Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Inteligentes:
Autoras
- Silvia Sanjoaquín Vives, Miquel Balsells Luquin, Alejandra Sayans Jiménez & Francisco García-Luengo Manchado, Innovación Eficiencia Energética y Movilidad, Naturgy
- María Carnal Fusté, Innovación Smart Client, Naturgy
- Mª Carmen Guerrero Delgado, Servando Álvarez Domínguez, José Sánchez Ramos & Francisco José Sánchez de la Flor, Grupo de Termotecnia, AICIA (Universidad de Sevilla)
Resumen
El desarrollo de plataforma PIDIM permitirá proporcionar soluciones de valor añadido vinculadas a servicios energéticos de instalaciones de generación distribuida de electricidad, calor y frío en edificios terciarios. La principal ventaja de esta herramienta frente a otras existentes es que permite diseñar de forma rápida y sencilla nuevas soluciones energéticas complejas e innovadoras, que integran soluciones combinadas de equipos de alta eficiencia y energías renovables. Un ejemplo de ello es la presencia de un módulo específico en la herramienta para la simulación de un sistema de carga inteligente para vehículos eléctricos y su posterior conexionado a un sistema fotovoltaico con almacenamiento energético.
Palabras clave
Software, Diseño, Energía, Instalaciones, Rehabilitación, Terciario, Eficiencia, Optimización, Vehículo Eléctrico
Introducción
Las últimas directivas de la Unión Europea relativas a la eficiencia energética de los edificios establecen que, todos los edificios de nueva construcción deben ser de consumo casi nulo a finales de 2020. En la mayoría de los casos, estas directivas también se extenderán a edificios sujetos a rehabilitaciones profundas.
En este escenario, los edificios dejan de ser unos simples consumidores de energía de la red, convirtiéndose también en pequeños núcleos de producción y almacenamiento de energía con un elevado aporte de energías renovables. Por lo tanto, se presenta un nuevo marco donde las instalaciones energéticas de los edificios van a convertirse en sistemas de una alta complejidad.
En este contexto, es necesario ofrecer en el mercado de la edificación soluciones complejas integrales que tengan en cuenta no sólo las actuaciones de mejora de la eficiencia, tanto pasivas (mejora envolvente) como activas (mejora equipamientos) sino también la integración de energías renovables junto con almacenamiento energético en el edificio.
Los edificios nuevos, así como los edificios que se rehabiliten en los próximos años, se caracterizarán por poseer unas instalaciones y sistemas que permitirán una gestión integrada y automatizada de casi todas las funcionalidades del edificio. El uso de sistemas de monitorización y control por parte del usuario final es clave para asegurar la eficiencia de las medidas implantadas y facilitar el autoconsumo de energías renovables, ya que permite que el usuario pueda tomar decisiones adecuadas en base a la información y que, además, dicha información pueda ser utilizada para analizar posibles ineficiencias y mejoras necesarias. Además, cabe destacar que se espera la aparición de nuevas demandas en los edificios, como puede ser la demanda de electricidad asociada a vehículo eléctrico, por lo que se necesitan herramientas que puedan estimar de manera global las necesidades energéticas, para poder diseñar correctamente las soluciones más adecuadas para la rehabilitación de los edificios.
La figura de las empresas de servicios energéticos es de gran relevancia para la evolución de los edificios existentes a edificios de energía casi nula, ya que se tratan de intervenciones de elevada complejidad técnica y las inversiones asociadas son elevadas. El modelo de servicios energéticos permite que la financiación no sea hecha directamente por el propietario o usuario del edificio, y que el retorno de las inversiones sea hecho a través de la factura energética durante la duración del contrato. Este modelo, además, permite ofrecer garantía de ahorros energéticos.
Por ello, se presenta una oportunidad para el desarrollo de una nueva solución que sea capaz de conocer al consumidor en condiciones reales medidas, y proporcionarle una solución óptima de mejora de eficiencia y generación distribuida para su edificio. Esta generación no solo debe acometer la demanda de electricidad, sino que también debe generar calor y frío, junto con la integración de las tecnologías existentes en la instalación. Todo ello maximizando el uso de recursos renovables gestionados a partir de la existencia de almacenamiento térmico y eléctrico.
Plataforma PIDIM
Concepción global de la solución
La solución propuesta es una plataforma informática sobre la nube que, recibiendo datos como el consumo del cliente (edificio o conjunto de edificios, restricciones técnicas/económicas, datos climáticos y los datos históricos de consumo, ya sea procedente de facturas o de monitorización), permitirá:
- Diseño y dimensionado de instalaciones de generación distribuida de electricidad, calor y frío: a partir de un catálogo de modelos para las diferentes tecnologías.
- Anteproyecto básico: esquemas de principios, presupuesto y mediciones orientativas.
- Módulo M&V: obtener la línea base y patrones de consumo del cliente y, a partir de ellos, caracterizar el comportamiento energético del edificio. Medición y evaluación del ahorro energético.
- Módulo de replicabilidad: disponer de una base de conocimiento que permita tomar decisiones in situ sobre el potencial y la viabilidad de intervenciones en nuevos proyectos.
Por tanto, la plataforma inteligente proporciona soluciones automáticas en las dos etapas o fases del proyecto. La fase I de diagnosis, montaje del sistema de gestión energética, toma de decisiones básicas y anteproyecto de instalaciones de multigeneración y la fase II, en la que una instalación ya está en uso y se puede medir y verificar los ahorros y detectar ineficiencias, proponiendo posibles nuevas mejoras a implantar en el edificio. Esto, es un aspecto innovador de esta herramienta, ya que se dispone de una única herramienta versátil que puede ser utilizada en toda la vida útil de un proyecto de rehabilitación. Los principales puntos diferenciadores de la plataforma son la caracterización del edificio y sus instalaciones a partir del análisis de datos medidos y la simulación de las diferentes soluciones considerando en la modelización una extensa base de datos de fabricantes.
Diseño y funcionalidades de la herramienta
Como se ha comentado, la herramienta podrá ser utilizada en toda la vida útil del proyecto ya que, además de ayudar en el diseño y dimensionado de la instalación energética del edificio en la fase del anteproyecto, incorporará un módulo de medida y verificación de ahorros que va a permitir validar la solución durante la fase de explotación, detectando posibles ineficiencias y proponiendo nuevas mejoras. A continuación, se exponen las funcionalidades y características generales de la plataforma en cada una de de las etapas comentadas anteriormente.
Diseño y dimensionado de la instalación energética
PIDIM tiene un amplio rango de aplicación, pues permitirá caracterizar la demanda energética de una gran variedad de edificios del sector terciario, en particular de hoteles, oficinas, escuelas, residencias, hospitales, centros deportivos o centros/locales comerciales. En el caso de que el edificio a analizar sea un nuevo cliente, la demanda energética se caracterizará a partir de un número reducido de datos y de los modelos existentes en el motor de cálculo de la herramienta. En el caso de que el edificio a analizar sea un cliente actual de servicios energéticos de GNF, la herramienta permitirá el uso de datos horarios monitorizados de la propia instalación para la caracterización de las demandas mediante los modelos disponibles en la herramienta para cada tipología de edificio.
El análisis energético de las diferentes soluciones de generación distribuida de electricidad, calor y frío estará basado en una serie de esquemas de principio flexibles provistos de estrategias de control avanzadas definibles por el usuario del software. La herramienta presenta una cierta inteligencia para adaptarse a perfiles de usuario muy diversos, sin necesidad de ser expertos en la gran diversidad de tecnologías de generación distribuida de calor, frío y electricidad que se pueden evaluar.
En la plataforma se integrará un Motor de Simulación que siga los principios del Building Information Modelling (BIM), que de manera resumida son: uso de ficheros de datos en formato Industry Foundation Clases (IFC), interoperabilidad, rapidez de cálculo etc.
Las principales características del motor de simulación son:
- Interoperabilidad: capacidad de uso de programas externos para suministrar datos de entrada y para evaluar los resultados. Es decir la herramienta es autónoma y presenta un conjunto de motores de cálculo independientes (BIM).
- Flexibilidad: capacidad de simulación de edificio/s y sistema/s de diversos tipos (convencionales, captación solar térmica o fotovoltaica, almacenamiento térmico y eléctrico, sistemas de absorción, cogeneración, infraestructura de carga de vehículo eléctrico, etc.) integrando módulos de cálculo realizados con distintas herramientas, permitiéndose así la co-simulación.
- Replicabilidad y facilidad de uso: El Motor de Simulación debe permitir la integración de módulos de cálculo propios y externos (FMU) de manera fácil. Para ello El Motor de Simulación cuenta con un Editor de Conexiones que será una herramienta adicional, de ayuda al usuario, que sirve para generar/modificar el fichero IDF/ODF (archivos de entrada y salida de EnergyPlus) escribiendo la información acerca de las variables que son de salida de un cierto FMU y entrada a otro, o a módulos de cálculo integrados al Motor de Simulación.
- Rapidez de cálculo (generación/calibración de modelos simplificados): Los principales módulos de cálculo del programa cuenta con una versión detallada y otra simplificada. Esta última se calibrará inicialmente para que en tiempo real pueda usarse dando una respuesta rápida y suficientemente precisa. De tal forma que la herramienta permita integrar todas las fases del proyecto: básico, ejecución y seguimiento/verificación.
Módulo medida y verificación
Un problema crítico para los edificios existentes consiste en evaluar el ahorro de energía cuando se realiza alguna mejora sobre el mismo. Este proceso se conoce como M&V (Medición y Verificación de ahorros). M&V puede ser bastante costosa y llevar mucho tiempo. Hoy en día, en la línea de edificios inteligentes, han aparecidos nuevas herramientas, sistemas y técnicas relativamente baratas para la medición y recopilación de datos. Sin embargo, es una deficiencia extendida el no realizar un análisis consistente y útil de estos datos. Por ello ha aparecido una nueva teoría de M&V 2.0 o M&V avanzado, dónde además de tener el objetivo de medir y verificar ahorros, se reclama un tratamiento automático de los mismo, y autoprendizaje del sistema de gestión para extraer el valioso conocimiento de la realidad medida en los edificios. En el marco de este trabajo, se ha desarrollado un novedoso algoritmo que permite una reducción significativa del error cometido en la estimación de la evaluación del ahorro respecto al enfoque convencional del procedimiento. De este algoritmo destaca la necesidad de pocos datos para su ajuste, su elevada precisión para caracterizar no solo el consumo del edificio, sino la respuesta del mismo en función de la temperatura del aire interior (confort). Este algoritmo depende del comportamiento del usuario, de las condiciones climáticas y sobre todo de las condiciones interiores.
Asimismo, PIDIM no acaba con la implantación de la mejora, sino que la plataforma dará solución a las nuevas tendencias de la gestión energética mediante la implantación del algoritmo en la plataforma. Esto convierte al algoritmo además de una solución para la línea base de M&V, en una herramienta para gestión energética en tiempo real por su trabajo sobre la nube.
Módulos específicos para la integración de nuevas demandas en edificios terciarios con generación distribuida y autoconsumo
Módulo vehículo eléctrico
Con el incremento del precio de los combustibles y la mayor concienciación de población, empresas y gobiernos sobre el cambio climático, el coche eléctrico se está convirtiendo en una realidad. Durante los últimos años las ventas de vehículos eléctricos se han acelerado y, se prevé, que este crecimiento sea cada vez más elevado. Tanto es el impacto de este tipo de vehículos que la administración ya exige que los párquines de las nuevas construcciones estén habilitados para albergar cargadores para vehículos eléctricos.
Ante esta situación, la herramienta PIDIM va a incorporar un módulo específico que va a permitir la simulación de un sistema de carga inteligente para vehículos eléctricos. Debido a que se trata de una demanda emergente y que la solución a implantar en los edificios evolucionará dráticamente en los próximos años el objetivo de este módulo no es el de dimensionar un campo de cargadores mediante optimizaciones de carácter económico, sino que consiste en el cálculo de la curva de consumo para un campo de cargadores eléctricos dado, según los requerimientos que existan por parte de los usuarios del edificio.
Así pues, una vez definidas las características del edificio, el usuario deberá introducir una serie de datos o información que permitan a la herramienta el cálculo de la curva de consumo del campo de cargadores. Los parámetros a introducir por el usuario deberán ser:
- Número de cargadores eléctricos: El gestor del edificio va a ser quien decida cómo se va a dimensionar el campo de cargadores en función de su criterio y sus necesidades.
- Tipos de uso de los cargadores: Se deberá seleccionar si los cargadores van a ser utilizados para la carga de los vehículos de los usuarios del edificio (en el caso de oficinas, los trabajadores) o, por el contrario, si van a ser utilizados para la carga de los vehículos pertenecientes a una flota propia (en el caso de oficinas, coches de empresa).
Una vez definidas las características del campo de cargadores, mediante una simulación, el módulo será capaz de obtener la curva de consumo anual de dicho campo. En el proceso de simulación será donde se incorporarán y se integrarán con el edificio, todos los protocolos e inteligencia de control que este tipo de cargadores requieren. Concretamente, dado las actuales limitaciones de potencia de la red (sobre todo en grandes ciudades), será imprescindible establecer en la simulación, un control dinámico inteligente de la carga de los vehículos, adaptando la carga de estos a la potencia disponible en el edificio en cada momento y balanceándola para conseguir un nivel de carga óptimo en cada uno de los vehículos.
Además, la herramienta dispondrá de un módulo adicional que, en caso que se desee, permitirá integrar el campo de cargadores para vehículos eléctricos con un campo de captadores fotovoltaicos con almacenamiento, pudiendo ofrecer así una solución integrada y cien por cien renovable.
Sistemas de producción eléctrica renovable
Para el diseño y dimensionado de este sistema se han elaborados una serie de nuevos modelos implícitos para la caracterización inversa del comportamiento de módulos fotovoltaicos y baterías eléctricas. Estos modelos son identificados a partir de los datos disponibles en los catálogos de los fabricantes. Estos modelos, acoplados, permiten disponer de una herramienta de evaluación energética de sistemas de producción eléctrica mediante paneles fotovoltaicos con o sin almacenamiento, pero que responden a la realidad comercial de los fabricantes y son sensibles a sus prestaciones. En esta misma línea, este modulo, en fase de diseño, puede ser acoplado a los servicios reales y medidos que se quieren cubrir (autoconsumo), a las nuevas necesidades que se planteen (movilidad eléctrica) e incluso al sistema de gestión que optimiza los flujos de energía y su precio. De esta forma, se crean funcionalidades en la plataforma que aumentan la rentabilidad y credibilidad de las nuevas soluciones que requieres las nuevas normativas.
Beneficios
El uso de esta herramienta de diseño y dimensionado va a tener un impacto muy positivo en los gestores y/o propietarios de esta tipología de edificios.
- La herramienta dispone de algoritmos de optimización que buscan ofrecer las mejores soluciones tanto en términos económicos como de eficiencia, lo que va a permitir ofrecer siempre soluciones más ajustadas al usuario final.
- La herramienta ofrece varios modos de uso, algunos de ellos requieren un gran nivel de detalle y otros son mucho más simplificados. Esta simplicidad permitirá realizar estudios y ofrecer propuestas al usuario en períodos muy cortos de tiempo.
- Otro aspecto clave va a ser que, una vez haya finalizado el proyecto, con el módulo de verificación de ahorros, el gestor o propietario del edificio podrá comprobar si las actuaciones que se han llevado a cabo están generando o no los ahorros previstos y actuar en consecuencia.
Además, la creciente complejidad de las instalaciones energéticas va a requerir de softwares como el presente para poder diseñar y dimensionar con ciertas garantías las instalaciones energéticas futuras. La realidad es que la construcción en España presenta valores muy bajos de eficiencia energética y, el número de rehabilitaciones que se están realizando, es muy inferior al que debería ser si se quieren llegar a cumplir los objetivos energéticos marcados por la Unión Europea. Con los beneficios que aporta esta herramienta se espera incentivar las rehabilitaciones energéticas de los edificios e incorporar, a edificios existentes, tecnologías más limpias y eficientes, repercutiendo de forma positiva en el sistema energético y reduciendo el impacto ambiental actual.
Plazos del proyecto
El proyecto se inició en enero de 2017 y está previsto que la herramienta esté finalizada en diciembre de 2018.
Referencias
- Smart Buildings in a decarbonised Energy system. BPIE.