Internet of Things (IoT) in Buildings: A Learning Factory

Advances towards smart ecosystems showcase Internet of Things (IoT) as a transversal strategy to improve energy efficiency in buildings, enhance their comfort and environmental conditions, and increase knowledge about building behavior, its relationships with users and the interconnections among themselves and the environmental and ecological context. EU estimates that 75% of the building stock is inefficient and more than 40 years old. Although many buildings have some type of system for regulating the indoor temperature, only a small subset provides integrated heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) systems. Within that subset, only a small percentage includes smart sensors, and only a slight portion of that percentage integrates those sensors into IoT ecosystems. This work pursues two objectives. The first is to understand the built environment as a set of interconnected systems constituting a complex framework in which IoT ecosystems are key enabling technologies for improving energy efficiency and indoor air quality (IAQ) by filling the gap between theoretical simulations and real measurements. The second is to understand IoT ecosystems as cost-effective solutions for acquiring data through connected sensors, analyzing information in real time, and building knowledge to make data-driven decisions. The dataset is publicly available for third-party use to assist the scientific community in its research studies. This paper details the functional scheme of the IoT ecosystem following a three-level methodology for (1) identifying buildings (with regard to their use patterns, thermal variation, geographical orientation, etc.) to analyze their performance; (2) selecting representative spaces (according to their location, orientation, use, size, occupancy, etc.) to monitor their behavior; and (3) deploying and configuring an infrastructure with +200 geolocated wireless sensors in +100 representative spaces, collecting a dataset of +10,000 measurements every hour. The results obtained through real installations with IoT as a learning factory include several learned lessons about building complexity, energy consumption, costs, savings, IAQ and health improvement. A proof of concept of building performance prediction based on neural networks (applied to CO2 and temperature) is proposed. This first learning shows that IAQ measurements meet recommended levels around 90% of the time and that an IoT-managed HVAC system can achieve energy-consumption savings of between 10 and 15%. In summary, in a real context involving economic restrictions, complexity, high energy costs, social vulnerability, and climate change, IoT-based strategies, as proposed in this work, offer a modular and interoperable approach, moving towards smart communities (buildings, cities, regions, etc.) by improving energy efficiency and environmental quality (indoor and outdoor) at low cost, with quick implementation, and low impact on users. Great challenges remain for growth and interconnection in IoT use, especially challenges posed by climate change and sustainability

First description of courtship and copulation in Pristidactylus casuhatiensis (Squamata, Leiosauridae)

Background: Reproductive behaviour under natural conditions is hard to record, especially in rare and cryptic species, such as the Casuhatien anole (Pristidactylus casuhatiensis). This medium size lizard is endemic to the Sierras Australes Bonaerenses, a rocky outcrop in the Southern Pampas of Argentina. Methods: During spring and summer from 2018 to 2022, we surveyed five hills at above 600 m altitude, where specimens were known to occur. Every time we detected a courtship or copulation event, we took photographs of the specimens for their individual identification, and recorded the body temperature of the participating individuals as well as air temperature, wind speed and relative humidity. We recorded the duration in minutes of each phase of the event (immobilization, juxtaposition of the cloacae followed by copulation, and finally, restraint and separation) and described the main habitat features of the site where it happened. Results: We detected 12 reproductive events; all of them occurred in October and November, on Funke, Puntudo and Tres Picos hills, mostly between 1300 and 1700 h. The mean duration of each copulation phase was 6 min (95% CI = ± 1.4, n = 10), 4.3 min (95% CI = ± 1.8, n = 10) and 3.8 min (95% CI = ± 3.42, n = 10), respectively. Conclusion: The reproductive activity of the Casuhatien anole is concentrated in the spring, particularly in the early afternoon, following the patterns described for other species of lizards. During these events, the greatest exposure of individuals could make them more vulnerable. This, together with other features related to their reproductive behaviour revealed in this paper may contribute to the planning of conservation actions.Fil: Luján Ogeda, Daniela Belén. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Biología, Bioquímica y Farmacia; ArgentinaFil: Areco, A.. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Biología, Bioquímica y Farmacia; ArgentinaFil: Leynaud, Gerardo Cristhian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Diversidad y Ecología Animal. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Instituto de Diversidad y Ecología Animal; ArgentinaFil: Zalba, Sergio Martín. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Biología, Bioquímica y Farmacia; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; Argentin

Bomba de calor de gran potencia para sistemas de calefacción y refrigeración de distrito. Caracterización del funcionamiento a carga parcial

Este Trabajo Final de Master se plantea con el objetivo de contribuir al esfuerzo que organizaciones gubernamentales y supragubernamentales están realizando desde comienzos del siglo XXI a propósito de la descarbonización y la mejora de la eficiencia energética en los edificios. Estos esfuerzos forman una parte importante del primer anexo del trabajo, Revisión bibliográfica: sistemas de calefacción y refrigeración de distrito con bomba de calor, y en ellos se ha basado en buena parte la redacción del primer capítulo de la memoria -la introducción- y la concepción de los casos de estudio.Estableciendo contacto con la empresa CARRIER -fabricante de bombas de calor y enfriadoras- se han obtenido datos del funcionamiento a carga parcial de 14 máquinas de compresión de vapor. Estos datos conforman el núcleo del trabajo. Su análisis sistemático está reflejado en el anexo B: Funcionamiento a carga parcial de 14 máquinas de compresión de vapor del fabricante CARRIER. Las conclusiones del anexo B relativas a la influencia de la regulación del compresor y de las temperaturas de operación forman el capítulo II de la memoria, y se centran en los rangos en los que la eficiencia aumenta y/o desciende significativamente. Estas conclusiones fueron ratificadas y juzgadas coherentes por la empresa que ha facilitado la información.En el capítulo III se plantea un caso de estudio para contrastar las conclusiones extraídas en el capítulo II y cuantificar la energía que el funcionamiento a carga parcial de la bomba de calor puede ahorrar para distintas regulaciones y temperaturas de operación, así como el impacto que en cada uno de esos casos tendría la existencia de un almacenamiento de energía térmica. Los ahorros energéticos conseguidos con el funcionamiento a carga parcial frente a plena carga oscilan entre el 9% y el 28%.Finalmente se recopilan las conclusiones extraídas a lo largo del trabajo y se establece una serie de posibles líneas de trabajo futuro. Empezando por las primeras, se ha hallado y cuantificado para las máquinas estudiadas el rango de mayor eficiencia -mejoras de entre el 10 y 30% de la eficiencia en índices de carga entre el 40 y 60%-. Se ha tratado de analizar la relación entre las condiciones de diseño -principalmente, la regulación del compresor, por la naturaleza de los datos recibidos- que van a ser inalterables una vez construida la máquina, respecto de las condiciones de operación -refrigerante, temperaturas de trabajo, velocidad del compresor- que dependerán de las necesidades y condiciones de contorno, en cada momento, en la instalación. Por otro lado, las líneas de futuro buscarían ampliar los estudios con diferentes tecnologías usadas actualmente en la bomba de calor -compresores centrífugos, cojinetes y rodamientos de levitación magnética…-. Su planteamiento haría indispensable la continuación de la colaboración con empresas del sector.<br /

Sistemas de ventilación y estudio de la monitorización por sensores de CO2 en edificio CIHEAM

Por medio del presente trabajo, se pretende, en primer lugar, realizar una revisión bibliográfica sobre la importancia de la calidad del aire interior y las exigencias establecidas por la normativa vigente actual; los diferentes sistemas de ventilación y las unidades de tratamiento de aire con los que llevar a cabo el acondicionamiento requerido. Además, con el fin de mejorar la eficiencia de los sistemas, se trata de desarrollar aquellas estrategias de ahorro energético; Entre ellas el freecooling, los recuperadores de calor, y la ventilación por demanda, profundizando en este último caso en el control por nivel de CO2.A continuación, la segunda parte del trabajo, tiene como objetivo proporcionar una solución al edificio CIHEAM Zaragoza ante la carencia de un sistema de ventilación. Para ello se van a analizar las alternativas propuestas a partir del estudio de las necesidades de las aulas y el comportamiento de las mismas mediante medidores del nivel de CO2.<br /

Estado de la técnica de bombas de calor híbridas y caso práctico

El presente Trabajo Fin de Carrera, analiza los estudios llevadas a cabo por investigadores de todo el mundo acerca de las bombas de calor por compresión de vapor híbridas, creando para ello una base de datos. Esta base de datos está compuesta por 58 fichas individuales de cada investigación analizada y etiquetándola según los distintos parámetros que definen una investigación sobre bombas de calor híbridas. Gracias a esta recopilación, se ha podido clasificar los distintos tipos de bombas de calor según sus focos, su configuración y su sistema de control; además de analizar las tendencias de esta tecnología en el panorama global, europeo y nacional. Estas investigaciones son en su mayoría investigaciones de laboratorio, con potencias inferiores a 40 kW, donde los rendimientos estacionales son inferiores a 5. Las bombas de calor híbridas de foco tierra son las que más estudios recopilan, destacando China como primera potencia, y las de foco aire son las más comercializadas. La tecnología de bombas de calor híbrida con foco en aguas residuales se halla en fase de experimentación. Respecto a la configuración y control, están muy influenciados por el tipo de bomba de calor y la climatología donde se implanta y ha de evaluarse la condición óptima en cada caso. Además, se ha realizado un caso de estudio en la línea de las revisadas en la base de datos, donde se analiza el comportamiento de una bomba de calor híbrida con la climatología de la ciudad de Zaragoza. Para ello, se ha creado un edificio modelo gracias a los softwares Google SketchUp y OpenStudio, y se le ha implantado un sistema de bomba de calor con foco aire con una caldera de gas como fuente auxiliar. El motor de cálculo escogido para la simulación fue EnergyPlus, el cual presenta prestaciones similares a los utilizados por los investigadores además de ser de licencia libre. Como resultados, el edificio modelo posee una estimación de demandas energéticas similar a las evaluadas en Madrid o Milán. Además, en comparación con una bomba de calor clásica, el sistema híbrido presenta un mayor rendimiento anual, especialmente en los periodos de calefacción donde puede distribuir la carga con la caldera y evitar ciclos de desescarche

Análisis de eficiencia energética de un hotel en Jaca

El presente trabajo consiste en un estudio para disminuir el consumo de energía de uno de los edificios que forman parte del Gran Hotel de Jaca. Para ello, se realiza un doble planteamiento: por un lado se tratará de reducir la demanda energética, y por el otro mejorar el rendimiento de la instalación de climatización. Se ha comenzado realizando una revisión de manuales, guías y artículos sobre eficiencia energética en edificios para recopilar información e ideas para el posterior desarrollo del trabajo y tener una visión general de la situación actual en este ámbito. Posteriormente, se procede a la descripción del edificio. Se explican las características arquitectónicas, usos, la envolvente térmica y la instalación actual de que dispone. A su vez, se realiza una estimación de la demanda y el consumo energético anual del edificio, energía primaria consumida y emisiones de CO2 generadas. A continuación, se proponen y evalúan diferentes mejoras para la disminución de la demanda energética, como la zonificación de espacios y modos de funcionamiento alternativos o la rehabilitación de la envolvente del edificio. Tratando de mejorar el rendimiento, la eficiencia de la instalación del edificio, se estudian diferentes alternativas para la producción de energía térmica y se analiza su influencia en el consumo y emisiones. Después de esto, se han seleccionado las distintas mejoras y las alternativas con las que se han obtenido mejores resultados y se ha evaluado la aplicación de todas ellas de forma conjunta para ver la diferencia entre la situación de partida, la situación actual del edificio y tras una posible rehabilitación o “modernización” del mismo. Se ha calculado también la calificación energética del edificio en ambos casos para ver la evolución. Por último se establecen una serie de conclusiones deducidas del desarrollo y de los resultados obtenidos en los diferentes apartados que componen el trabajo

Auditorías energéticas. Caso práctico sobre bomba de calor de la instalación didáctica de climatización en la Universidad de Zaragoza

Los sistemas de climatización de los edificios suponen una gran parte del gasto de energía en los edificios. Las auditorías pueden ayudar a conocer mejor las instalaciones, a detectar problemas y, por tanto, a reducir consumos. La bomba de calor permite aminorar consumos, descarbonizar las ciudades y se puede alimentar de energía eléctrica de origen renovable. En el primer capítulo se realiza una introducción en la que se presenta la situación energética actual y el marco normativo en la Unión Europea y España. Además, incluye una descripción del Real Decreto 56/2016, referente a las auditorías energéticas. Al final del capítulo se muestra un esquema en el que se plantean los objetivos del Trabajo de Fin de Grado. El siguiente capítulo está dedicado a las auditorías energéticas. Se explica en qué consisten y como se realizan. También se destacan los sistemas de gestión energética debido a su carácter de revisión y mejora continua. Por último, se analiza la situación de las auditorías energéticas en España.En el tercer capítulo se describen los equipos de medida de instalaciones necesarios para las auditorías energéticas. Se investigan los instrumentos de los que dispone la Universidad de Zaragoza y los que se encuentran en el mercado. El cuarto capítulo trata la bomba de calor. Se explica su funcionamiento y los procesos que experimentan estos equipos. Además, se señala la normativa que regula los indicadores energéticos.En el quinto capítulo se presenta la instalación didáctica de climatización. Se describe el funcionamiento de la bomba de calor y se proponen una serie de cuestiones y ejercicios para la realización de una práctica docente.Por último, se han establecido una serie de conclusiones en base al trabajo realizado, además de la propuesta de varias líneas de futuro para próximos trabajos.<br /

Estado del arte de intercambiadores de calor tierra-aire. Implementación de un software de prediseño

El presente trabajo de fin de grado consta de dos partes diferenciadas. La primera se ha basado en la recopilación y análisis de información de los intercambiadores de calor tierra-aire.El primer capítulo desarrolla la identificación de la problemática relativa a los altos consumos energéticos derivados de la climatización en los edificios, así como el incremento en la necesidad de ventilación derivada de la pandemia de COVID -19. Además, se ha estudiado la normativa, tanto europea como nacional, relativa a los intercambiadores de calor tierra-aire.El segundo capítulo del trabajo desarrolla el estado del arte de intercambiadores de calor tierra-aire, el cual ha sido dividido en dos partes, la recopilación y análisis de los datos de la bibliografía y, posteriormente, el estudio de los mecanismos de transferencia de calor mediante un análisis de las resistencias térmicas del sistema. En la primera parte, se han consultado 105 fuentes bibliográficas, de las cuales se han obtenido datos para el análisis de 32 instalaciones. Posteriormente, se han calculado y analizado las diferentes resistencias térmicas de éstas. Los objetivos alcanzados en este apartado han sido conocer el estado de esta tecnología, tanto a nivel nacional como internacional, estudiar los mecanismos de transferencia de calor, en especial el orden de magnitud de las resistencias térmicas que forman el sistema y la influencia de los distintos parámetros de la instalación en ellas, y, por último, adquirir los conocimientos necesarios para el desarrollo de una herramienta de prediseño.La segunda parte del trabajo, correspondiente al tercer capítulo, consiste en el desarrollo de un software de prediseño de intercambiadores tierra-aire basado en los conocimientos adquiridos durante la elaboración del estado del arte. Además, con la recopilación de los datos de una instalación real (edificio CIEM, Zaragoza), se han validado los resultados obtenidos mediante la hoja de cálculo. Por último, se ha realizado un análisis de sensibilidad en el que se han estudiado las incertidumbres asociadas a los parámetros de entrada.Por último, en el capítulo cuarto, se han expuesto las conclusiones derivadas de las distintas partes del trabajo, así como la propuesta de distintas líneas de futuro relacionadas con esta tecnología y su desarrollo en el edificio de Filosofía y Letras de la Universidad de Zaragoza.<br /

Ventilación y eficiencia energética en edificios EINA-UNIZAR. Análisis de datos de la aplicación Sensorizar y de consumos eléctricos de 2020 a 2022.

Este trabajo se enmarca en el proyecto SensoriZAR, un ecosistema IoT que permite monitorizar en tiempo real las condiciones ambientales del interior de cualquier edificio. En este trabajo se ha puesto de manifiesto la importancia de las mediciones en continuo y de la ventilación mecánica, para asegurar una buena calidad de aire interior y eficiencia energética en edificios. Las tareas desarrolladas se han ido adaptando a los aspectos que podían ser de mayor interés para la EINA y para SensoriZAR y se han desarrollado 14 informes por orden cronológico, recogidos en el anexo 1. Estos informes demuestran el potencial de la herramienta SensoriZAR, para conocer con datos cómo funciona el edificio y sus instalaciones y plantear metodologías que se van a automatizar. De cara a la presentación de los resultados, se ha redactado esta memoria en base a dos líneas temáticas: eficiencia energética (capítulo 1) y salud y calidad de aire interior (capítulo 2). Tras llevar a cabo una revisión del contexto y normativa, el primer capítulo comienza con el análisis de consumos eléctricos del edificio Betancourt de 2020 y 2021. En este análisis se ha visto que existe una buena correlación entre el consumo eléctrico y la temperatura exterior en invierno. El incremento de consumo es de 0,53 MWh por cada grado (°C) que baja la temperatura media exterior. Además, se ha caracterizado el consumo pico (120 MWh/año) y total en stand-by (280 MWh/año) durante el año 2021. También se ha puesto de manifiesto que, el consumo eléctrico del edificio es proporcional al número de horas de encendido de la climatización de forma lineal, debido a que la climatización es el mayor consumo eléctrico del edificio y que, por tanto, las medidas de ahorro de energía deben ir en esta línea. Gracias a los datos recogidos por la aplicación SensoriZAR y desarrollando un programa en Java, se ha expuesto una metodología para analizar las temperaturas de las aulas y se ha constatado que existe margen de mejora para disminuir el porcentaje de tiempo en el que la temperatura está por encima de los límites normativos (21°C en calefacción). También se ha observado que las aulas se climatizan aunque no haya ocupación. Aproximadamente un 50 % del tiempo las aulas están vacías, por tanto, el potencial de ahorro de energía es importante. Se han propuesto soluciones para evitar estas dos fuentes de consumo de energía innecesario. Respecto al capítulo de calidad de aire interior, se han analizado diferentes contaminantes interiores y se ha visto que los niveles son bajos y que es suficiente medir el nivel de CO2, para decidir cuando es necesario ventilar. Se han evaluado los diferentes tipos de sensores de SensoriZAR y se han valorado aquellos más fiables. También se han analizado datos de CO2 con el programa Java desarrollado anteriormente, observando que, el porcentaje de tiempo en el que se superan los niveles límite recomendados es bajo. Por otra parte, se ha estudiado el funcionamiento de la ventilación mecánica en las aulas del edificio Betancourt, concluyendo que al apagarse el fancoil se pierde la ventilación mecánica en el aula, por lo que se propone no detener el ventilador si el nivel de CO2 es alto. Se han realizado medidas de caudal de aire de ventilación cuantificando cómo influye el mantenimiento en las prestaciones del climatizador. También se han revisado los sistemas de ventilación del edificio Torres Quevedo, comprobando que se dispone de ventilación mecánica en la mayoría de los espacios, pero que es necesario revisar los sistemas. Por último, se ha analizado la sala de estudios Tomás Pollán, proponiendo una metodología para calcular aforos máximos, para asegurar un cierto nivel de ventilación y se ha utilizado la metodología de redes neuronales, para predecir temperatura y niveles de CO2 en esta sala. En la sesión 338 del Ateneo de la EINA (11/5/2022), se presentaron algunos de los resultados de este TFG.<br /