Comunicación presentada al II Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Víctor Iván Serna González, Investigador, Fundación CARTIF
- José Luis Hernández García, Investigador, Fundación CARTIF
- Álvaro Corredera Cano, Investigador, Fundación CARTIF
- Francisco Javier Miguel Herrero, Investigador, Fundación CARTIF
- Roberto Sanz Jimeno, Investigador, Fundación CARTIF
- Jesús García Domínguez, Coordinador, ACCIONA
Resumen
Actualmente el stock de edificios tiene un elevado margen de mejora, sobre todo teniendo en cuenta los requisitos actuales para cumplir con la directiva de eficiencia energética de edificios. Así, el trabajo aquí presentado muestra un sistema de gestión energética de edificios (BEMS) para controlar soluciones tecnológicas innovadoras para fachada ventilada. En este caso, el BEMS balancea el uso de energía a través de recuperadores de calor, así como ganancias obtenidas gracias a sistemas de sombreado y la caldera de gas. El principal objetivo es reducir el consumo energético de la caldera a través de un sistema efectivo en costes y adaptable. Para ello, se integra un sistema inteligente para la toma de decisiones de modo que se asegure una banda de confort en el interior del edificio, mientras que se maximiza el uso de fuentes renovables de calor.
Introducción
La directiva de eficiencia energética de edificios describe unos requisitos que no se cumplen en muchos casos en los edificios de España o de Europa. Por otra parte, la directiva de eficiencia energética (EPBD) ha establecido un nuevo marco a nivel Europeo para la rehabilitación de edificios entre cuyos objetivos está la renovación del 3% de los edificios del gobierno central además de una formulación de estrategia para esa renovación de edificios (EC, 2015). Desde esta perspectiva la rehabilitación de edificios adquiere una importancia manifiesta por lo que se considera la necesidad de presentar una solución avanzada y fiable.
La combinación de soluciones activas y pasivas ofrece muy buenos resultados dentro de la rehabilitación de edificios para el aumento de la eficiencia energética. Por ello, complementar soluciones pasivas de fachada con otras soluciones activas, como es la introducción de un sistema de gestión, potenciará el impacto de las tecnologías implantadas.
El sistema aquí propuesto está basado en los trabajos que se están desarrollando dentro del marco del proyecto BRESAER (GA 637186) (BRESAER, 2015) proyecto cofinanciado por la Comisión Europea por el programa H2020. El sistema planteado en el proyecto tiene el objetivo de ofrecer una solución para rehabilitación de la cubierta del edificio con el objetivo de reducir la energía necesaria para el funcionamiento del edificio.
Las soluciones estudiadas en el proyecto que permitirán un aumento de la eficiencia energética son las siguientes:
- Ventanas dinámicas con capacidad hermética de un modo automático y controlado, y con persianas que combinan estrategias de ahorro energético y confort en iluminación teniendo en cuenta la radiación solar en tiempo real.
- Paneles de aislamiento multifuncionales y multicapa hechos de hormigón reforzado con fibra de alto rendimiento.
- Recubrimiento combinando sistemas fotovoltaicos y de calentamiento solar de aire para calentamiento y ventilación de interiores, aislamiento térmico y generación de electricidad.
- Módulo de fachada ventilada, ligero y multifuncional.
- Generación Fotovoltaica integrada en edificios con cubierta autolimpiable y termoreflexiva.
- Sistema de gestión de la energía (BEMS) cuyo objetivo es balancear la carga térmica entre las diferentes soluciones, controlando las soluciones integradas, principalmente las ventanas dinámicas y el aire caliente procedente del recubrimiento. Para ello, el edificio adquiere un cierto nivel de inteligencia a través de sensorización en tiempo real y adaptación dinámica al medio y a las necesidades. Dicho sistema de gestión inteligente es el principal tópico de este artículo.
Soluciones y tecnologías existentes
Actualmente existen en el mercado algunos sistemas de gestión de energía comerciales que ofrecen diversas funcionalidades como pueden ser la monitorización energética, la generación de informes sobre el consumo energético y la gestión de los proyectos de eficiencia energética entre otros. Estas soluciones están disponibles para una amplia variedad de áreas de aplicación: residencial, complejos de edificios, minería, industria, comercio, sector terciario, alumbramiento público, coche eléctrico, Smart Grid, Smart Cities y gestores energéticos.
En la siguiente tabla (Tabla I) se muestran algunas de estas soluciones comerciales con algunas de las características (Smarkia, 2015) (NETxAutomation, 2015) (OpenDomo, 2015). Como se puede observar el sistema BEMS propuesto ofrece algunas funcionalidades que no se pueden encontrar actualmente en el mercado.
Como se puede ver en la tabla, muchas soluciones permiten la conexión de dispositivos de diferentes protocolos y la posibilidad de generar informes automáticos. Sin embargo, no todas las soluciones ofrecen KPIs (Key Performance Indicators), es decir, valores procesados a partir de los datos monitorizados que nos permiten evaluar el rendimiento y funcionamiento del sistema. Además ninguna herramienta comercial ofrece mecanismos de control predictivo como el que se desarrollará en el proyecto BRESAER. Por último, el sistema BRESAER también integra la Internet de las Cosas dentro de edificación. Es decir, recolección de toda aquella información tanto estática como dinámica asociada a un edificio a su comportamiento térmico, como puede ser geometrías, datos de monitorización y predicción meteorológica, entre otros. Con todas estas características, el sistema BRESAER consigue aunar todas ellas en una única solución que funciona mediante algoritmos inteligentes para la toma de decisiones basado en control avanzado y herramientas predictivas.
Concepto
El objetivo del proyecto es desarrollar una metodología para la rehabilitación de edificios a través de diversos sistemas de fachada y articulados a través de un sistema de gestión energética de edificios (BEMS) que permitirá un control optimizado de los sistemas activos en el edificio. La idea es instalar un sistema que será desplegado en la envolvente existente, y que contendrá distintos elementos de anclaje fijados en vigas, esquinas o muros. Después de esta estructura se añadirá una capa aislante externa que se une directamente sobre la envoltura existente mejorando así la transmisión térmica a través de la fachada y el techo. Posteriormente los perfiles verticales y horizontales se fijan a los elementos de anclaje y permitirán la instalación de los diferentes componentes de la envolvente que se están desarrollando en el proyecto.
Dentro de este marco, soluciones activas y pasivas son entremezcladas para conseguir un ahorro energético junto con un sistema de monitorización y el BEMS que dotará al edificio de inteligencia. El concepto del sistema está detallado en la Figura 1, en la que el sistema central es el BEMS que tiene en cuenta las múltiples soluciones para otorgar una mayor capacidad de decisión.
En primer lugar, el BEMS se comunica con la red de sensores y actuadores instalada en el edificio para obtener el estado instantáneo, así como un histórico de valores, de manera que se pueda determinar el comportamiento térmico (consumos y confort). Por otro lado el aislamiento, pese a ser una solución pasiva sobre la que no se pueden realizar acciones, afecta al comportamiento térmico del edificio y por lo tanto tiene que ser tenido en cuenta. Respecto a soluciones activas una de las principales tecnologías es un sistema de recubrimiento de calentamiento solar de aire para climatización y ventilación de interiores. Se trata de un panel microperforado que actúa como colector solar, calentando el aire que fluye en el interior de la cavidad para inyectarlo a una unidad de tratamiento de aire (UTA) que distribuye aire caliente por el edificio. Esta tecnología se combina con una solución de ventanas dinámicas con persianas motorizadas que serán controlados teniendo en cuenta la posición del sol y el confort interior a la vez que el ahorro de energía.
El control automático de estas persianas permitirá el ahorro en invierno y en verano ya que evitarán el sobrecalentamiento y el exceso de iluminación, otro aspecto a tener en cuenta en el control del BEMS como se observa en la figura. Además otra capacidad es la posibilidad de cierre hermético de un modo automático y controlado, permitiendo el sellado para evitar pérdidas de calor. Por último, los sistemas existentes en el edificio (en este caso la caldera) han de ser tenidos en cuenta, puesto que, para evitar sobrecalentamientos y reducir el consumo energético, el BEMS tiene que balancear todas las soluciones como un conjunto.
Dicho BEMS, apoyado en la red de monitorización y control, va a dotar al edificio de la inteligencia para conocer el estado térmico y realizar toma de decisiones dinámica. De esta manera, en función de las medidas tomadas, integración de predicción y condiciones exteriores, el BEMS, a través de algoritmos inteligentes, balanceará las diferentes aportaciones térmicas para obtener un mayor beneficio al confort de los usuarios, a la vez que se reduce el consumo térmico o, al menos, se sustituyen las fuentes actuales por otras más limpias, como las descritas anteriormente. La demostración se realiza sobre un edificio en Ankara (Turquía) del año 1990, con un área de 1800 m2. Es un edificio de tres plantas más un sótano. En cuanto al aspecto térmico actualmente, dispone de una única caldera para aportar calor a través de radiadores, mientras que el aporte de frío se realiza por sistemas de aire acondicionados individuales en algunas de las salas.
Solución BEMS
Un BEMS puede definirse como un sistema de control efectivo basado en costes que actúa en edificios monitorizando y controlando los equipos mecánicos y eléctricos como pueden ser los de iluminación, climatización y sistemas de seguridad entre otros (Cser, J et. all, 1997). Además un BEMS también es un sistema inteligente de información complejo, multinivel, multiobjetivo, integrado y completo. Un sistema de gestión de este tipo debería tener cuatro funciones básicas: monitorización, control, optimización y generación de documentación procesada.
Los BEMS cada vez son más usados en edificios para la gestión de los servicios de energía y pueden representar hasta un 40% en el ahorro de energía en el edificio (NETxAutomation, 2015). Con el objetivo de conseguir el máximo ahorro de energía posible, el BEMS desarrollado en el marco del proyecto BRESAER está siendo diseñado para controlar todos los componentes activos del edificio, como se ha comentado en el apartado anterior.
El BEMS, dentro del marco de este proyecto, tendrá en cuenta la demanda energética para balancear las diferentes fuentes de energía y así, por un lado, asegurar las condiciones de confort y, por otro lado, disminuir el consumo final de energía. El funcionamiento del BEMS se basa en la red de monitorización, que recogerá la información de consumo energético y de confort. Además en esta red coexistirán dispositivos de actuación, que permitirán implementar las distintas estrategias de control. En este aspecto, algunas salas representativas han sido seleccionadas para obtener los valores de confort: temperatura, humedad, CO2 y luminosidad. Adicionalmente, los consumos eléctricos a los sistemas de iluminación de estas salas y sus fan-coils también son recogidos. Por último, los consumos térmicos y eléctricos a nivel global del edificio se obtienen para determinar el comportamiento histórico y los valores instantáneos en los que se basan la toma de decisiones.
Para tal fin, se ha diseñado una arquitectura como la que se detalla en la Figura 2. Se trata de un BEMS multicapa que integra múltiples drivers para la recolección de los datos asociados a las fuentes necesarias, como por ejemplo, la red de monitorización o servicios de predicción meteorológica. De esta manera, el BEMS mide toda aquella información útil en lo que se puede considerar como Internet de las Cosas asociada a un edificio. Además, la capa de integración permite armonizar todas las medidas en un modelo de datos común, de manera que las comunicaciones en capas de alto nivel puedan realizarse de la misma manera, dotando al sistema de un conocimiento sobre el contexto. Por último, cabe destacar los servicios de alto nivel donde se ubican los algoritmos inteligentes de control y que son los que van a dotar de inteligencia al edificio para adaptarse dinámicamente a las condiciones.
Respecto a los servicios de alto nivel mencionados anteriormente, el BEMS implementa estrategias de control para balancear, de forma optimizada, las fuentes activas de energía y reducir, así, el consumo energético al mismo tiempo que se asegura el confort. En este aspecto, el BEMS actúa en la UTA para inyectar, cuando sea necesario, aire pre-calentado en los días de invierno con el objetivo de climatizar las diferentes salas del edificio. Asimismo, el BEMS hace uso de calentamiento térmico que se puede obtener del sol para incrementar la temperatura y/o la luminosidad interior cuando sea requerido e interceptará el sol directo cuando no se necesite o debido a deslumbramientos.
Otra de las características de los servicios inteligentes proporcionados por el BEMS es la capacidad de evaluación de los parámetros térmicos mediante el uso de algunas herramientas de medida y verificación. En este aspecto, el BEMS calculará datos agregados basados en las medidas de monitorización para determinar un conjunto de KPIs que caracterizan el rendimiento térmico. Esta información, junto con datos de monitorización de sensores y actuadores, es automáticamente calculada y reportadas a través de documentación generada por el propio BEMS. Dentro de los informes, el BEMS también es capaz de proporcionar una guía de mejores prácticas en cuanto al uso de la energía en base al aprendizaje propio del sistema después de cada una de las iteraciones para incrementar el rendimiento energético. Por último, el BEMS es capaz de generar alarmas en función de malos comportamientos del edificio, detección de errores, etc., que dotan con mayor nivel de inteligencia a la solución BRESAER.
En resumen, el BEMS de la solución BRESAER hace de un edificio un sistema inteligente desde el punto de vista de varios aspectos:
- Control avanzado y predictivo de manera que el edificio se adapta dinámicamente a las condiciones actuales.
- Aprendizaje de acciones correctivas llevadas a cabo para incrementar el porcentaje de éxito en siguientes iteraciones.
- Capacidad de evaluación dinámica del sistema a través de KPIs para generar informes de manera informativa al usuario final.
- Generación de alarmas para el mantenimiento de las instalaciones del edificio.
Beneficios Esperados
El principal beneficio de la renovación de un edificio siguiendo el procedimiento descrito es una reducción de aproximadamente el 70% en el consumo de energía primaria. Aunque parte de este decremento se debe a soluciones pasivas de aislamiento que reducen la demanda térmica del edificio, una parte importante de esta reducción vendrá dada por la aportación del BEMS, tanto por el control de las soluciones activas como por la implementación de las estrategias de control predictivo.
En contraste, otro beneficio aportado por el BEMS aparte del ahorro de energía, es la mejora del confort de los usuarios del edificio, tanto por la climatización, como por la iluminación e incluso calidad del aire y confort acústico. El uso de las herramientas avanzadas de control permite integrar variables avanzadas en la toma de decisiones que favorecen el confort del usuario final. Las estrategias de control siempre actúan cuando se cumplen las condiciones de confort, en otro caso se busca una nueva interacción del algoritmo que asegure una reducción en el consumo a la vez que el confort.
Además, el BEMS aporta inteligencia al edificio, transformándolo desde un sistema pasivo, a un sistema activo e interactivo. En concreto, el edificio consigue la capacidad de adaptarse dinámicamente a cambios y de aprender a partir de acciones correctivas que hayan sido necesarias. Así mismo, se mejora la experiencia del usuario a través de generación de documentación e informes, incluyendo guías de mejores prácticas en cuanto al uso de la energía.
Por último, debido a su diseño y como un objetivo del proyecto, es demostrar la replicabilidad de la solución en otros edificios. Para ello, se ha diseñado un sistema modular y adaptable a través de los diferentes drivers que permitan la comunicación con diferentes protocolos y soluciones de manera que sean prácticamente plug&play. Además, esta modularidad incrementa la escalabilidad para incorporar nuevas soluciones mediante nuevos drivers o componentes, utilizando comunicaciones estándares, sin tener que modificar ningún otro componente del BEMS. Así mismo, es adaptable a diferentes regiones de Europa a través de los servicios meteorológicos Web y la aplicabilidad de los modelos de simulación en diferentes zonas.
Conclusiones
El trabajo aquí expuesto propone realizar una metodología de rehabilitación que, aprovechando las oportunidades que ofrece la situación actual en materia de rehabilitación de edificios, consiga integrar distintas tecnologías en un mismo edificio, complementado las reformas estructurales con un BEMS que controlará y optimizará las los sistemas de control de climatización e iluminación, mejorando el confort y permitiendo a la vez un ahorro en costes.
El BEMS tendrá más capacidades que las usualmente disponibles para un BEMS convencional como son la gestión de los sistemas del edificio de manera optimizada y el control de las soluciones específicas: las ventanas automatizadas y la salida del recubrimiento de calentamiento solar de aire. Y tendrá además capacidad automática de evaluación del sistema a través de KPIs con los que se generarán informes con información para el usuario final.
Agradecimientos
Se agradece a los socios y participantes del consorcio del proyecto BRESAER(GA 637186) su colaboración en el proyecto que están haciendo posible de esta manera los trabajos mostrados en la presente Comunicación, y en especial a ACCIONA INFRAESTRUCTURAS S.A., que realiza la coordinación de dicho proyecto.
Además queremos expresar el agradecimiento a la Comisión Europea ya que el proyecto BRESAER ha sido cofinanciado dentro de su programa H2020.
Referencias
- Abdulmohsen, Al-Hammad, Building management system (BMS), College of environmental design (Visitada en Julio de 2015).
- BRESAER project, BREakthrough Solutions for Adaptable Envelopes in building Refurbishment, (visitada en Agosto de 2015).
- Cser, J. , Beheshti R. & van der Veer, P., 1997, Towards the development of an integrated building management system, in: Innovation in Technology Management – The Key to Global Leadership, PICMET ’97: Portland International Conference on Management and Technology, 1997, pp. 27-31.
- European Commission, Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) – Concerted Actions (visitada en Agosto de 2015).
- NETxAutomation, http://www.netxautomation.com/, NETx BMS Server 2.0 (visitada en Julio de 2015).
- OpenDomo, Sistemas de control de energía (visitada en Agosto de 2015).
- Smarkia, Smarkia 5001 (visitada en Agosto de 2015).