Desarrollo de un Sistema para la mejora de la Eficiencia energética en edificios basado en Técnicas de Cloud Computing

Comunicación presentada al III Congreso Edificios Inteligentes:

Autor

• Daniel Rodríguez, Director Técnico, Ingenium Ingeniería y Domótica

Resumen

El proyecto SIETEC, planteado por Ingenium y la Universidad de Oviedo, persigue el diseño y desarrollo de un nuevo sistema para la mejora de la eficiencia energética basado en técnicas de cloud computing.  SIETEC consiste en el desarrollo de un sistema, compuesto por un conjunto hardware-software, que pueda ser instalado a nivel colectivo (edificios residenciales y/o de oficinas) e individual (vivienda, despacho, departamento o área). Este sistema, basándose en los nuevos desarrollos en técnicas de cloud computing permitirá captar, tratar y transmitir la información recogida con el fin de maximizar su utilidad.

Este proyecto contribuirá al crecimiento del concepto Smart City y los edificios nearly Zero Energy Buildings.

Introducción

La apuesta por la eficiencia energética es ya una realidad en los países desarrollados. Los Gobiernos han promulgado legislación al respecto, fijándose ambiciosos objetivos en el medio plazo. Fiel reflejo de esta tendencia internacional es la Directiva 2010/31/UE que impulsa lo que se ha dado en llamar “nearly Zero Energy Buildings” (en adelante nZEB) o edificios con consumo energético casi nulo.

Consciente de las nuevas tendencias del mercado y de la creciente conciencia social respecto a la implantación de soluciones energéticas medioambientalmente sostenibles, Ingenium y la Universidad de Oviedo ponen en marcha el presente proyecto de I+D+i que persigue el diseño y desarrollo de un nuevo sistema para la mejora de la eficiencia energética basado en técnicas de cloud computing.

Fruto del conocimiento exhaustivo de su sector, Ingenium detecta la necesidad de ir más allá en el desarrollo de la domótica para convertirla en un medio que contribuya a alcanzar el objetivo de edificios nZEB.

Actualmente, existe una clara tendencia en los fabricantes de equipos y aparatos eléctricos hacia la búsqueda de soluciones que reduzcan el consumo energético de los mismos, sin embargo, estas soluciones por si mismas no generan un cambio de conciencia social. Es necesario facilitar al consumidor las herramientas para conocer realmente las particularidades de sus consumos y cómo una racionalización y ordenación de los mismos puede contribuir a mejorar la eficiencia energética de su vivienda y/o lugar de trabajo.

Así mismo, la nueva tendencia mundial en lo que a organización de ciudades se refiere, que potencia la aplicación de tecnologías de la comunicación y la información con el objetivo de crear ciudades sostenibles que respondan a las necesidades de sus ciudadanos (Smart Cities o ciudades inteligentes) y la creciente implantación del concepto Smart Grid, demandan que las nuevas tecnologías se integren en esta nueva realidad virtual y la mejora forma de lograr esta integración es basando los nuevos desarrollos en técnicas de cloud computing que permitan captar, tratar y transmitir la información recogida con el fin de maximizar su utilidad.

El proyecto SIETEC, planteado por Ingenium y la Universidad de Oviedo dará respuesta a una demanda real, contribuyendo al crecimiento del concepto Smart City y los edificios nZEB, y favoreciendo la consecución de los objetivos fijados internacionalmente en lo que a eficiencia energética se refiere.

Objetivos del proyecto

En la Unión Europea, los edificios contribuyen con aproximadamente un 40% del consumo de energía y un 36% de las emisiones. Por ello constituyen un ámbito prioritario de actuación en la búsqueda de la reducción de la dependencia energética de la UE y de la minimización de los impactos ambientales. Ante esta situación cualquier acción encaminada a reducir el consumo de energía o incrementar la eficiencia de los edificios constituye una medida de gran impacto en el conjunto de Unión Europea.

El giro hacia la filosofía nZEB de consumo energético en los edificios, requiere una profunda transformación en varios sectores involucrados. Será necesario, por una parte, que se construyan edificios más eficientes en lo que respecta al aislamiento térmico, el desarrollo de tecnologías de consumo más eficientes, la inclusión en los edificios de sistemas de acumulación y producción distribuida basados en energía renovables y la inclusión de redes inteligentes que permitan la bidireccionalidad de la información para su manejo en tiempo real y que además posibiliten la participación activa de los usuarios en la red. La gestión de la demanda energética se convertirá en una herramienta que permitirá optimizar los activos de generación, transporte y distribución y, por tanto, contribuir a mejorar la eficiencia y sostenibilidad del sistema eléctrico.

La Eficiencia Energética Activa se define como la implementación de cambios continuos mediante medición, monitoreo y control del uso de la energía. Por otro lado, la Eficiencia Energética Pasiva se refiere a la implementación de medidas correctivas para evitar pérdidas de energía a través de retrofits, adquisiciones de equipos bajos en consumo, etc. Si se pretenden alcanzar los objetivos fijados por la UE en materia de nZEB es indispensable utilizar equipos y dispositivos que ahorren energía (Eficiencia Pasiva), sin embargo, esta medida por sí misma resulta insuficiente sin los mecanismos de control apropiados.

El objetivo general que persigue el proyecto SIETEC es, pues, el desarrollo de un sistema de eficiencia energética activa, basado en una gestión eficiente de la demanda, compuesto por un conjunto hardware-software, que podrá ser instalado a nivel colectivo (edificios residenciales y/o de oficinas) e individual (vivienda, despacho, departamento o área) y que realizará la mayor carga computacional y el almacenaje en la nube.

Este sistema contribuirá a conseguir el cambio de mentalidad en los consumidores finales, poniendo a su disposición: información sobre el impacto que sus hábitos de vida tienen sobre el consumo de electricidad y el coste de la misma y recomendaciones para, sin reducir su nivel de confort, generar un ahorro en el consumo.

Para alcanzar el objetivo general del proyecto, será necesario lograr una serie de objetivos técnicos específicos:

• Desarrollo de un sistema de medición y captura a nivel de unidad y edificio. Mediante el desarrollo de un equipo específico de integración en un sistema domótico basado en BUSing y/o KNX, se podrá monitorizar, programar y controlar el consumo de energía eléctrica en tiempo real, lo que permitirá conseguir importantes ahorros en dicho consumo.
• Desarrollo de un sistema de procesamiento de datos para el cálculo de la eficiencia energética. El software que se desarrollará a través de SIETEC, proporcionará un sistema de ayuda en la toma de decisiones para maximizar el ahorro de consumo. Este software conllevará la medida continua de parámetros de consumo reales, su almacenamiento en históricos de datos, la transmisión a un sistema de supervisión, la extracción de patrones de comportamiento.
• Desarrollo de un sistema de visualización de datos para eficiencia energética. Se implementarán en el sistema desarrollado las aplicaciones que correrán en dispositivos móviles y que permitirían a los usuarios, previo registro, realizar el análisis de sus datos de consumo y recibir información del sistema sobre la eficiencia del mismo y recomendaciones para su mejora mediante el cambio de hábitos o el cambio de tarifa eléctrica. El sistema permitirá además a los usuarios comparar sus consumos con el de otros usuarios de perfiles similares.
• Desarrollo del sistema de comunicaciones. El sistema a desarrollar debe de permitir la integración no sólo entre los tres ejes del sistema (unidad, edificio, nube), sino también con los sistemas de control de la red de distribución. Para ello será necesario el desarrollo de un sistema de comunicaciones específico, basado en estándares IEC.

Principales elementos innovadores del proyecto

El potencial innovador de la tecnología propuesta a través del presente proyecto es enorme, puesto que permitiría, no solo el cambio en los hábitos de los clientes sino además realizar una comunicación activa entre el sector eléctrico y sus consumidores, haciendo que éstos reaccionen en tiempo real ante la variación del precio de la electricidad, mejorando la segmentación de los clientes de modo que las compañías desarrollen productos más personalizados y orientados a los clientes, etc. Desde este punto de vista todo el sistema de comunicaciones y formato de datos se realizará siguiendo las recomendaciones del Comité Electrotécnico Internacional (IEC)[i], el Electrical Power Research Institute (EPRI) y la European Network of Transmission Systems Operators for Electricity  (ENTSO-E) en lo que se denomina “Common Information Model” (CIM)[ii], que permitirá integrar la operación de los sistemas de transporte, distribución, generadores y consumidores a todos los niveles.

En lo que respecta a la monitorización de viviendas para el incremento de la eficiencia energética y a la gestión del conocimiento generado mediante bases de datos alimentadas por los consumos de las mismas existen algunas experiencias[iii], en las cuales se utiliza la captación de datos a nivel de vivienda para después realizar un procesamiento en la nube. En los mencionados trabajos, el sistema de monitorización y control se centra en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Se toman medidas de dichos sistemas específicos para posteriormente filtrarse y enviarse a una plataforma web, donde se procesarán y se establecerán mejoras que permitan el ahorro energético en el control de los citados sistemas. Para ello se realizan simulaciones y ajustes de las curvas de consumo que permiten mejorar el control de estos tres sistemas. A la hora de determinar cuan eficiente es el consumo de un cliente, es vital conocer el patrón de consumo del mismo. Dicho patrón vendrá determinado por diferentes factores:

• Número y tipo de usuarios de la unidad.
• Número y tipo de equipos (electrodomésticos, equipos informáticos, equipos de laboratorio, etc.) y modo de uso de dichos equipos.
• Necesidades de calefacción/enfriamiento de la unidad.

Cada uno de los puntos anteriores se puede ver afectado tanto por parámetros internos (variación en el número de usuarios, instalación de nuevos equipos con una eficiencia energética diferente, variación en los hábitos de consumo) como externos (efectos del clima).

Así mismo, el informe del BPIE destaca, en su análisis de la metodología para calcular la eficiencia energética de los edificios, los principales usos finales que deben incluirse en estos cálculos: calefacción, agua caliente sanitaria, refrigeración, ventilación e iluminación. En la mayoría de los países, de acuerdo a las conclusiones de este estudio, las necesidades de energía para la refrigeración y la ventilación si se miden para edificios residenciales, pero sólo algunos países incluyen otras variables, como los electrodomésticos (Austria) o el consumo de energía de los ascensores.

La disponibilidad de un sistema, como el propuesto por SIETEC, que permita realizar un análisis a nivel colectivo e individual y que tenga en cuenta todos estos factores facilitará la implantación de una metodología única de cálculo.

El incremento de la penetración de los sistemas de generación distribuida (DG por sus siglas en inglés) y el cómo esta situación está cambiando el concepto de red de distribución (DN) existente, tiene importantes implicaciones en el ámbito del presente proyecto. Tradicionalmente, las DN realizaban la conexión entre la red de transmisión y los usuarios finales. Los sistemas de generación se disponían a nivel de dicha red de transmisión, según un modelo de generación centralizada. Bajo estas condiciones, la operación y gestión de las DN podía realizarse de forma relativamente sencilla dado que el flujo de energía es unidireccional (desde la red de transporte, hacia la de distribución y, finalmente a los consumidores). Dicho flujo de energía de arriba abajo se traslada directamente a las necesidades de comunicación, las cuales siguen un esquema paralelo a la red de energía.

Sin embargo, en los últimos años y debido, por un lado, a la conciencia social por el impacto medioambiental de los sistemas de generación tradicionales y, por otro, al avance en los sistemas de generación de energía renovable, que ha conllevado una notable reducción de los costes, se ha producido un aumento notable de los sistemas de generación distribuida. La instalación de sistemas de generación de energía en la red de distribución tiene grandes ventajas, como la reducción de las pérdidas por el transporte de energía, el incremento en la calidad de red o la posibilidad de incluir servicios auxiliares, como puede ser la regulación de frecuencia o de tensión en la red de distribución. Sin embargo, si los DG son instalados de forma no coordinada el efecto puede ser el contrario. A lo largo de los últimos años se ha alcanzado el consenso de que el uso de microrredes (Mgs) con capacidades de comunicaciones avanzadas, las llamadas smartgrids (Sgs) constituye el futuro de la generación distribuida.

Las MG y SG permiten establecer una división topológica de las redes de distribución en unidades más pequeñas y que puedan comportarse de forma análoga a la red actual (dispatchable units, por su definición en inglés). Dichas divisiones aglutinan sistemas locales de generación, almacenamiento y consumo. Además, se establecen límites controlados para el intercambio de energía entre las diferentes unidades con sus vecinas más cercanas[vi]. Sin embargo, el realizar una implementación masiva de estos sistemas requiere del desarrollo completo de dos tecnologías: los sistemas de comunicación (CS)[vii], que permitan el funcionamiento cooperativo y coordinado de los diferentes elementos de red y los sistemas de almacenamiento de energía (ESS)[viii], de forma que se posibilite el mitigar la naturaleza estocástica de los sistemas de generación renovable.

A través del proyecto SIETEC se priorizará el diseño de equipos de medida y comunicación que permitan incorporar los nuevos elementos del sistema de distribución de energía eléctrica.

Las innovaciones que presenta este sistema se pueden resumir en 8 líneas principales:

• Medida de eficiencia eléctrica y térmica con un coste reducido, utilizando para ello plataformas hardware específicas desarrolladas durante el proyecto.
• Integración con sistemas de terceros ya existentes, utilizando para ello protocolos de comunicación estándares. En concreto, se propone el uso de BUSing y KNX para la comunicación a nivel de sensores de campo. EC 61850-7-420 (Basic communication structure – Distributed energy resources logical nodes) e IEC 61850- 90-7 (Advanced Power System Management Functions and Information Exchanges for Inverter-based DER Devices) para la integración con sistemas de generación y almacenamiento distribuidos. CIM (Common Information Model) para la comunicación con el operador del sistema.
• Desarrollo de algoritmos para el cálculo de la eficiencia que usen la información apriorística proporcionada por el cliente, y basada en patrones de consumo estadísticos proporcionados por el IDAE; pero también que sean capaces de «aprender» del comportamiento del usuario, construyendo diferentes perfiles de consumo ajustados de forma dinámica.
• Desarrollo de una herramienta comparativa utilizando técnicas de «cloud computing» que permita efectuar cálculos más complejos utilizando información distribuida. Dicha herramienta será fundamental a la hora de mejorar los índices de eficiencia tradicionalmente usados, los cuales residen o bien sólo en patrones estadísticos preestablecidos o bien usan un número pequeño de usuarios.
• Capacidad de, ya no sólo proporcionar una medida de la eficiencia energética, sino de lanzar recomendaciones hacia los usuarios del sistema. Dichas recomendaciones irán encaminadas a valorizar económicamente el sistema. Por ejemplo, se indicarán las pautas de consumo que redunden en un ahorro mayor, las posibles inversiones en mejoras de los electrodomésticos usados, la tarifa eléctrica más provechosa de las disponibles en su zona geográfica, etc…
• Validación experimental del sistema ya no sólo utilizando datos reales de viviendas, pero mediante la construcción de un emulador de unidad/edificio que permita incorporar diferentes tipos de cargas e incluso de sistemas de generación distribuida y almacenamiento.

En la siguiente figura puede verse una representación del sistema a desarrollar a través del proyecto SIETEC:

Conclusiones

Los Entornos Inteligentes se están convirtiendo en una realidad en el presente siglo XXI, el creciente desarrollo de la tecnología apunta a una fusión entre el mundo digital y el real gracias a las nuevas tecnologías de cloud computing, geolocalización, realidad aumentada, etc.  y al amparo de estos entornos inteligentes, buscando soluciones para la creciente concentración poblacional en las ciudades y relacionado de manera directa con el concepto de edificios de consumo energético casi nulo, nace la filosofía Smart City que traerá consigo la transformación del concepto de ciudad que se tenía hasta ahora.

Al concepto Smart City contribuirán sin duda las llamadas Smart Grid. En este sentido, el proyecto SIETEC se alinea perfectamente con la definición de Smart Grid y por extensión con el concepto de Smart Cities que debe regir el nuevo concepto de ciudad del siglo XXI.

En este entorno, que impulsa la eficiencia energética y la conversión del concepto tradicional de ciudad hacia los nuevos modelos de Smart Cities, el sector de la domótica e inmótica encontrará un importante nicho de mercado en el desarrollo de soluciones para racionalizar y optimizar los consumos energéticos de viviendas y edificios. Se prevé que éste será el factor de compra clave para los sistemas domóticos: el ahorro energético. Así lo apuntan las nuevas tendencias que se perfilan para el sector de la construcción:

• La domótica junto con la eficiencia energética serán los dos pilares más importantes que sustentarán los proyectos constructivos. En los últimos años, se ha observado un crecimiento exponencial del mercado inmobiliario verde.
• El papel de la automatización será el eje central de todas las nuevas tendencias en estos proyectos constructivos.
• Cada vez más edificios estarán conectados a las redes eléctricas de forma bidireccional, lo que creará una red inteligente o Smart Grid.
• Retrofit en edificios existentes: El enfoque de la industria de edificios verdes dejará de ser sólo para nuevos edificios y atacará más los retrofit (renovación tecnológica) en edificios existentes.
• Administración en la nube: Los edificios verdes serán diseñados y administrados cada vez más en plataformas innovadoras de tecnologías de la información basadas en la nube.
• Transparencia operativa: Hacer pública toda información concerniente al desempeño de edificios verdes será una mega tendencia impulsada por programas de gobierno en todo el mundo.

Agradecimientos

Gracias a la Universidad de Oviedo, en especial a Pablo Arboleya y Pablo García, Doctores Ingenieros en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Oviedo por la participación e implicación en el proyecto SIETEC.

Referencias

• D. M. E. Ingram, P. Schaub, R. R. Taylor, and D. A. Campbell, Performance Analysis of IEC 61850 Sampled Value Process Bus Networks, IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 9, no. 3, pp. 1445–1454, aug 2013.
• Using the Common Information Model for Network Analysis Data Management: A CIM Primer Series Guide, epri, Palo Alto, ca, 2014. Operational network codes and market guidelines as a result of the 3rd energy package of the European Union. [Online]. available: http://networkcodes.entsoe.eu/ Network Model Manager Technical Market Requirements: The Transmission Perspective, epri, Palo Alto, ca, 2014.
• M. Kadolsky, R. Windisch and R. J. Scherer, Knowledge management framework for monitoring systems improving building energy efficiency, Environmental, Energy and Structural Monitoring Systems (EESMS), 2015 IEEE Workshop on, Trento, 2015, pp. 33-38.
• BPIE: Buildings Performance Institute Europe, organismo europeo sin ánimo de lucro e independiente.
• Renovation Strategies of Selected EU Countries. Published in November 2014 by the Buildings Performance Institute Europe (BPIE).
• J. Guerrero, M. Chandorkar, T. Lee, and P. Loh, Advanced Control Architectures for Intelligent Microgrids-Part I: Decentralized and Hierarchical Control, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 4, pp. 1254–1262, apr 2013.
• An Integrated Framework for Smart Microgrids Modeling, Monitoring, Control, Communication, and Verification, Proceedings of the IEEE, vol. 99, no. 1, pp. 119–132, jan 2011. V. C. Gungor, D. Sahin, T. Kocak, S. Ergut, C. Buccella, C. Cecati, and G. P. Hancke, “A Survey on Smart Grid Potential Applications and Communication Requirements,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 9, no. 1, pp. 28–42, feb 2013.
• T. D. N. L. Diaz, Intelligent Distributed Generation and Storage Units for DC Microgrids–A New Concept on Cooperative Control Without Communications Beyond Droop Control, Smart Grid, IEEE Transactions on, vol. 5, no. 5, pp. 2476–2485, 2014.