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El término “gemelo digital” comenzó a aplicarse a la Industria 4.0 a partir de 2002, año en el que el ingeniero informático Michael Grieves introdujo el concepto como parte de su investigación de gestión del ciclo de vida del producto (PLM) en la Universidad de Michigan, mencionando la posibilidad de crear representaciones digitales de sistemas físicos.
Desde entonces, el concepto ha evolucionado a gran velocidad y su aplicación ha sido posible en múltiples sectores. Según un estudio de la compañía Gartner, es una de las tecnologías que más van a incidir sobre la vida empresarial moderna en los próximos años.
Los retos a los que ha de enfrentarse un gestor de edificio son complejos. A nivel macroeconómico y de funcionamiento destacan los siguientes:
- Cambios constantes en las necesidades de los inquilinos. Los inquilinos solicitan edificios más verdes, saludables, sostenibles y que aporten mayor confort a sus residentes.
- Legislación cada vez más restrictiva, en la que se exige a los edificios un mayor control en emisiones y consumo energético. La legislación europea se orienta claramente en este sentido.
- Necesidad de simplificar los procesos de gestión del edificio. Ofreciendo una herramienta que permita por ejemplo cuantificar el gasto en HVAC o el servicio de mantenimiento de alumbrado.
El gemelo digital da respuesta a los principales retos de los edificios, permitiendo al gestor del mismo abordar tanto la eficiencia energética, sostenibilidad, industrialización, automatización de procesos y seguridad (incendios, sismo, robos, etc.) del edificio entre otros.
Según la Agencia internacional de la energía, los edificios son los responsables del 30 % del consumo energético global y del 28 % de las emisiones de CO2. Además, se señala que el consumo energético y el mantenimiento de los edificios son las principales partidas de gasto que tienen que tramitar los propietarios de un edificio.
Una gestión inteligente y automatizada de las instalaciones de un edificio, puede suponer un ahorro de hasta el 40 % en el consumo energético del mismo. Si a esto añadimos un mantenimiento predictivo y una estrategia de servicio proactivo en el edificio, puede suponer hasta un 20 % más de ahorro energético en comparación con la filosofía tradicional de “esperar hasta que se rompa”.
A fin de lograr estos objetivos es necesario analizar el edificio de una forma holística, en la que se analice desde los procesos que se dan en el edificio hasta el rendimiento de las instalaciones del mismo. En este contexto se produce la aplicación del gemelo digital en el edificio orientado a la eficiencia energética y mantenimiento predictivo.
El gemelo digital de un edificio es un modelo virtual del mismo, alimentado por una cantidad masiva de datos que genera el propio edificio y su entorno a lo largo de su ciclo de vida. Las especificaciones del edificio, el diseño, las características técnicas y el mantenimiento de este están recogidos en el Digital Twin (gemelo digital).
Digitalización del edificio
La digitalización del edificio es el primer paso que ha de abordarse en la creación del gemelo digital del edificio. Esta digitalización ha de realizarse a fin de lograr una gestión operativa integrada, eficiente y avanzada del mismo. La metodología BIM permite la generación de modelos geométricos y de información que representan de forma fidedigna la complejidad arquitectónica y de sistemas de un edificio.
- Integrada
Una gestión integrada de un edificio en cualquiera de sus fases del ciclo de vida requiere que la información dinámica y multidisciplinar existente en un edificio se encuentre estructurada, en un único modelo de información geométrica y de datos (modelo BIM), donde se integren los diferentes servicios del edificio (sistemas de calefacción y climatización, iluminación, controles de acceso y seguridad, consumo energético, entre otras).
- Eficiente
Se debe evolucionar hacia un sistema en el que los diferentes servicios de un edificio estén centralizados en un modelo digital del edificio, en el cual se pueda ver reflejado en tiempo real, la situación de todos los sistemas del edificio de forma simultánea y permita al gestor la actuación sobre los problemas detectados de forma holística, intuitiva y eficiente.
- Avanzada
La existencia de este modelo integral y eficiente permite al gestor del edificio contar con una herramienta digital para la monitorización y operación del edificio en tiempo real, a fin de realizar una gestión energética eficaz, una optimización de los procesos que se producen en el edificio y un mantenimiento predictivo de los sistemas existentes en el mismo.
A fin de dotar al edificio de una solución cognitiva que permita lograr esta integración eficiente y avanzada de los sistemas del edificio, es necesario contar con una arquitectura flexible que permita tanto la integración de los equipos de sensorización y control del edificio (IoT, PLCs, etc.) como los sistemas de análisis avanzado de la información adquirida por ellos (Big Data, Inteligencia Artificial).
Gestión energética en el gemelo digital
El Gemelo Digital del edificio permite en el ámbito de la eficiencia energética, mediante la monitorización de los estados de operación, subsistemas y componentes de este, la visualización en tiempo real de los consumos que se producen en un edificio, y las condiciones de confort de este. La visualización mediante el gemelo digital se consigue de una forma amigable y contextualizada en el contorno de acción del edificio.
Además, permite realizar las operaciones de actuación en los sistemas del edificio de forma intuitiva, actuando en el edificio virtual como si del real se tratara. Es posible ejecutar procesos de puesta a punto y puesta en marcha de forma eficiente y contextualizada, comprobando en tiempo real la respuesta de los sistemas y la nueva situación del edificio generada por la operación gestionada.
Mantenimiento predictivo en el gemelo digital
Como se ha indicado con anterioridad, un mantenimiento predictivo adecuado de un edificio puede reportar un ahorro en costes del orden de un 20 %.
El gemelo digital contribuye a conseguir un importante ahorro en los costes de mantenimiento, al permitir el desarrollo de sistemas de mantenimiento predictivo. Esta replica virtual del edificio real facilita en primer lugar la identificación en tiempo real de los problemas que se dan en el edificio, en segundo lugar realizar un análisis avanzado de los mismos, ya que se dispone de toda la información necesaria en el propio gemelo digital y en tercer lugar, planificar las acciones de ejecución más adecuadas y finalmente validar el resultado de las operaciones llevadas a cabo.
El disponer del gemelo digital, permite al gestor del edificio simular las diferentes acciones a llevar a cabo en el mismo, y seleccionar aquella que optimice el resultado.
La información que se centraliza en el gemelo digital del edificio conectada y organizada a una arquitectura de Big data e Inteligencia Artificial, permite la aplicación de algoritmos de mantenimiento predictivo y eficiencia energética.
KUBIK 4.0. Gemelo digital de edificio
La solución descrita se ha validado en un edificio real, para lo cual TECNALIA ha implantado la arquitectura del gemelo digital del edificio en un edificio real: KUBIK.
KUBIK nació hace 10 años como una infraestructura experimental creada para el desarrollo de nuevos conceptos, productos y servicios orientados a la mejora de la eficiencia energética, la seguridad, la calidad de vida de las personas y de sistemas de interactividad en los edificios.
Enmarcado dentro del driver de la transformación digital que se está produciendo en el sector de la construcción y con el objetivo de mejorar las ratios de la eficiencia energética y avanzar el ámbito del mantenimiento predictivo del edificio, KUBIK ha evolucionado transformándose hacia el concepto KUBIK 4.0, que integra un gemelo digital, convirtiéndose en el primer edificio europeo que cuenta con un completo modelo digital del edificio.
Es decir, KUBIK 4.0 cuenta con una réplica digital y exacta, tanto la parte física de la arquitectura y sistemas implementados en el edificio como de las actividades que se producen en tiempo real en el mismo. Pero además en KUBIK existe una completa interacción, entre el modelo BIM del edificio y el sistema de control del mismo.
Esta nueva versión de KUBIK 4.0 permite continuar con las funciones para las que fue diseñado, pero además proporciona un campo de pruebas donde poder aplicar técnicas de ciberseguridad, simulación de comportamiento energético, gestión autónoma del edificio, mantenimiento predictivo, blockchain, IoT (internet of things), IA (inteligencia Artificial) y Big Data.
Estas nuevas utilidades son posibles gracias al concepto Digital Twin implementado en KUBIK, que incluye además una arquitectura de almacenamiento de la información generada basada en Big Data, que permite el desarrollo de algoritmos que potencian el desarrollo tanto en el ámbito del mantenimiento predictivo como de la mejora de la eficiencia energética.
El gemelo digital creado de la infraestructura experimental de KUBIK permite dar un salto tanto cualitativo como cuantitativo en la gestión y explotación de edificios, permitiendo alcanzar mayores cotas de eficiencia tanto en la parte de la eficiencia energética como en el mantenimiento predictivo del edificio.
Con la implementación de un gemelo digital, el operador se beneficia de una alta fiabilidad y calidad de la información para una gestión operativa continua y de mayor confiabilidad.
