Smart campus UCO, eficiencia energética en entorno universitario

Comunicación presentada al IV Congreso de Ciudades Inteligentes

Autores

• Rafael David Rodríguez Cantalejo, Responsable Automatización de edificios-Profesor Asociado DEA, Unidad Técnica-Área de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad de Córdoba
• Antonio Luis Prieto Sánchez, Director Unidad Técnica, Universidad de Córdoba
• Antonio J. Cubero Atienza, Catedrático de Escuelas Universitarias-Vicerrector de Coordinación Institucional e Infraestructuras, Universidad de Córdoba
• Francisco Javier Vázquez Serrano, Profesor Titular de Universidad, Área de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad de Córdoba

Resumen

El presente trabajo pretende mostrar la importante mejora obtenida en la gestión técnica de las infraestructuras de los Campus de la Universidad de Córdoba, un espacio universitario científico y técnico que alberga una población activa de entorno a veinte mil personas que desarrollan su actividad en edificios de uso docente, administrativo, investigador y residencial. La supervisión y gestión de los suministros eléctricos de todo el campus de cada edificio en un sistema integrado de supervisión basado en estándares abiertos y con estructura flexible hace que se potencie la eficiencia energética en la administración de las infraestructuras.

Palabras clave

Campus, Universidad, Gestión, Estándar, Infraestructuras, Inteligente, Mantenimiento, Energía

Introducción

Se entiende por Ciudad inteligente aquélla que adopta un modelo de ciudad con visión a largo plazo y el compromiso de ser más eficiente, productiva, sostenible y habitable (Serrano, 2105). Ante la inmediata necesidad de un consumo racional de la energía, una administración transparente y eficaz de los recursos públicos aplicados tanto en el ámbito de nuevos entornos urbanos pero sobre todo en entornos existentes, se ve necesario el empleo e implantación de sistemas de gestión técnica globales. Estos sistemas, permiten obtener una constante realimentación de información, con el objetivo de analizar el comportamiento funcional y energético de los edificios e instalaciones comunes de entornos de administración única. Es por ello que la Universidad de Córdoba lleva desarrollando en los últimos años una importante inversión material y humana en las infraestructuras existentes en sus Campus Universitarios.

En el seno de la Universidad de Córdoba, la Unidad Técnica, dependiendo del Vicerrectorado de Coordinación Institucional e Infraestructuras y de la Coordinación General de Campus, es el servicio cuya responsabilidad se centra en ejecutar la política de la universidad en materia de instalaciones, obras y comunicaciones, así como la gestión técnica de mantenimiento, dando satisfacción a las necesidades presentes y futuras de la comunidad universitaria. Se divide en dos grandes áreas: la de Infraestructura y Proyectos y la de Comunicaciones y Tecnologías. Es, por tanto, el servicio responsable de entender cómo las nuevas tecnologías presentan la solución a los problemas de gestión técnica de infraestructuras de sus cuatro campus universitarios.

Un entorno docente que va desde las Humanidades y las Ciencias Jurídico-Sociales, a las Ciencias de la Salud y las carreras Científico-Técnicas, áreas que se corresponden con su estructuración en los distintos Campus: Campus Centro, Campus Menéndez Pidal y Campus Universitario de Rabanales. Además, la UCO cuenta con otro Campus Universitario en el que se ubica la Escuela Politécnica Superior de Belmez, situado a sesenta kilómetros de la capital cordobesa. Los campus componen en torno a setenta edificios o servicios a gestionar.

Cabe destacar, por su importancia, el Campus Universitario de Rabanales, de naturaleza agroalimentaria, científica y técnica que engloba edificios y espacios de uso docente, administrativo, investigador, residencial, comercial, deportivo, así como los entornos agrícolas y naves ganaderas destinadas a labores de investigación. El grueso de la infraestructura presenta su última modificación relevante a nivel arquitectónico y de instalaciones en el periodo comprendido entre los años 1994 y 2003.

Los campus disponen de contratos de suministro de gas natural, electricidad y agua, siendo estos dos últimos facturados respectivamente utilizando un único equipo de medida de la compañía suministradora para el Campus de Rabanales, por lo que implica a la propia Universidad de Córdoba establecer y mantener su propia red de distribución de agua potable, la estación de bombeo, así como su propia de red de alta tensión, centros de transformación y red de baja tensión a cada edificio y servicio.

Con respecto al factor humano, la comunidad universitaria alberga una población activa de en torno a veinte mil usuarios de distintos perfiles y necesidades, como personal docente e investigador, personal de administración y servicios, alumnos y personal externo habitual (contratas de mantenimiento, reprografía, cafeterías, bancos, empresas de base tecnológica, etc) ofreciendo cada colectivo objetivos comunes y particulares en el uso de las instalaciones.

La diversidad de espacios existentes, donde la infraestructura investigadora juega un papel protagonista, hace que el mantenimiento y vigilancia del comportamiento de las instalaciones y control de suministros presenten actualmente una importancia vital y crítica.

La escasa existencia de elementos de control que gestionen las instalaciones, tales como programación de encendidos y apagados, registros de consumos (electricidad, agua, etc), supervisión remota, aviso inmediato de averías o estados inadecuados y, sobre todo, la integración de las distintas instalaciones que coexisten en los edificios del campus, hacen que la Unidad Técnica plantee unos objetivos básicos o requerimientos necesarios a corto-medio plazo para la correcta gestión técnica de sus edificios, que repercuta en un ahorro económico de su gestión así como un incremento en la satisfacción de los miembros de la comunidad universitaria y de la productividad de las instalaciones.

Descripción de la solución y metodología

Para satisfacer los objetivos propuestos, la Unidad Técnica viene planteando desde hace varios años como infraestructura base el empleo de un sistema de control y automatización flexible, regido por protocolos de comunicación abiertos y estandarizados de forma que, tanto a nivel software como hardware, pueda integrar en una única plataforma, los sistemas presentes y futuros independientemente del fabricante. De esta manera, se evita un sistema cerrado que obligue a estar sujeto a un único fabricante de por vida o la incapacidad de integración, hecho que la universidad ha venido sufriendo en diversas instalaciones existentes en su campus universitario.

El sistema propuesto consiste en utilizar la potente intranet local gestionada por el Servicio de Informática, que comunica todos los edificios y servicios en fibra óptica, resultando una columna vertebral de que interconecta los diferentes sistemas inmóticos basados en buses de campo con control distribuido.

La premisa básica es la de facilitar la necesidad de integrar múltiples componentes del sistema con una arquitectura de sistemas e infraestructuras comunes que, en esencia, es un conjunto de cables a través de la cual todos los componentes están unidos y pueden compartir información común. Los datos pueden viajar desde cualquier punto de la red a cualquier otro punto sin ningún fallo, incorporando altos niveles de seguridad y permitiendo la interoperabilidad de componentes completos de forma usuario a usuario.

Los protocolos empleados a nivel local de edificio o servicio para comunicar equipos controlados son:

• LonWorks, en adelante LON (Local Operating NetWork), basado en la utilización del protocolo Lontalk (ANSI/EIA 709) para redes de control, que implementa las siete capas del modelo OSI (Open System Interconnection) (Vázquez et. al, 2010). LON es la base para un sistema abierto e interoperable en el que los productos y soluciones de empresas líderes del mundo se reúnen en una implementación simple y sencilla que integra varios componentes del sistema en una solución completa. Su uso en la UCO se basa en el control de sistemas de refrigeración e iluminación de algunos edificios del Campus de Rabanales.
• Modbus TCP/IP, empleado en la UCO fundamentalmente para cubrir la comunicación con centrales de medida eléctrica y controladores programados por la propia Unidad Técnica para servicios especiales (cámaras climáticas, centralización de aire comprimido, etc), ya que la mayoría de fabricantes de equipos lo incorporan de serie sin coste económico adicional.  Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del modelo OSI, basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor. Convertido en un protocolo de comunicaciones estándar de facto en la industria.
• KNX, protocolo estándar (ISO/IEC 14543-3), basado en modelo OSI, para control de los distintos subsistemas de edificios. Empleado en la UCO para gestión completa de edificio de Facultad de Medicina y Enfermería y combinado con protocolo DALI para control de iluminación en edificio IMIBIC y edificio Vial Norte.
• BACnet IP (Building Automation and Control Networks), protocolo estándar (ISO 16484-5). Basado en modelo OSI, para control de sistemas HVAC fundamentalmente. Empleado en la UCO para controladores de equipos de clima Biomódulo P2 Servicio Animales de Experimentación equipos clima edificio Vial Norte.

En una capa superior de comunicación, se emplea la plataforma Ethernet, modelo TCP/IP, aprovechando la amplia infraestructura, como hemos comentado anteriormente, de cableado estructurado par trenzado, wifi y fibra óptica disponible entre los edificios, comportándose como una gran troncal que integra la información con los servidores que alojan las bases de datos y sistemas SCADA (Rodríguez, 2007).

La instalación de control realizada presenta a cada edificio y servicio como una isla dentro de los campus en cuanto a control y supervisión con tecnología abierta y flexible, dotándolo de autonomía propia. Las instalaciones controladas son diversas y no uniformes en cada edificio y servicio, ya que gracias a su flexibilidad y capacidad de ampliación se han ido particularizando en función de las necesidades inmediatas y los recursos económicos disponibles. Entre las instalaciones controladas podemos destacar la iluminación de zonas comunes (on/off de luminarias, programación horaria de encendidos, etc) gestión de la energía mediante analizadores de red eléctrica (visualización y registro de principales parámetros eléctricos), estación de bombeo de agua potable (estado e bombas y variadores de frecuencia, nivel de aljibe, mantener presión constante en función de demanda, caudal instantáneo y acumulado) y red general de distribución (presión y caudal), climatización (on/off, visualización y registro de temperatura de zonas), calefacción (on/off, visualización y registro de temperatura de zonas), estación de aire comprimido para laboratorios (estado de compresores, ventilación de sala, presión y caudal suministrado)  y gestión administrativa (comunicación de incidencias, avisos de revisiones periódicas, etc). Uno de los aspectos más destacados consiste en la supervisión de las cámaras y equipos frigoríficos, un tipo de instalación crítica tanto por su número (contando con más de cien instalaciones) como por su nivel de seguridad, ya que en muchos casos albergan actividades experimentales.

Por cada edificio se instalan buses de campo abiertos, con topología bus o libre, estableciendo una instalación multimarca. Con la existencia de los protocolos se cubren las necesidades de automatización mediante el empleo de controladores, módulos de entrada/salida y sensores inteligentes, dotando la instalación de un carácter distribuido dentro del edificio. Los buses terminan en un equipo con servidor web que dota a la instalación de un sistema SCADA multiusuario accesible desde cualquier navegador de internet vía Ethernet para supervisión como usuario o para labores de programación de equipos o aplicación como administrador o ingeniería. En el SCADA se presentan las pantallas gráficas de instalaciones, control de usuarios, gestión de alarmas con envío de correos electrónicos, registros de variables y curvas de tendencia. Los datos registrados pueden ser proporcionados en ficheros con formato CSV facilitando la posibilidad de ser visualizados y tratados por sistemas externos.

Cada edificio o RTU (Remote Terminal Unit) (Rodríguez, 2007) es interconectado mediante protocolo Ethernet a través de una aplicación software de nivel superior realizando las labores de unidad central de control o MTU (Master Terminal Unit). Esta aplicación se ejecuta en un servidor redundante ubicado en el centro de procesamiento de datos del Campus de Rabanales. Desde la aplicación se gestionan las redes de buses de los diferentes edificios y presenta un SCADA de carácter general para supervisar el total de los edificios y servicios registrando alarmas generales, variables de interés de forma redundante para la generación de curvas o informes de comportamiento de edificio, pantallas gráficas por naturaleza de instalaciones, gestión de usuarios, etc. El esquema general de control en el campus se puede apreciar en la figura 3.

Resultados obtenidos y discusión

Con el sistema implementado se consigue una notable mejora en la administración y gestión técnica de las infraestructuras, a destacar los siguientes campos de interés:

• Infraestructura/mantenimiento. Se satisfacen las necesidades presentes y futuras de las instalaciones y usuarios al presentar un sistema con una estructura flexible que mejora la funcionalidad de los campus.  Ofrece un control distribuido modular que garantiza un mayor confort y seguridad de usuarios con el control de las variables de funcionamiento. El aviso y planificación de las tareas de mantenimiento ofrece la no interrupción de trabajos de terceros en los cambios y modificaciones. Se supervisan a tiempo real gran cantidad de variables exigidas por normativa (RITE). Se avisa vía email de incidencias y alarmas a usuario y personal técnico
• Tecnología. Se dispone de medios técnicos basados en sistemas abiertos con la posibilidad de plantear la instalación presente y futura con diferentes fabricantes de producto que soporten los estándares contemplados.  Se automatizan el funcionamiento habitual de las instalaciones evitando el factor humano para tareas rutinarias (encendidos y apagados diarios, programación de días festivos, vigilancia de situaciones anómalas, etc). Se integran distintas instalaciones comunes de los edificios y servicios bajo una misma plataforma de forma que puedan intercambiar información entre ellos. Se garantiza la comunicación a los distintos responsables de estados no deseados y averías. La aportación de datos de registro en formato abierto CSV hace que la solución propuesta se comporte como una arquitectura Open Data aportando datos a terceros como el caso de Empresas de Servicios Energéticos (ESEs).
• Entorno Sostenible. Se favorece el ahorro energético gracias a la gestión y análisis permanente de los principales parámetros eléctricos y comportamiento de instalaciones. La reducción de emisiones de CO2 se consigue al reducir los tiempos innecesarios de funcionamiento de equipos e instalaciones, así como la detección de comportamientos anómalos que implique un consumo o calidad de suministro inadecuado.
• Económico/social. Se reducen los costes de operación y mantenimientos al contabilizar automáticamente horas de funcionamiento de equipos y aviso de estados anómalos de operación, repercutiendo a su vez en un incremento de la vida útil de los servicios. La satisfacción del usuario aumenta al ver cómo las instalaciones se adaptan a sus necesidades, disponiendo, la propia Administración Pública, de una herramienta útil para sensibilizar a todos los miembros de la comunidad universitaria en materia de sostenibilidad mediante la posibilidad de habilitar vía web de manera abierta los principales datos energéticos y consumos. Cabe destacar que la imagen corporativa de la universidad, como entidad pública, se ve reforzada al mostrar un especial interés en dotar a su infraestructura de un sistema encaminado en mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad.

Conclusiones

El uso de las nuevas tecnologías de automatización y comunicaciones, en una plataforma integral de gestión técnica aplicada a nuestro complejo universitario público, se confirma como una herramienta esencial para evaluar el estado de sus infraestructuras actuales y futuras. Aporta un grado de transparencia y compromiso sostenible permitiendo una Administración Pública más vinculada y cercana a las preocupaciones e intereses de la sociedad.

El proyecto base permite la posibilidad de plantear las siguientes líneas futuras de trabajo:

• Obtención de modelos de edificios y servicios mediante redes neuronales en base a registros históricos de parámetros técnicos (consumos, temperaturas, alarmas, etc.) en función de usos (periodos lectivos, periodo de exámenes, vacaciones, eventos, etc).
• Aplicación móvil pública para miembros de la comunidad universitaria y cartelería digital en puntos de información que refleje parámetros de interés generados tras desarrollo de encuestas. Open Goverment (Enerlis et. Al, 2012).
• Análisis de históricos para el desarrollo de redes de calor y frío en proyecto.
• Difusión de la tecnología empleada en asignaturas de titulaciones con contenidos relacionados con las ciudades inteligentes, control de edificios, automatización, eficiencia energética y sostenibilidad.

Agradecimientos

Se agradece el apoyo e interés prestado a la Universidad de Córdoba a través del Vicerrectorado de Coordinación institucional e Infraestructuras, Coordinación General de Campus.

Referencias

• Enerlis, Ernst and Young, Ferrovial & Madrid Network, 2012, Libro Blanco Smart Cities.
• Rodríguez, A, 2007, Sistemas SCADA, Marcombo Ediciones Técnicas.
• Serrano, M, 2015, I Congreso de Ciudades Inteligentes, Madrid.
• Vázquez, F, Romero, C, & De Castro, C, 2010, Domótica e Inmótica Viviendas y Edificios Inteligentes, Rama Editorial.