PREMIOS SOCINFO 2014 GESTIÓN DE INFRAESTRUCTURAS Y EDIFICIOS PÚBLICOS

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1 PREMIOS SOCINFO 2014 GESTIÓN DE INFRAESTRUCTURAS Y EDIFICIOS PÚBLICOS

2 ÍNDICE Motivación Descripción Repercusión Equipo de desarrollo Valoración económica Plazos de cumplimiento Bibliografía

3 Motivación Durante los últimos años se ha producido un espectacular crecimiento de las ciudades, siendo tal que para el año 2050 se espera que más de seis billones de personas vivan en ciudades y sus alrededores [1]. Por esta razón, se ha reconocido la necesidad de que las ciudades modernas sean capaces de ofrecer servicios autónomos y eficientes que aseguren la sostenibilidad de las mismas. Retos tales como la capacidad de que las infraestructuras de una ciudad sean capaces de cubrir los requerimientos de sus ciudadanos en términos de: suministro de agua, transporte, atención sanitaria, educación, seguridad y consumo energético, han sido ya identificadas como objetivos a establecer y cumplir a corto-medio plazo. Debido a que los ciudadanos pasan gran parte de su tiempo en entornos de interior, la sostenibilidad de los edificios representa la piedra angular de la sostenibilidad de las ciudades. Por otra parte, el consumo energético llevado a cabo en edificios representa ya entre el 20% y el 40% del consumo a escala global. La reducción de la huella de carbón, así como el asegurar la eficiencia energética de edificios son objetivos clave de alta prioridad entre la comunidad investigadora y expertos en política energética. En esta línea ya se han propuesto acciones internacionales para mejorar la eficiencia energética de edificios. Por ejemplo, desde la Comisión Europea se propuso hace unos años la Directiva sobre el comportamiento energético de Edificios (2010/31/EU) [2]. Esta directiva propone la adopción de medidas para mejorar el comportamiento de infraestructuras eléctricas instaladas en edificios, tales como sistemas de iluminación, climatización, ventilación, etc. con el objetivo de reducir el consumo energético asociado a éstas. Considerando la incremental demanda que se está produciendo de los sistemas de climatización y ventilación para proporcionar confort térmico en edificios, los cuales llegan a representar el 76% del consumo energético de edificios en muchos países europeos [3], existe una clara necesidad de abordar los aspectos técnicos involucrados en el consumo energético de estos. Algunas organizaciones de estandarización son conscientes de esta necesidad [4], tales como la Organización Internacional para la Estandarización (ISO) la cual ha creado los comités técnicos ISO/TC 163 Comportamiento termal y uso energético en entornos de edificios, y ISO/TC 205 Diseño del entorno de edificios. A través de ellos, estos grupos reconocen que además de la arquitectura de los edificios, se necesitan sistemas inteligentes de automatización que aseguren el confort en los edificios, así como la eficiencia energética de estos, como por ejemplo recoge la propuesta ISO Sistemas de automatización y control en edificios. En lo que afecta a la normativa española y como necesidad de transponer la Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, relativa a la eficiencia energética de los edificios se propone el Real Decreto 238/2013, de 5 de abril, por el que se modifican determinados artículos e instrucciones técnicas del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, aprobado por el Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio. La Directiva 2010/31/UE establece que, a efectos de optimizar el consumo de energía de las instalaciones térmicas de los edificios, los Estados miembros fijarán unos requisitos en relación con la eficiencia energética general, la instalación correcta y el dimensionamiento, monitorización y control de dichas instalaciones presentes en los edificios existentes. Hasta ahora, la dinámica del mercado respecto a la gestión de edificios ha focalizado su interés en materia de eficiencia energética tan solo en el diseño de las instalaciones en condiciones límite o extremas, y se ha prestado muy poco interés a su operación (explotación y mantenimiento). Las empresas de este sector diseñan e instalan pero no se responsabilizan de la operación del sistema (al menos desde el punto de vista energético). Posteriormente, la instalación queda casi siempre a cargo del propietario, el cual no cuenta ni con el conocimiento ni los medios adecuados para proceder adecuadamente. Desde el punto de vista del cliente tan solo se ve el coste inicial (el precio de los equipos, instalaciones, mantenimiento, etc.), ya que éste no es consciente del coste durante su vida útil. Y tampoco es consciente del proceso de optimización (ahorro) que otras soluciones le podrían ofrecer y con las que dicho coste inicial sería rápidamente amortizado. Esto ha conducido hasta ahora a optar por la solución más económica posible, pero la cual no era capaz de dar una solución eficiente a la gestión del consumo energético en edificios. 3

4 En este contexto, gracias al gran avance en la integración y desarrollo de Sistemas de Computación Inteligente basados en Tecnologías de la Información y Comunicaciones (TIC) [5], y al extenso despliegue de sensores y actuadores que el paradigma del Internet de las Cosas (IoT) promueve [6], existe actualmente una gran oportunidad de implementar aplicaciones que permitan una respuesta más inteligente y eficiente de los servicios proporcionados en los edificios. IoT permite la interacción entre objetos inteligentes y la efectiva integración de información real y conocimiento en el mundo digital. Los objetos inteligentes están dotados de capacidades de sensado e interacción que permitan capturar información sobre el mundo real con mucho mayor nivel de detalle que nunca antes se haya conseguido. El área de trabajo de los sistemas de gestión energética en edificios basados en TIC no ha hecho más que iniciarse, y está desplazándose rápidamente hacia un estado tecnológico con creciente productividad. Este rápido auge está motivado principalmente por la presión que desde la Unión Europea se viene ejerciendo en los últimos años. Los Estados miembros de la UE se han comprometido a reducir para 2020 el consumo de energía primaria en un 20% (Objetivos : -20% de emisión de gases de efecto invernadero respecto a los niveles de 1990, +20% en consumo de energías renovables sobre el consumo final y +20% en el rendimiento energético). No obstante, aún existen numerosos obstáculos a la adopción de medidas eficaces para lograrlo. Por otra parte, y en relación a la Certificación y Calificación Energética de edificios propuesto por el Real Decreto 235/2013 de 5 de abril 2, por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de la eficiencia energética de los edificios, entró en vigor el día siguiente de su publicación en el Boletín Oficial del Estado nº 89 (13/04/2013), siendo voluntaria su aplicación hasta el 1 de junio de A partir de ese momento, la presentación o puesta a disposición de los compradores o arrendatarios del certificado de eficiencia energética de la totalidad o parte de un edificio, según corresponda, será exigible para los contratos de compraventa o arrendamiento celebrados a partir de dicha fecha. La obtención de la calificación energética de un edificio puede realizarse mediante la opción general de carácter prestacional a través de un programa informático que desarrolla la metodología de cálculo de una manera directa o, mediante una opción simplificada de carácter prescriptivo que desarrolle esta metodología de una manera indirecta. De seguir la opción general se puede, a su vez, optar por utilizar el programa informático de referencia CALENER, cuya versión oficial está disponible al público para su libre utilización, o un programa alternativo. Pero estos programas tienen limitaciones derivadas de la utilización de soluciones singulares que no puedan ser introducidas en los programas informáticos que se utilicen. Por ello, desde el Ministerio se ofrece la opción de que los profesionales o interesados puedan proponer soluciones singulares que se deseen que sean consideradas en la calificación energética del edificio, y que éstas no estén incluidas en los programas de Referencia o Alternativo. Desde este punto de partida, en este proyecto se plantea el proporcionar un Sistema de Gestión Inteligente de lnfraestructuras de Edificios para Eficiencia Energética. En los siguientes apartados describimos las principales características de nuestro Sistema. Descripción Gestión Inteligente de Infraestructuras de Edificios para Eficiencia Energética Un edificio energéticamente eficiente es aquel que minimiza el consumo de energía convencional (es decir, no renovable) con el objetivo de ahorrar energía y lleva a cabo un uso racional de la misma. Los sistemas de gestión energética de edificios que aseguran la eficiencia energética necesitan contar con una plataforma inteligente de automatización que permita la monitorización y control de los diferentes componentes del sistema. Para conseguir la eficiencia energética de edificios es necesario que un número de actores y entidades interaccionen entre sí: n.aspx 4

5 monitorizando información, proporcionando retroalimentación, llevando a cabo medidas de control, diseñando estrategias de ahorro, etc. La Universidad de Murcia (UMU) es una de las mayores universidades de España. UMU cuenta con tres Campus principales y diferentes edificios distribuidos por diferentes ciudades de la Región de Murcia. Con el objetivo de ahorrar en el consumo energético de los edificios que componen la UMU, se ha diseñado, desplegado y evaluado un sistema de gestión inteligente de infraestructuras para eficiencia energética. Durante los últimos tres años, el Departamento de Mantenimiento de esta Universidad, en colaboración con el Departamento de Ingeniería de la Información y las Comunicaciones de la Facultad de Informática, ha llevado a cabo diversas acciones de innovación en materia de monitorización y control de distintas infraestructuras de edificios distribuidos por el área de la universidad. En nuestra propuesta de solución, consideramos el Sistema de gestión energética de edificios como un ecosistema en el que interaccionan y se integran diferentes intereses y actores. Concretamente, distinguimos las siguientes figuras de interés: 1. Productor energético: una red de generadores fotovoltaicos trabajando como fuente de energía alternativa. Esta red es propiedad de una entidad privada que proporciona energía a la Universidad según la demanda de ésta. Este subsistema incluye nodos sensores capaces de medir la cantidad de energía generada en cada instante, así como la de registrar las condiciones medioambientales asociadas a cada generación. 2. Consumidor energético: diferentes edificios con sensores desplegados en su interior (luz, temperatura, consumo energético, presencia, etc.). Utilizando toda la información medida por estos sensores es posible llevar a cabo medidas de control sobre diversos actuadores instalados en el edificio (equipos de climatización, iluminación, seguridad, etc.). 3. Entidad de tele-gestión: esta entidad podría ser tanto la propia Universidad, como una tercera parte interesada en ofrecer servicios de tele-monitorización y gestión a través de una plataforma de integración, monitorización y control desplegada en los diferentes edificios de la Universidad. 4. Entidad supervisora: esta entidad es la encargada de evaluar las estrategias de ahorro diseñadas tras el análisis de la información registrada. Ésta sería la responsable de llevar a cabo la gestión necesaria para asegurar el balance energético, proporcionar información y consejos, buenas prácticas y sugerencias para ahorrar energía. 5. Usuario final: en nuestro escenario el usuario final de nuestro sistema sería cualquier usuario interesado y/o involucrado en el sistema, el cual puede interaccionar con el mismo a través de una dirección de Internet que le proporciona acceso al sistema. Nuestro sistema de gestión inteligente de infraestructura de edificios está basado en la plataforma de automatización City explorer, desarrollada dentro del grupo de investigación de Sistema Inteligentes y Telemática 3 de la Universidad de Murcia. Esta plataforma surge como evolución y expansión de la propuesta inicial presentada como Domosec, la cual fue desarrollada dentro del mismo grupo de investigación y que está descrita con detalle en [7]. City explorer es la plataforma de la UMU encargada de la monitorización y el control de las diferentes infraestructuras de edificios conectadas al sistema. En la Figura 1 podemos ver una captura de pantalla del sistema instalado en la UMU, donde diferentes edificios se encuentran ya integrados en el proceso de gestión. 3 5

6 Figure 1 Sistema de gestión inteligente de Infraestructuras de edificios instalado en la Universidad de Murcia (Campus de Espinardo) City explorer está basado en tecnología web multi-usuario. Esta plataforma centraliza toda la información medida por los sensores y lleva a cabo las acciones programadas para una gestión que asegure la eficiencia energética de los edificios. La conexión entre los diferentes edificios de la Universidad y la plataforma está hecha sobre conexiones IP. Dependiendo de la tecnología de cada fabricante, estas conexiones están integradas directamente al SCADA de City explorer, o bien están integradas mediante controladores de expansión IP (IPex16). Los IPex16 son controladores basados en IP capaces de conectar a Internet cualquier tipo de sensor y unidad de control (ver Figura 2). 6

7 Figure 2 Arquitectura general de City explorer IPex16 soporta las tecnologías más importantes utilizadas en edificios, y proporciona una fácil integración de sensores y actuadores a la plataforma. Este controlador puede ser utilizado para conectar a la red sensores y/o actuadores no basados en Internet, y también puede ser utilizado como puerta de enlace (gateway) entre diferentes tecnologías (cableadas o inalámbricas) La instalación de las unidades de control IPex16 en los diferentes cuadros eléctricos de un edificio permite gestionar fácilmente las infraestructuras del mismo (ver Figura 3). Figure 3 Ejemplo de un cuadro eléctrico con 3 controladores IPex16 en su interior 7

8 Por otra parte, el SCADA web de City explorer proporciona una base de datos en la que toda la información medida por los sensores es almacenada, y queda disponible para ser procesada con el objetivo de tomar las decisiones de control óptimas que permitan el ahorro energético. Figure 4 Imagen del SCADA web mostrando las zonas monitorizadas y controladas de un edificio La Universidad de Murcia se encuentra participando en materia de eficiencia energética desde hace varios años. El número de edificios conectados actualmente a la plataforma de City explorer es de aproximadamente 30 (ver Tabla 1). Los servicios ofrecidos en cada edificio son diferentes dependiendo del contexto. Todos los edificios están conectados a unidades de detección de incendios, así como a unidades de control de seguridad proporcionados por el equipo de seguridad de la Universidad. Campus de Espinardo 1 Facultad de Informática 2 Facultad de Psicología 3 Facultad de Ciencias Sociales 4 Edificios para experimentación con animales 5 Instalaciones deportivas 6 Facultad de Empresa 7 Guardería 8 Facultad de Comunicación 9 Facultad de Veterinaria 10 Hospital Clínico Veterinario 11 Facultad de Química 12 Facultad de Matemáticas 13 Edificio del Centro Social 14 Edificio del Rectorado 15 Edificio de la Biblioteca general 16 Aulas de lectura 17 Facultad de Educación 18 Edificio Luis Vives 19 Facultad de Bellas Artes 20 Edificio Multi-disciplinar Pleiares Campus de la Merced 21 Aulas de lectura en Facultad de Derecho 22 Aulas de lectura 8

9 Campus Arrixaca 23 Laboratorios Ciudad de Murcia 24 Edificio Rector Lostau 25 Edificio Saveedra Fajardo 26 Edificio Convalecencia 27 Residencia de estudiante Azarbe Ciudad de San Javier 28 Facultad de Ciencias del deporte Parque Tecnológico de Fuente Álamo 29 CTT Fuente Alamo Ciudad de Lorca 30 Facultad de Empresa Tabla 1 Edificios de la UMU integrados en el Sistema de gestión Inteligente para eficiencia energética Ejemplos de algunos de los servicios proporcionados por el sistema City explorer en muchos de estos edificios son: 1. Tele-monitorización 2. Gestión de alarmas 3. Control de acceso 4. Eficiencia energética Los despliegues realizados y que integran el sistema son los enumerados a continuación, los cuales han sido agrupados de acuerdo a la figura interesada del ecosistema. - Productor energético: o Inversores conectados a los paneles solares que proporcionan en tiempo real potencia energética (W) y producción de energía (kwh) a partir de la energía solar. o Sensores medioambientales: temperatura y radiación solar, que permitan chequear el comportamiento del sistema y diseñar predicciones. - Consumidor energético: o Sensores de temperatura en cada habitación con sistema de climatización. o Control de la climatización por habitación/zona del edificio (encendido/apagado, diferentes alarmas, regulación). o Lecturas del consumo energético de todo el edificio a través de conexiones con medidores de consumo. o Detección y control de incendios para cada edificio y en diferentes regiones de un mismo edificio. o Control de la iluminación en aulas. o Monitorización de las condiciones medioambientales tanto interiores como exteriores. - Supervisor del consumo energético: Posibles acciones a llevar a cabo en los edificios (despliegue de actuadores): o Interacciones con los sistemas de climatización: on/off, velocidad del aire, temperatura de consigna, habilitación/deshabilitación del control. o En aulas: on/off de la iluminación, on/off de dispositivos multimedia. o Alumbrado de las calles: regulación de la intensidad de la iluminación LED. Repercusión 9

10 El ahorro de energía en un país como España, con la mayor dependencia energética de la OCDE, es una necesidad por razones de propia seguridad nacional por la inestabilidad y encarecimiento de los precios del crudo y del gas. Pero también representa el derecho de los consumidores a reducir sus costes energéticos. Estos dos aspectos no aparecen en la reforma eléctrica ni constituyen una prioridad. Además, como dijimos anteriormente, hace unos años se aprobó el Plan de Ahorro y Eficiencia Energética en el que se incluía el impacto socioeconómico asociado al cumplimiento del objetivo de ahorrar el 20% del consumo de energía en 2020 (ver Tabla 2). Tabla 2 Impacto socioeconómico de la eficiencia energética en España (FUENTE: IDAE) En los edificios de la Universidad de Murcia donde City explorer ha sido instalado y se encuentra en operación, ya hemos conseguido ahorrar hasta el 23,1% del consumo energético solo en un mes de puesta en marcha del sistema. Para conseguir este ahorro se llevaron a cabo medidas de integración, optimización y monitorización, pero sin llevar a cabo una gestión inteligente de la información y las infraestructuras de edificios, lo cual se traduciría en un mayor ahorro. Pero para esta gestión es necesario contar primero con largas campañas de monitorización y análisis que nos permitan extraer modelos de comportamiento sobre los que inferir las estrategias y medidas de control óptimas que permitan ahorrar energía y asegurar un comportamiento eficiente energéticamente en cualquier momento. Por este motivo, actualmente se sigue analizando toda la información recolectada y evaluando el impacto de los diferentes agentes involucrados a lo largo de diferentes condiciones tanto medioambientales como de contexto. Un aspecto clave a destacar en este punto es el papel que juega el usuario en la efectividad del sistema. Puesto que para hacer realidad Sistemas Inteligentes, primero es necesario disponer de Usuarios Inteligentes capaces de hacer un buen uso del mismo, involucrarse con los objetivos a conseguir, y tomar consciencia del impacto de todo esto. Teniendo en cuenta los despliegues realizados de City explorer en el contexto de una Universidad Pública, todo el personal de la misma tiene la posibilidad de convertirse en un agente más del sistema. City explorer permite tanto el acceso a toda la información disponible, como la gestión de los diferentes actuadores integrados en el sistema, por ejemplo, mediante la edición de reglas de control (ver Figura 5). 10

11 Figure 5 Editor gráfico de City explorer mostrando ejemplos de reglas de control City explorer se presenta en este sentido como una solución al problema de la eficiencia energética activa, es decir, aquella que se define como el cambio permanente que se consigue mediante el uso de las mediciones, la monitorización y el control del uso de la energía. Además, en comparación con los costes (y conocimientos técnicos necesarios para evitar riesgos) de instalar soluciones térmicas, por ejemplo, el control de la energía se puede instalar a un precio relativamente moderado y con una amortización muy rápida. Esto es aún más obvio si se compara con los precios de la energía que siguen aumentando: la mayoría de las soluciones para el control de la energía se pueden amortizar en pocos años. Equipo de desarrollo El equipo de desarrollo está formado tres agentes. El grupo de investigación de Sistema Inteligentes y Telemática 4 de la Universidad de Murcia 5, uno de los grupos punteros en Smart Cities e Internet de las Cosas, la spin-off Odins que materializa más de diez años dedicados al diseño y desarrollo de sistemas para la monitorización y tele-gestión, y finalmente la Unidad Técnica de la Universidad de Murcia. Se trata de un equipo multidisciplinar compuesto por informáticos, industriales y telecos capaces de emprender y hacer frente a nuevos retos y desafíos en materia de innovación y transferencia tecnológica. Como dijimos anteriormente, la Universidad de Murcia ya cuenta con múltiples despliegues de los equipos desarrollados y proporcionados por Odins, todo ellos instalados en la mayoría de edificios que forman parte de la Universidad

12 Valoración económica Como valoración económica del sistema de gestión presentado en este proyecto, nos centraremos en mostrar el coste económico presupuestado para el más reciente edificio de la UMU que ha sido seleccionado para llevar a cabo su monitorización y gestión. Este edificio es un edificio multi-disciplinar, llamado Pleiares. Actualmente se encuentra en fase de finalización de obras, y cuya misión será la de albergar tanto a investigadores, como laboratorios de experimentación, despachos, biblioteca y salas de estudio, etc. El diseño del despliegue de sensorizacion y actuación se ha hecho de forma tal que a posteriori permita generar la mayor cantidad de información posible y de utilidad para la gestión inteligente de las infraestructuras automatizadas del mismo. TOTALES Concepto Total Equipos y sensores Ingeniería y Despliegue de Sistemas de Control Instalación y material TOTAL Plazos de cumplimiento El proyecto se inició en enero de 2014 y finalizará en septiembre de Se ejecutará en 4 etapas: 1. Especificación de requisitos 2. Diseño del Sistema de supervisión y control 3. Despligue del Sistema de inteligencia ambiental 4. Sistema de interconexión y telemonitorización Actualmente se lleva ejecutado un 25% del mismo. 12

13 Bibliografía [1] Habitat, U. N State of the world s cities 2010/2011: Bridging the urban divide. Nairobi, Kenya: UN Habitat. 2] European Commission. Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of May 2010 on the energy performance of buildings (recast). In Official Journal of the European 638 Union, L153 of , 2010: [3] L. Perez-Lombard, J. Ortiz, and C. Pout, A review on buildings energy consumption information, Energy and Buildings, vol.40, no. 3, pp , [4] D. H. A. L. van Dijk and E. E. Khalil, Energy efficiency in buildings, ISO Focus, vol. September 2009, pp , September [5] Jones, A. The Future of EU Research: The Innovation Union and European Innovation Partnerships. In Research Support Blog, [6] Perera, C., Zaslavsky, A., Christen, P. & Georgakopoulos, D. Sensing as a service model for smart cities supported by Internet of Things. In Trans Emerging Tel Tech doi: /ett.2704 [7] M. Zamora-Izquierdo, J. Santa et al., Integral and networked home automation solution towards indoor ambient intelligence, Pervasive Computing, IEEE, no. 99, pp. 1 1,

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