 

Los objetivos por orden de prioridad son los siguientes.

• Garantizar el servicio: temperatura de colector.
• Mantener los equipos de producción dentro de su zona óptima de eficiencia energética.
• Siempre que sea compatible con el punto anterior, mantener el menor nº posible de unidades en marcha: ahorro en bombeo.
• Reducir el nº de arranques de compresor, cambios de VIC, etc, para mejorar la fiabilidad y durabilidad.
• Equilibrar las horas de trabajo de los distintos equipos de producción: envejecimiento uniforme.
• Gestionar las redundancias en caso de alarma.
•  

La estrategia general de funcionamiento es la siguiente:

• Cuando no existen demandas simultáneas se prioriza la entrada de la bomba de calor geotérmica (BCG) y posteriormente la enfriadora (ENF), si la anterior no es capaz de cubrir la totalidad de la demanda de frío.
• Si existen demandas simultáneas se prioriza la bomba de calor polivalente (BCP) y luego la bomba de calor geotérmica (BCG.)
• La bomba de calor agua/aire (BC) entra cuando el resto de los equipos no pueden cubrir la demanda.
• No se contempla la opción de demanda de calor sin demanda de frío.

 

Lo representamos en la siguiente tabla, en la que se muestran, de forma cualitativa, las diferentes etapas en orden creciente de demanda, y la intervención de cada uno de los equipos. Como puede observarse la bomba de calor geotérmica puede trabajar produciendo calor y recuperando frío, modo BCG(f) o viceversa, modo BCG(c).

 

		CALOR
		Etapa 0	Etapa 1	Etapa 2	Etapa 3
FRÍO	Etapa 0
	Etapa 1	BCG(p)	BCP	BCP+BCG(p)	BCP+BCG(p)+BC
	Etapa 2	BCG (p)+ ENF	BCP+BCG(p)	BCP+BCG(f) / BCP+BCG(c)	BCP+BCG(c)+BC
	Etapa 3	BCG(p)+ENF+BCP	BCP+BCG(p)+ENF	BCP+BCG(f)+ENF
	Etapa 4	BCG(p)+ENF+BCP+BC	BCP+BCG(p)+ENF+BC	BCP+BCG(f)+ENF+BC

Etapas de funcionamiento del multichiller.

 

Esquema de funcionamiento del multichiller.

 

Sistema de gestión de instalaciones

Con relación al sistema de gestión de instalaciones, se ha incorporado un sistema de gestión BMS de última generación, que integra casi todas las instalaciones y al que se han implantado las siguientes mejoras.

• Incorporación e integración de interruptores de protección con capacidad de análisis y registro de parámetros eléctricos y medición de consumos, tanto en los cuadros principales de baja tensión como en las celdas de media tensión.
• Inclusión de un módulo de análisis energético de consumos eléctricos, que permite la monitorización de los consumos energéticos.
• Inclusión de servicios digitales de análisis sobre el BMS para la mejora de los servicios de mantenimiento que incluye el servicio de gestión energética.

 

Vista de la pantalla del sistema multichiller en DESIGO.

 

Resultados y conclusiones

A continuación, se presentan los resultados energéticos y económicos de estas mejoras en relación con la proyectadas originalmente.

 

	Proyecto	Mejorado	Ahorro/Mejora
Consumo energético (kWh)	7.685.428	2.421.731	5.263.697
Rendimiento medio	3,05	4,76	56%
Coste económico anual (€/año)	760.660 €	395.590 €	365.071 €
Incremento de inversión (€)	195.000 €
Plazo de retorno (años)	0,53

Tabla con resultados de mejora energética.

 

El consumo de energía hace referencia al consumido por los servicios de producción de frío y calor, incluyendo electricidad y gas natural.

Las cifras hablan por sí solas y con ellas se puede concluir, que realizar un análisis de los proyectos para enfocarlos a mejorar la eficiencia energética del edificio, es claramente ventajoso para la posterior explotación del hospital, y que abordar estos cambios en las fases previas a la ejecución es fundamental para que las inversiones sean viables económicamente