sensoriZAR Proyecto

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¿Por qué existe sensoriZAR?

Los edificios consumen alrededor del 40% de la energía total consumida en Europa y, dado su potencial de ahorro, su papel es decisivo en la aplicación de la Agenda 2030 y de la Directiva Europea 208/844 (rendimiento energético de los edificios) para cumplir los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) con el compromiso de ahorrar más del 30% del consumo de energía antes de 2030.

En la Universidad de Zaragoza se sigue una estrategia transversal de ahorro, eficiencia energética y sostenibilidad en los edificios universitarios para reducir en unos 3 millones el gasto energético. Para generar ahorro energético y económico, además de la esencial concienciación y colaboración de todos los miembros de la comunidad, un elemento clave es impulsar proyectos multidisciplinares de sensorización, digitalización y automatización que permitan a los usuarios y gestores de los edificios tomar decisiones basada en datos.

Para conseguir todos estos retos, nace sensoriZAR: para trabajar y saber trabajar con datos, para integrar información, compararla y compartirla. Ser más eficientes supone conocer cómo se comporta un edificio cuando se usa según el medioambiente en que se sitúa, su configuración arquitectónica y sus sistemas técnicos de climatización y de producción de energía. Todo esto lleva a la Universidad de Zaragoza a crear la iniciativa UZ Smart Campus (sensoUZ) que plantea una perspectiva 360⁰ desde las infraestructuras (physical level) hasta las aplicaciones y servicios (logical level), integrando sistemas específicos de gestión (management systems), como muestra la Figura 1.

¿Cuál es el modelo sensoriZAR?

El ecosistema sensoriZAR (sensorizar.unizar.es) es una plataforma transversal IoT (Internet of Things) para monitorización digital de edificios como solución coste-efectiva, de software y hardware libre, datos abiertos y ultra-bajo consumo. sensoriZAR permite desarrollar una línea de investigación transversal de colaboración conjunta para estudiar los campus universitarios como factorías de aprendizaje (living lab) en las que dotar de inteligencia a las decisiones basadas en datos.

sensoriZAR ayuda a crear un modelo dual de espacios digitales y físicos en los que conviven disciplinas digitales, sistemas automatizados y geolocalizados, producción renovable de energía, tecnologías térmicas, etc. Todo ello mediante un ecosistema “medir - analizar - decidir y actuar” (ver Figura 2) en el que los datos se traducen en información que se convierte en conocimiento sobre el que tomar decisiones basadas en datos. El ecosistema completo persigue 3 retos de valor diferencial:

• sensoriZAR los datos para conocer realmente cómo se comportan los edificios en tiempo-real (como complemento a los estudios de simulación) y conectar, en una plataforma única e interoperable todas las fuentes de datos existentes para disponer de todos los datos de forma centralizada y homogénea.
• analiZAR la información utilizando metodologías avanzadas para estudiar cómo funcionan energéticamente los edificios, realizar acciones para mejorar su eficiencia y su uso, plantear estrategias para la rehabilitación energética, etc.
• visualiZAR el conocimiento para poder tomar decisiones basadas en datos en diversos entornos:
  • sensorizar.unizar.es/ambiental para monitorizar los niveles de calidad ambiental: CO2, temperatura, humedad, ocupación, etc
  • sensorizar.unizar.es/salas-estudio para saber los asientos disponibles en las salas de estudio
  • sensorizar.unizar.es/parking para conocer las plazas libres en los aparcamientos de la Universidad
  • sensorizar.unizar.es/energía para saber en detalle el gasto energético de los edificios de cada campus

¿Cómo está diseñado sensoriZAR?

La arquitectura del ecosistema IoT sensoriZAR incluye tanto la infraestructura como las herramientas tecnológicas para crear y gestionar todos los procesos dentro de la metodología “medir - analizar - decidir y actuar”. Esta arquitectura está diseñada para almacenar un gran volumen de datos heterogéneos (adquiridos a alta velocidad), transformarlos en información y brindar conocimiento de valor añadido. La arquitectura se compone de seis capas: adquisición, ingesta, procesamiento, almacenamiento, análisis y visualización, como muestra la Figura 3.

¿Cuáles son los primeros resultados de sensoriZAR?

En el Campus Río Ebro de la Universidad de Zaragoza ya se han instalado más de 90 sensores en más de 60 espacios, incluyendo 3 instalaciones de energías renovables con más de 65 paneles fotovoltaicos. También se ha desplegado la cobertura para extrapolar estas infraestructuras a los campus de San Francisco y Veterinaria y seguir avanzando en una iniciativa global de Universidad para gestionar en tiempo real información de CO2, humedad, temperatura, ocupación, consumo de energía, etc. en diversos espacios como aulas, cafeterías, salas de estudios, despachos…
Los primeros análisis (observando la Figura 4 como peor caso de las aulas analizadas) demuestran que los niveles de CO2 en las aulas se han mantenido por debajo del umbral recomendado de 800 ppm casi en un 90% del tiempo analizado. Solo se superaron estos niveles recomendados entre un 2 y un 8% de los horarios de clase, lo que es un buen indicador y permite todo tipo de análisis y estudios sobre aforos adecuados, ocupación intermitente, calidad del aire en interiores, etc.

Otro resultado interesante se da como detector de climatización innecesaria y ahorro de energía. El Real Decreto 1826/2009 de instalaciones térmicas en edificios marca que una temperatura adecuada, si no implica consumo de energía, se da entre 21 y 26oC. Así, para tener confort térmico, se recomienda calefacción en invierno entre 17 y 21oC y refrigeración en verano entre 26 y 27oC. Como muestra la Figura 5, en media, por encima de 21oC se estaría entre un 15 y un 30% del horario de apertura, lo que implicaría un importante potencial de mejora y de ahorro de energía. Estas temperaturas más altas pueden ser debidas a cargas positivas (solar, ocupantes, ordenadores, iluminación) pero sería deseable que el sistema de regulación fuese capaz de detectar estos aumentos de temperatura y aprovecharlos para disminuir el consumo de las baterías de los sistemas de ventilación (fancoils) de las aulas. Una línea de I+D podría ser automatizar el funcionamiento de los sistemas de ventilación en las aulas en función de la temperatura interior, el clima exterior, el nivel de ocupación intermitente, los horarios de las clases, etc. La Figura 5 describe estas medidas propuestas y cómo debe comportarse el ventilador y la válvula de tres vías dependiendo de si el aula está ocupada o no y si el sistema HVAC está en modo de refrigeración o calefacción.

¿Cuáles son los próximos pasos de sensoriZAR?

Una primera aportación de I+D es la contribución con una metodología para caracterizar espacios y/o monitorizar su aforo dinámico a partir de los datos medidos con el equipamiento solicitado. Representando la correlación entre aforo y valores máximos de CO2 (puntos naranjas en la Figura 6) y trazando la línea que una los máximos, se dan 2 tipos de contribuciones:

• La primera: estimar el máximo aforo permitido para no superar un valor recomendado de CO2. Como se observa en la horizontal (en verde), para no superar 1000 ppm de CO2, el aforo sería de unas 120 personas y, en situación de pandemia con 800 ppm, el aforo sería de unas 40 personas.
• La segunda: estimar el nivel de CO2 que va darse a partir de un determinado aforo propuesto. En la vertical (en rojo) se observan los aforos propuestos durante la pandemia por la Unidad de Prevención de Riesgos Laborales de la Universidad. En la etapa de mayor incidencia, con un aforo de 87 personas, el nivel de CO2 rondaría los 850 ppm y, en la etapa de incidencia menor, con un aforo de 145 personas, el nivel de CO2 estaría en 1050 ppm, ambos valores adecuados.

Todo ello permite avanzar hacia el concepto de gemelo digital de edificio para ser capaces de predecir cómo va a actuar el edificio (conocer su consumo instantáneo real, cuándo y cómo lo hace, compararlo con sus históricos, etc.) y optimizar su respuesta en función de 7 parámetros fundamentales:

• El clima exterior y su predicción.
• El uso del edificio y las preferencias de los usuarios y la adaptación a futuros.
• El comportamiento físico del edificio.
• Los sistemas de producción de energía disponibles o proyectados en el edificio.
• Los sistemas de climatización y distribución proyectados o disponibles en el edificio.
• El precio (variable) de la energía primaria consumida.
• El entorno biológico del edificio

¿Cuáles son los hitos a medio / largo plazo de sensoriZAR?

Los hitos más relevantes a medio / largo plazo de sensoriZAR se detallan en la Figura 7.

• Fase I. Adquisición de múltiples datos de monitorización en tiempo-real (al menos durante 6 meses) tanto de los multisensores smart campus (aulas, salas de estudio, cafeterías, etc.) y los patrones de uso (tasas de ocupación de espacios, calendarios, etc.) como de los parámetros SCADA (climatización, rendimiento, eficiencia energética, etc.) y la información climática del exterior. Con todos esos datos, se desarrollará un modelo de analítica inteligente (basado en Machine Learning) para determinar la demanda energética de las instalaciones y plantear un modelo digital del edificio (digital twin).
• Fase II. Construcción de patrones de comportamiento y demanda prevista. A partir del modelo digital del edificio, se introducirán los datos previstos para cada día, tanto de climatología exterior como de uso del edificio, como entrenamiento para ir mejorando y evolucionando el modelo. Con estos patrones, además de análisis y estudios propios, sensoriZAR ofrecerá servicios a terceros para poder obtener modelos personalizados de comportamiento de sus instalaciones en sus organizaciones.
• Fase III. Desarrollo de algoritmos de optimización tanto para ejecutar las operaciones diarias de los edificios (gestión de climatización, apertura y cierre de espacios, encendido y apagado de iluminación, etc.) como para ajustarlas de forma personalizada a la demanda instantánea de los usuarios.
• Fase IV. Integración en los sistemas de control de los elementos activos tanto los actuales (PLC, SCADA, sistemas de automatización, etc.) como aquellos por instalar o renovar para conseguir un control inteligente del edificio, adaptado a la predicción y a los requisitos del usuario. En esta fase se incorporarán innovaciones como: la generación y almacenamiento de energías renovables, la automatización y/o mecanización de puertas y ventanas para ventilación y control de climatización, la renovación de materiales para ser energéticamente eficientes, etc.