Potencia de respaldo y de emergencia en hospitales

Vahik Davoudi, PE, LEED AP, Arup, Los Ángeles
15/10/2015

Los hospitales han evolucionado durante las últimas décadas tanto en tamaño como en complejidad y, en muchos casos, han pasado de una estructura única a varios edificios en un entorno de campus. Un desafío principal para muchas instalaciones de atención médica es proporcionar una fuente de energía eléctrica de alta calidad que esté respaldada por sistemas de potencia de respaldo y de emergencia altamente fiables para garantizar un flujo ininterrumpido de electricidad a toda la instalación, particularmente durante crisis y desastres naturales.

La terminología utilizada para los sistemas de potencia de respaldo (de emergencia y de respaldo) en las instalaciones de atención médica es diferente a la de otras instalaciones. Está designado como el "sistema eléctrico esencial" según NFPA 70: Código Eléctrico Nacional (NEC) artículo 517, que es coherente con la terminología y los requisitos establecidos en NFPA 99: Código de Instalaciones de Atención Médica.

La mayoría de los edificios experimentan interrupciones de energía causadas por cortes de servicios públicos, fallas de equipos, pruebas y mantenimiento, y generalmente son más fáciles de administrar debido a la causa, el momento y la duración. En muchos casos, estos cortes de energía se planifican y se manejan fácilmente. Sin embargo, los cortes de energía debido a desastres naturales y sucesos inesperados son mucho más difíciles de manejar y, en algunos casos, toda la instalación debe depender únicamente del sistema de potencia de respaldo y de emergencia para continuar operando durante varios días.

A diferencia de la mayoría de los edificios comerciales estándar, la entrega de energía de potencia de respaldo y de emergencia a las instalaciones de atención médica es una tarea importante debido a su complejidad y tamaño. Se trata de muchos sistemas diferentes que consisten en fuentes alternativas de energía, equipos de conmutación, controles y equipos de distribución.

Códigos y normas

Existen varios códigos y normas que rigen los requisitos de potencia de emergencia para los hospitales, entre ellos:

NFPA 99: Establece los criterios mínimos para la instalación, el desempeño y la operación de una amplia gama de sistemas y equipos en las instalaciones de salud para garantizar la seguridad de los pacientes, del personal y del público frente a fallas eléctricas, incendios y otros peligros. Después de 7 años de revisión y discusión, la edición de 2005 pasó por cambios extensos tanto en contenido como en formato para pasar de una "norma" a un "código" para la edición de 2012. El cambio más importante fue introducir un enfoque basado en el riesgo en lugar de un enfoque basado en la ocupación para abordar mejor el riesgo que representa para los pacientes y para el personal de atención médica, y no la ocupación o el tipo de edificio. En la edición de 2015 recientemente publicada se han incorporado algunas modificaciones más para aclarar y hacer que los criterios de desempeño sean más prácticos para que puedan adoptarse y aplicarse fácilmente.

Los requisitos del sistema eléctrico esencial (EES) se pueden encontrar en NFPA 99, Capítulo 6; estos describen dos requisitos EES diferentes (Tipo 1 o 2) que se correlacionan con diferentes categorías de riesgo (Categorías 1 a 4) definidas en el Capítulo 4. El requisito EES Tipo 3 se eliminó en la edición de 2015 porque los espacios de Categoría 3 y 4 ya no son necesarios para ser atendido por un EES. Los espacios de Categoría 1 requieren servicio EES Tipo 1 mientras que los espacios de Categoría 2 requieren servicio EES Tipo 2. Hay muy pocas diferencias entre EES Tipos 1 y 2, aparte de su sistema de distribución de energía.

Los hospitales, en su mayoría, caen dentro de la Categoría de riesgo 1, donde se espera que los equipos y sistemas funcionen y estén disponibles en todo momento, y es probable que su falla cause lesiones graves o la muerte a los pacientes, al personal o a los visitantes. Por otro lado, los espacios de Categoría 2 son áreas del hospital donde es probable que la falla del equipo o de un sistema cause lesiones menores a los pacientes, al personal o a los visitantes, pero sin riesgo para la vida.

El EES, según el tipo de requisitos del EES, se divide en varias ramas (que se describirán más adelante en este artículo), a excepción de la agrupación de ramas que se modificó en la edición de 2012 de NFPA 99. Se eliminó el término "sistema de emergencia" (que no es el mismo sistema de emergencia utilizado en el artículo 700 de NEC) que estaba compuesto por dos ramas separadas (seguridad de vida y crítica).

Pautas del Facility Guidelines Institute (FGI) para el diseño y la construcción de instalaciones hospitalarias y de atención médica: esta publicación es una herramienta útil y ampliamente utilizada por los profesionales del diseño (arquitectos, planificadores, ingenieros y consultores) no solo para mejorar la calidad del diseño de la atención médica , sino también para seguir las normas mínimas establecidas para las nuevas instalaciones y grandes renovaciones en términos de planificación, diseño, construcción y puesta en marcha. Las pautas se utilizan como código o norma de referencia por parte de la Comisión Conjunta y los funcionarios o agencias federales y estatales en los EE.UU., con la excepción de algunos estados. Hay secciones específicas en las pautas que abordan los requisitos para los sistemas de construcción para cada tipo de instalación que son muy útiles. La sección eléctrica aborda requisitos específicos relacionados con iluminación y niveles de iluminación, materiales y equipos, pruebas y documentación, generación y almacenamiento de emergencia, receptáculos, etc.

Ramas de EES

El EES para hospitales constará de ramas separadas para permitir la transferencia secuencial de energía desde la fuente normal a una fuente alterna para bloques de cargas en orden de prioridad y naturaleza crítica de las cargas. Los requisitos del artículo 517 de NEC son consistentes con NFPA 99 para EES Tipo 1, y se componen de tres ramas separadas (seguridad de vida, crítica y equipo). Sin embargo, EES Tipo 2, que se compone de dos ramas separadas (seguridad de vida y equipo), solo se menciona en NFPA 99. Los espacios de Categoría 2 pueden ser atendidos por un EES Tipo 1 que esté sirviendo a los espacios de Categoría 1 en la misma instalación. En general, hay muy pocas diferencias entre EES Tipo 1 y Tipo 2, con la excepción de la energía crítica y cómo se distribuye la energía en toda la instalación.

Las ramas críticas y de seguridad de vida se mantendrán independientes de todo otro cableado y equipo. El cableado de las ramas críticas y de seguridad de vida debe estar protegido mecánicamente por canales para conductores eléctricos, como se define en NEC.

Las cargas de ramas críticas y de seguridad de vida se instalarán y conectarán a la fuente alternativa de energía de manera que la energía se restablezca automáticamente a estas cargas dentro de los 10 segundos posteriores a la interrupción de la energía. Las cargas de la rama del equipo se deben instalar y conectar a la fuente de energía alternativa en intervalos de tiempo apropiados después de la interrupción de la energía a través de una conexión automática o manual retrasada según lo prescrito por el código.

Rama de seguridad de vida: la rama de seguridad de vida del EES proporciona energía a aquellas funciones o sistemas de advertencia que se requieren para permitir que los ocupantes del edificio abandonen el edificio de manera segura en caso de emergencia. La rama de seguridad de vida está limitada solo a funciones seleccionadas conectadas a ella, incluida la iluminación de medios de salida, señales de salida, alarma contra incendios, alarmas de gas médico, comunicaciones, cargas seleccionadas relacionadas con el generador y las ubicaciones del interruptor de transferencia, y puertas automáticas utilizadas para salir del edificio. La descripción completa de lo que está permitido se encuentra en NEC 517.32.

Rama crítica: la rama crítica está diseñada para atender una cantidad limitada de cargas que tienen un impacto inmediato en el bienestar de los pacientes o que son esenciales para la funcionalidad clínica del propio centro de atención médica. La rama crítica deberá suministrar energía para la iluminación de tareas, equipos fijos, receptáculos selectos y circuitos de potencia especiales que sirvan funciones relacionadas con el cuidado del paciente. Entre las funciones y espacios que requieren receptáculos e iluminación de rama crítica se encuentran los lugares de anestesia (quirófanos y salas de procedimientos), las enfermerías, las habitaciones de los pacientes, los laboratorios de angiografía y cateterismo cardíaco, los sistemas de llamada de enfermería y los puestos de enfermería, la preparación de la medicación y la farmacia, los sistemas de comunicación y otras áreas especializadas de atención al paciente. La lista completa de funciones y espacios se define en NEC 517.33.

Rama de equipamiento: la rama de equipamiento atiende esencialmente las cargas mecánicas requeridas para el soporte de las actividades clínicas. Las cargas asociadas con esta rama consisten predominantemente en equipos multifásicos como motores, compresores, bombas y ventiladores que introducen altas corrientes de irrupción durante la operación. Se dispondrán para la transferencia retardada automática al EES de manera que permita el arranque secuencial para evitar el disparo de los dispositivos de protección contra sobrecorriente (OCPD) y la sobrecarga de los generadores.

Los equipos que normalmente se conectan incluyen HVAC (ventilación, escape/control de humo y sistemas de presurización de escaleras), bombas de vacío y aire médico y otros sistemas que respaldan las funciones clínicas o del paciente. La lista completa de equipos que se conectarán se puede encontrar en NEC 517.34.

Fuentes de energía

Las cargas del EES deberán ser alimentadas por al menos dos fuentes de energía independientes, y una de las fuentes deberá estar ubicada en el emplazamiento. La fuente normal, que generalmente es la fuente suministrada por el servicio público, se debe dimensionar para servir a todo el sistema eléctrico junto con una o varias fuentes alternativas para usar cuando se interrumpe la fuente normal de energía.

Fuente de energía normal: se considerará que el servicio de fuente dual de servicios públicos proporciona niveles más altos de continuidad y fiabilidad del servicio. Los múltiples servicios independientes que se proporcionan desde diferentes subestaciones o fuentes de servicios públicos deben estar debidamente interconectados y protegidos según los requisitos de la empresa de servicios públicos para evitar la conexión en paralelo de los alimentadores de servicios públicos.

Fuente de energía alternativa: la fuente de energía alternativa será un generador accionado por alguna forma de motores primarios y ubicado en el emplazamiento. La ubicación de los generadores se debe coordinar cuidadosamente para mantener la separación adecuada entre los equipos de servicios públicos entrantes y los generadores para garantizar que la falla de una fuente no afecte a la otra. También se recomienda mantener los generadores lo más alejados posible de la admisión de aire exterior y de las unidades de aire acondicionado para evitar que el escape del generador ingrese al edificio y para minimizar la exposición a altos niveles de ruido. El escape y el ruido del generador son problemas serios que se deben abordar cuidadosamente en cada proyecto, particularmente en los proyectos cerca de vecindarios residenciales.

Desafortunadamente, los requisitos establecidos para la capacidad de combustible y el tiempo de funcionamiento del generador no son consistentes entre los códigos y las normas relevantes. Muchos estados y jurisdicciones locales tienen sus propios requisitos específicos que se deben seguir cuando exceden las capacidades mínimas de combustible enumeradas en los siguientes códigos o normas:

• El artículo 700.12(B)(2) de NFPA 70 requiere un suministro mínimo de combustible de 2 horas para el funcionamiento del sistema a plena demanda.
• NFPA 101 requiere un mínimo de 1,5 horas para la iluminación de los medios de salida y las señales de salida.
• NFPA 99 no especifica la capacidad de combustible ni el tiempo de funcionamiento del generador, pero requiere una notificación de alarma cuando el suministro de combustible en el tanque principal cae por debajo de las 4 horas.
• NFPA 110 requiere diferentes tiempos de ejecución para los EPSS en función de la clasificación de estos. De acuerdo con NFPA 99, las fuentes de energía EES tipo 1 y tipo 2 en hospitales se deben clasificar como grupos electrógenos "Tipo 10, Clase X, Nivel 1" según NFPA 110. La clasificación Clase X no especifica la capacidad de combustible requerida y difiere la decisión a las autoridades locales con jurisdicción (AHJ). Las horas típicas de capacidad de combustible requeridas por AHJ varían de 24 a 96 horas, según la ubicación y los peligros potenciales.
• Las Pautas de FGI, sección 2.1-8.3.3.1(2), requieren un suministro mínimo de combustible de 24 horas para permitir una operación continua. En el apéndice A2.1-8.3.3.1(2) se recomienda una capacidad de almacenamiento de 96 h para instalaciones en áreas que probablemente experimenten cortes de energía prolongados. 

De acuerdo con NFPA 99-2015, los sistemas de celdas de combustible se consideran fuentes de energía alternativas aceptables y se les permitirá servir todo o parte del EES siempre que se cumplan ciertas condiciones. Esto permitirá que los hospitales se beneficien enormemente de la generación de su propia energía no solo para reducir su factura de servicios públicos, sino también para reducir el tamaño de sus generadores con un sistema de respaldo activo que podría utilizarse durante cortes normales.

Las celdas de combustible en ciertas partes del país pueden resultar una adición rentable a los hospitales y otras instalaciones en las que la fiabilidad de la energía es fundamental y donde el costo de la electricidad es alto en relación con el gas natural, el propano o el diésel.

Generadores, equipos de paralelismo y distribución

Para hospitales más grandes o entornos de campus, se recomienda encarecidamente utilizar múltiples generadores controlados por equipos de conmutación en paralelo con inteligencia (control de supervisión y adquisición de datos y controlador lógico programable). Esto no solo mejorará la fiabilidad de la fuente alternativa de energía, sino que también brindará flexibilidad para agregar o eliminar cargas según sea necesario, entre muchos otros beneficios.

Es posible que un solo generador no pueda manejar suficientemente la capacidad total de seguridad de vida y cargas críticas en instalaciones más grandes. Se debe considerar el diseño de un arreglo de bus múltiples para aislar los interruptores de carga de los generadores; o simplemente utilice una disposición de equipos de conmutación en paralelo de bus dividido para permitir el arranque simultáneo de dos generadores que podrían estar en funcionamiento dentro de la restricción de tiempo de 10 segundos mientras están conectados a los buses separados. Una vez que los generadores están sincronizados, se pueden conectar a través de un interruptor de enlace.

Los sistemas de distribución eléctrica para hospitales, debido al tamaño, la aplicación de diferentes códigos, las tecnologías y los componentes en constante cambio, a menudo son muy complejos y requieren una coordinación considerable para los diversos subsistemas involucrados. El diseño de EES es uno de los elementos clave del sistema de distribución eléctrica porque se requiere que funcione bajo cualquier circunstancia sin interrupciones. Para que el EES funcione correctamente, se requiere especial atención a la coordinación del dispositivo de sobrecorriente de todo el sistema. Esto es particularmente importante para la parte del sistema que atiende a las cargas más vulnerables: el equipo de seguridad de vida y de distribución de ramas críticas.

De acuerdo con NFPA 99, los OCPD que prestan servicio al sistema eléctrico esencial se deben coordinar selectivamente durante el período de tiempo en que la duración de una falla se extienda más allá de 0,1 segundos. Sin embargo, se debe tener en cuenta que el artículo 700 de NEC requiere una coordinación selectiva completa y no reconoce el período de 0,1 segundos. Se entiende que se debe hacer cumplir el código más restrictivo.

La protección de falla a tierra (GFP) es otro elemento importante del diseño del sistema eléctrico. De acuerdo con NFPA 99, los espacios de Categoría 1 en hospitales requieren dos pasos de GFP, lo que sirve para mejorar la fiabilidad del sistema al eliminar solo un alimentador a través del cual ocurrió la falla en lugar de desconectar todo el servicio. Se recomienda proporcionar funciones de alarma para los disyuntores principales en el sistema de distribución de emergencia para alertar al personal de mantenimiento sobre problemas dentro del sistema que se deben resolver rápidamente.

Se debe estudiar y coordinar la ubicación de los componentes del EES cuidadosamente para minimizar cualquier falla o interrupción causada por las fuerzas naturales predominantes en esa área (es decir, terremotos, tormentas, inundaciones, etc.).

Interruptores de transferencia

Se requieren interruptores de transferencia separados para cada una de las ramas requeridas por los sistemas EES Tipo 1 o 2. En hospitales más grandes, puede haber múltiplos de cada uno, según los métodos de distribución utilizados. En instalaciones pequeñas donde la demanda máxima en EES es de 150 kVA o menos, se puede utilizar un solo interruptor de transferencia para atender una o más ramas juntas.

Los ATS de transición abierta (o retrasada) se utilizan generalmente para transferir cargas de una fuente a otra y viceversa para aplicaciones en las que se pueden tolerar interrupciones breves.

Los interruptores de transición cerrada se pueden considerar cuando la interrupción momentánea de la energía (como durante la prueba) no es deseable y no se puede tolerar. Cuando se consideran ATS de transición cerrada (conectar antes de desconectar), se debe tener cuidado para evaluar el impacto que esto puede tener en los estudios de coordinación selectiva y de cortocircuito del sistema. Se debe consultar a la empresa de servicios públicos que presta el servicio, ya que puede requerir relés, interbloqueos y supervisión adicionales para limitar el tiempo de duración de la operación en paralelo. Algunas empresas de servicios públicos no permiten que sus servicios se conecten en paralelo, solo permiten equipos de transición abierta (consulte la Figura 5).

Si bien el código no lo requiere específicamente en todas las jurisdicciones, puede ser ventajoso asegurarse de que los ATS estén equipados con capacidades de derivación o aislamiento. Esto es particularmente útil cuando el mantenimiento, la inspección y las pruebas se deben realizar mientras se mantiene la potencia continua para las cargas críticas que se sirven. Los interruptores de derivación son más grandes que los interruptores estándar y requieren un espacio mayor en la parte delantera para mantener y retirar el ATS.

Los interruptores de transferencia que no son de emergencia y opcionales también pueden ser manuales según lo permitan los códigos.

Operación y prueba

En NFPA 99 ahora se incluye un lenguaje claro que requiere que los fabricantes de equipos incluyan manuales útiles para el operador y el mantenimiento. No está claro en qué medida y si la AHJ hará cumplir estos requisitos, pero cambiar NFPA 99 de una norma a un código puede hacer que esto sea más probable.

Las pruebas de potencia de emergencia realizadas periódicamente y durante las condiciones de carga máxima anticipada son muy importantes en los hospitales para garantizar que el EPSS pueda suministrar el servicio dentro del tiempo y la duración requeridos, como se describe en NFPA 110: Capítulo 8, Mantenimiento de rutina y pruebas operativas.

En los últimos años, muchas instalaciones han optado por incluir SCADA como parte del sistema de control de potencia de emergencia para brindar monitoreo y pruebas interactivos, no solo para cumplir con todas las reglamentaciones, sino, lo que es más importante, para mejorar la fiabilidad general del sistema y para ahorrar en costos operativos.

Los hospitales, en virtud de su negocio y funcionamiento, son considerados como un lugar de curación y cuidado por los miembros de la comunidad. Por lo tanto, a diferencia de otros edificios, se espera que los hospitales mantengan y continúen su funcionamiento sin interrupciones ni largas demoras. El bienestar y la vida misma de los pacientes a menudo dependen del desempeño del EES. El diseño de sistemas de potencia de respaldo y de emergencia en hospitales no solo debe depender de los requisitos establecidos en los códigos y normas, sino que el ingeniero también debe considerar cómo se puede mejorar el diseño con medidas para mejorar la resiliencia del sistema y sostener las operaciones durante desastres naturales y otras crisis.

Como se mencionó anteriormente, el sistema eléctrico del hospital es muy complejo y debe cumplir con varios códigos y normas que han sufrido grandes cambios en los últimos años. Es probable que esta tendencia de códigos y normas drásticamente actualizados continúe debido a los cambios en la tecnología, la disponibilidad de recursos naturales y las nuevas lecciones aprendidas.

Vahik Davoudi es director asociado en Arup. Ha sido responsable de administrar los grupos de ingeniería y diseño eléctrico a través de diseños conceptuales, estudios de factibilidad y ejecución de proyectos para diversas instalaciones. Es un experto en códigos y normas de energía y tiene más de 25 años de experiencia en el diseño y construcción de instalaciones para el cuidado de la salud y otros tipos de edificios.