Comunicación presentada al I Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Xavier Cipriano Líndez, Investigador
- Gonzalo Gamboa, Investigador, Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE-UPC)
Resumen
En la mayoría de ciudades, los aspectos de consumo energético y emisiones asociadas no han sido considerados en la planificación urbana. Para poder integrar esta componente energética hay que considerar diferentes escalas (edificio-barrio-ciudad), múltiples datos asociados (tipo de edificio, geometría, uso, etc.) y múltiples agentes. En respuesta a este reto se ha desarrollado la plataforma web del proyecto SEMANCO (www.semanco-project.eu), la cual permite integrar datos existentes para su uso en la creación de escenarios de mejora energética tanto de ciudades, barrios o edificios. La base es el modelado semántico de datos (catastro, planeamiento, clima, geometría, etc.), que junto con SIG 3D, se integran para poder valorar el impacto energético de Planes Generales (PGOUM), Planes Parciales, y cualquier modificación urbana. Para su validación, se han verificado ejemplos en tres ciudades; Manresa, Newcastle y Copenhague.
Introducción
Urbanismo energéticamente eficiente en las ciudades europeas
En la actualidad, el sector doméstico es un sector importante en términos de consumo de energía y generación de emisiones. Gran parte de estas emisiones provienen de la combustión directa para climatización. Las directivas europeas y esquemas voluntarios relativos a consumo de energía más relevantes se han centrado en el sector residencial a escala de edificio principalmente. Como principal citar la Directiva de Eficiencia Energética de los Edificios (EPBD, 2010/31/UE). La EPBD fue adoptada para reforzar el rendimiento energético de los edificios mediante la promoción de la mejora de la eficiencia energética dentro de la Unión Europea, intentando alcanzar edificios de consumo casi cero. Esto está plenamente en consonancia con los requisitos de la Directiva de Energías Renovables (FER, 2009/28/CE) y Eficiencia Energética (EED 2012/27/UE), que son Directivas que incluyen entre otros que las autoridades locales y regionales deben planificar infraestructuras urbanas que cubran calefacción y refrigeración con energías renovables (EERR) allá donde sea más rentable. Junto a estas Directivas un grupo de municipios de toda Europa han promovido el Pacto de los Alcaldes (Covenant of Mayors, 2014), que se inició en 2008 con el objetivo de promover la aplicación de las políticas energéticas nacionales sostenibles a nivel municipal. Los firmantes del Pacto se comprometen a reducir las emisiones de CO2 municipales un 20% para 2020, y documentan el proceso con un Plan de Acción para la Energía Sostenible (PAES).
Los avances en la reducción de emisiones de CO2 se comparan contra un Inventario inicial de Emisiones de CO2 de Referencia (BEI). Aunque el Pacto de Alcaldes, a través del PAES pretende dar un marco estratégico global para trasladar toda esta normativa a nivel local, no consigue solucionar los principales problemas en las tomas de decisiones. Por un lado el PAES no se realiza de forma integrada al planeamiento urbano (PGOUM, Planes Especiales y Parciales) y al resto de herramientas legislativas y de sensibilización (ordenanzas, impuestos y campañas) que ya realizan los Ayuntamientos, debido a la dificultad de gestionar tanta información de escalas y naturaleza diferentes en un tiempo y con un esfuerzo razonables; y segundo no se dispone de herramientas adecuadas para realizar los cálculos energéticos y de emisiones, ni los indicadores multiescala pertinentes (socio-económicos y energéticos) para grandes áreas o el municipio en su totalidad.
Por ello el proyecto (SEMANCO, 2014) que ha transcurrido entre 2012 a 2014, ha desarrollado una Plataforma Web para urbanistas, planificadores y demás agentes, para evaluar escenarios de planificación energética en entornos urbanos. Se han resuelto los inconvenientes de la recogida de datos urbanos, socio-económicos y relacionados con la energía a través de la creación de un modelo energético urbano basado en la combinación de técnicas semánticas y de ontología de datos, y se ha establecido el link automático con herramientas de cálculo energético. Asimismo, para facilitar la toma de decisiones, se ha integrado en la plataforma un módulo de análisis multi-criterio basado en los conceptos de la Evaluación Multi-escala Integrada del Metabolismo Social (MuSIASEM) (Munda, 2005) y trabajos previos de metabolismo energético (Sorman & Giampietro, 2011). A continuación se presenta el esquema de funcionamiento de la plataforma y del proyecto a través de un estudio de caso en la ciudad de Manresa.
Descripción y metodología de trabajo
Creación de proyectos (caso base y escenarios)
Con el fin de integrar a todos los requisitos identificados por los usuarios en este marco complejo, y para utilizar la plataforma en tareas reales hemos definido los siguientes pasos de un proceso de mejora energética en una zona urbana:
- Definir el objetivo de la actuación urbana e identificar los edificios de destino o la zona
- Definir los usuarios que participan en el proceso, así como el nivel de información que necesitan
- Definir un conjunto de proyectos urbanos alternativos destinados a satisfacer esos objetivos
- Definir un conjunto de indicadores multidimensionales para evaluar los proyectos
- Evaluar y comparar los proyectos en el marco del conjunto de indicadores
- Analizar los resultados y, si es posible, tomar una decisión (elegir un proyecto)
La plataforma de servicios energéticos Web SEMANCO permite implementar este proceso. Para ello, utiliza el modelado semántico de datos que permite el acceso y posterior visualización de información almacenada en diferentes fuentes, así como su integración posterior en el SIG·3D y en el software de simulación (URSOS, 2014).
Creación del modelo energético urbano (UEM)
La plataforma permite la creación de múltiples modelos energéticos urbanos (UEM) para cada entorno. (Madrazo, Nemirovski, & Sicilia, 2013) Cada modelo es el resultado de la combinación de los datos disponibles con las herramientas que pueden interactuar con ellos. Por ejemplo, en el caso de Manresa, se dispone de un modelo suficientemente detallado de la ciudad – a partir de la conexión web del catastro y el SIG 3D junto con los resultados de la simulación de energía-. Los resultados de las simulaciones se almacenan en la plataforma, y se relacionan con otros. Así, el modelo geométrico clásico se enriquece con la información de demanda energética e información asociada. Este modelo sirve como referencia para posteriores acciones de mejora que se pueden realizar y evaluar con la plataforma. A través de diagramas interactivos, los usuarios pueden identificar las áreas que requieren intervenciones, y desarrollar planes de mejora, tal como se muestra en las Figuras 3 y 4.
Interacción con simulación energética (URSOS)
Urban Planning and Sustainability software (URSOS) es una herramienta para evaluar y comparar el rendimiento energético y medioambiental de los edificios en una zona urbana. Ha sido desarrollado por el Grupo de Energía y Edificación, de la Universidad de Zaragoza (España). El programa simula el comportamiento térmico de edificios o zonas residenciales según las condiciones climáticas, las características térmicas de cerramientos, las tasas de ventilación, y el volumen. En SEMANCO hemos incorporado el motor de cálculo de URSOS como una de las herramientas de evaluación de demanda energética. Los parámetros de entrada de URSOS se generan automáticamente como un archivo XML de entrada, a partir lo que define el usuario con la Plataforma. Este enlace entre la herramienta y los datos se realiza con el módulo semántico de integración de información (SEIF) (Carpenter, 2013). El SEIF conecta los datos requeridos por las herramientas con los usuarios y los datos a través de la Plataforma. (Nolle, Nemirovski & Sicilia, 2014). La integración se realiza como un proceso por lotes, utilizando un archivo XML de entrada. Este contiene todos los datos necesarios para llevar a cabo la simulación de energía. El archivo de entrada se llena con los datos del SEIF con consultas SPARQL.
Cálculo y gestión de indicadores multiescala
En SEMANCO es posible mapear los flujos de energía (por ejemplo, electricidad, gasoil, gas natural) y la materia (por ejemplo, las emisiones de CO2) a nivel multiescala. El proceso de aumento de escala indicadores intensivos se lleva a cabo de la siguiente manera:
- La agregación de los flujos de vectores de energía y emisiones de CO2 que pasan a través del sistema urbano a cierta escala (por ejemplo, edificios), para obtener los flujos a un nivel superior (el barrio). Por ejemplo, agregar el consumo de electricidad de los edificios que pertenecen a una cierta zona, para obtener el consumo de electricidad a nivel de barrio.
- La agregación de la superficie de los niveles inferiores. Por ejemplo, agregar las superficies construidas de los edificios que pertenecen a un determinado barrio. Los flujos de electricidad contabilizados en el paso anterior ocurren en la superficie construida calculada en este paso.
- Dividir el flujo agregado (p.ej. electricidad) por la superficie agregada, para obtener el flujo por metro cuadrado de superficie a un nivel superior (vecindad).
Por otro lado las escalas múltiples también implican la existencia de múltiples identidades del mismo sistema. Un edificio puede ser descrito centrándose en sus características físicas como el tipo de cerramientos y sus sistemas técnicos de construcción. Pero también puede ser descrito en términos de las características socio-económicas y demográficas de sus habitantes. Además, la relevancia o no de un indicador depende de la escala. Por ejemplo, la desigualdad en el consumo de energía para la calefacción es un indicador relevante para comparar entre los hogares, edificios o barrios, pero puede ser irrelevante a nivel de vivienda. La principal estrategia para hacer frente a estas cuestiones es utilizar un conjunto de indicadores multidimensionales. La evaluación de los distintos proyectos se realiza con técnicas de análisis multicriterio. A través de estas técnicas diversos indicadores como emisiones de carbono, consumo de energía, o costos son asignados por el usuario y un cálculo del grado de relevancia se compara entre ellos. El resultado del análisis multicriterio es una lista de proyectos por valor de acuerdo con los indicadores establecidos por el usuario. El usuario puede cambiar la lista de indicadores y comparar sólo valores absolutos o indicadores intensivos (por superficie). Los usuarios definen los pesos y umbrales de cada indicador de acuerdo a sus preferencias y realizan el análisis multicriterio haciendo clic en el botón correspondiente.
Resultados de un caso concreto
Evaluación de mejoras energéticas en edificios de barrios con baja eficiencia
En Manresa, se evalúa el impacto de la eficiencia energética para un gran conjunto de edificios, previamente identificados con un bajo rendimiento energético. En primer lugar, el usuario selecciona la ciudad de Manresa y carga un UEM previamente calculado que suministra la demanda energética base de toda la ciudad (se ha cargado previamente a partir de los datos existentes y la simulación de trozos de ciudad con la plataforma). Se activan los indicadores a escala urbana (Figura 2), y partir de una vista preliminar de la demanda por superficie, se detecta que los barrios con peor eficiencia son «Barri Antic» y «Vic Remei», que se corresponde con los barrios con los edificios más antiguos de la ciudad, (Figura 2).
Se realiza un zoom y se detectan edificios de color rojo, con lo que se puede decidir qué grupo de edificios es el mejor para intervenir. A continuación se selecciona este grupo de edificios y se añaden a un plan creado de nuevo de uno en uno (90 edificios).
Históricamente, las líneas de acción de financiación han sido las dedicadas a reemplazar las ventanas y calderas. En este sentido, el usuario crea un proyecto para simular un posible cambio de vidrios y marcos para todas las ventanas de la zona, y otro proyecto para simular la sustitución de las calderas existentes por modelos más eficientes (Figura 3). Se obtiene un resultado en el que la demanda de energía sigue siendo alta, así se considera otra posibilidad que sea la instalación de paneles solares para ACS, y se crea otro proyecto en este sentido. Después de la creación y el cálculo de los diferentes proyectos alternativos, el usuario observa que es difícil tomar una decisión basada únicamente en la demanda energética. Para solucionar esto, el usuario elige para comparar diferentes proyectos con la función MCDA. A continuación, se rellenan los parámetros para cada uno de los indicadores de rendimiento de energía considerando las emisiones de CO2 como el más importante, debido a la relevancia que el Pacto de los Alcaldes da a este indicador.
El usuario también ha añadido un indicador propio llamado “Previsto financiación cantidad”. El usuario establece los valores de este indicador en base a la experiencia previa en disponer de fondos para fomentar la renovación de los edificios. Al final, el usuario guarda ambos análisis, imprime algunas figuras y toma algunas capturas de pantalla de los resultados para proporcionar evidencias para apoyar la decisión final que han de adoptar las autoridades municipales, que en este caso corresponde al cambio de ventanas. Como prueba final, se comparan los valores de las emisiones de CO2 procedentes de la línea de base en contra del proyecto «Mejoramiento del sistema de calefacción», y se confirma una reducción del 10% de CO2 con respecto a la línea de base existente.
Conclusiones
El principal valor añadido de la plataforma SEMANCO, tal como se muestra en el ejemplo, es la forma en la que se ofrece una buena integración entre los datos, herramientas e indicadores en los diferentes niveles de escala y los diferentes aspectos. La plataforma permite trabajar con áreas tanto existentes como nuevas, y los indicadores se definen según las peticiones de usuarios o su conocimiento experto. La herramienta MCDA junto con la visualización en 3D y los filtros de figuras y tablas incluidas en la plataforma reflejan una forma innovadora de proporcionar información útil a los planificadores urbanos y los promotores. El marco de información semántica (SEIF), junto con las técnicas de ontología dentro de la plataforma, permite a los usuarios crear y modificar modelos urbanos de energía en una manera fácil de usar. Este desarrollo se puede considerar como una herramienta muy innovadora que representa una valiosa contribución para el problema de la planificación urbana energéticamente eficiente
Agradecimientos
En primer lugar a la Comisión Europea, al VII Programa Marco por la financiación del proyecto, al consorcio de socios del proyecto, encabezados por FUNITEC de la Universidad La Salle de Barcelona, al equipo de CIMNE participante en el proyecto, y especialmente a FORUM SL por su trabajo de implementación en el municipio de Manresa.
Referencias
- Carpenter, M., Gamboa, G., Danov, S., Oliveras, J., Rønn, T., Niwaz, N., Crosbie, T. (2013) Deliverable 5.3 – Energy Simulation and trade off visualization tool. Deliverable of the SEMANCO project.
- Council Directive 2012/27/EU on energy efficiency (2012) Amending Directives 2009/125/EC and 2010/30/EU and repealing Directives 2004/8/EC and 2006/32/EC. European Commission, 25 October.
- Madrazo, L., Sicilia, A., Gamboa, G. (2012) SEMANCO. Semantic Tools for Carbon Reduction in Urban Planning. Proceedings of the 9th European Conference on Product and Process Modelling, Reykjavik.
- Madrazo, L., Nemirovski, G., Sicilia, A. (2013) Shared Vocabularies to Support the Creation of Energy Urban Systems Models. Proceedings of the ICT for Sustainable places International conference, Nice.
Munda, G. (2005) Measuring Sustainability: A multicriterion framework environment. Development and Sustainability 7, pp. 117-134. - Nolle, A, Nemirovski, G., Sicilia, A. (2014) Deliverable 4.5 – Semantic Energy Information Framework. Deliverable of the SEMANCO project.
- Sorman, A., Giampietro, M. (2011) The energetic metabolism of societies and the degrowth paradigm. Journal of Cleaner Production, 18, pp. 80-91
- Covenant of Mayors,12 Diciembre 2014)
- SEMANCO Project, www.semanco-project.eu (12 Diciembre, 2014)
- URSOS software de diseño y rehabilitación de edificios, (12 Diciembre 2014)
Nota: Este artículo fue presentado y publicado en el Libro de Comunicaciones del I Congreso Ciudades Inteligentes.