District of Future: Más energías renovables, menos consumo energético, más ahorro

Comunicación presentada al II Congreso Edificios Inteligentes:

Autores

• Rubén Cánovas Mas, Manager everismart, everis
• Miguel Fontela Martínez, Manager Energy Department, Exeleria

Resumen

El proyecto ‘District of Future’ se centra en conseguir una reducción del consumo energético y emisiones de CO2 en los edificios que componen los distritos de ciudades a través de tecnologías de la información y comunicación innovadoras y avanzadas mediante fuentes de energía renovables. Dichas tecnologías permiten recoger, registrar y monitorizar datos tanto a tiempo real como históricos y gestionarlos mediante una plataforma software basada en el cloud de FIWARE. Ello permite controlar el mantenimiento de los edificios a través de dicha plataforma. Además, el sistema proporciona una predicción del consumo energético y del comportamiento en las instalaciones del edificio. Todo ello contribuye a una reducción entre el 30 y el 40% del consumo energético y de las emisiones de CO2, además proporciona sistemas de control para dar soporte a las autoridades y a los propios ciudadanos en la toma de decisiones. Aplicando la estrategia del DoF a otros edificios a nivel europeo, el proyecto contribuirá a los objetivos de ahorro de energía y cambio climático de la Comunidad Europea para el año 2020.

Contexto

Recientemente las ciudades están atravesando por un proceso de transformación en el que se establecen como el centro de actividad de los negocios y el núcleo socio-económico de los ciudadanos en los países europeos. En este contexto, surge la necesidad de adaptarnos a esta nueva era en la que una mejora en la organización y una optimización de los recursos mundiales, escasos por definición, se ha convertido en una tarea esencial. Es por ello que, concienciados con el medio ambiente y la conservación de nuestro planeta, junto con los objetivos de Europa en cuanto a reducción del consumo energético y emisiones de CO2, aparece la idea del District of Future. Esta iniciativa propone soluciones efectivas y sostenibles a la situación actual, atacando el problema desde la unidad más pequeña de una ciudad, los edificios.

Solución propuesta

Con el fin de proponer una solución que se ajuste tanto a las necesidades de los ciudadanos como a los objetivos marcados por la Comisión Europea, se ha diseñado un proyecto de investigación y desarrollo, innovador, que hace uso de las tecnologías de la información y la comunicación para reducir tanto el consumo energético como las emisiones de CO2 entre un 30 y un 40%, además de contribuir en la reducción de los gastos asociados al consumo energético de los edificios.

Se ha definido  casos de uso en tres ciudades piloto donde se demuestra la solución propuesta por el DoF. Estas tres ciudades son Sabadell (España), Orleans (Francia) y Corby (Reino Unido). El hecho de escoger ciudades medianas implica una contribución mayor a Europa ya que la mayoría de los ciudadanos vive en ciudades de este tamaño, y no en grandes ciudades.

¿En qué consiste la solución?

En este apartado se encuentra una descripción de la solución propuesta por el proyecto de District of Future con el fin de disminuir el consumo energético, las emisiones de CO2 e incrementar el ahorro en cuanto al consumo en los edificios. Se ha diseñado una plataforma con el objetivo de recoger los datos que provienen de los medidores de consumo, procesarlos y optimizarlos. En la imagen siguiente se muestra un esquema de la arquitectura del sistema diseñado.

A continuación se detalla una descripción de las funciones de la arquitectura dividida en tres bloques:

• City Facilities: los edificios y las instalaciones son monitoreadas. La información puede ser de cualquier tipo y provenir de cualquier sistema, es decir, datos de consumo de energía, datos de generación de energía, datos de transporte de energía, entre otros. Para medir estos datos se usan medidores eléctricos, analizadores de red, sistemas de gestión de edificios (BMS) y sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA), así como estaciones meteorológicas. Este es un bloque bastante disperso y heterogéneo, no hay estandarización entre los edificios.
• DoF BDAC: Big Data Aggregation & Collection. El BDAC es un servicio de software que gestiona la recolección de datos que provienen de distintas fuentes de información utilizando distintos protocolos de comunicación. Además tiene la funcionalidad de estandarizar el tratamiento de los datos y prepararlos para un procesado posterior realizado por los servicios del DoF en la nube. Gestiona la “impersonificación” y la agregación de los datos cuando es necesario y convierte los datos capturados en un formato adecuado para que puedan ser cargados y almacenados en el FIWARE. La comunicación con el FIWARE ha sido estandarizada haciéndola más fácil entre el mismo y sistemas ya existentes. De esta manera no es preciso que FIWARE conozca todos los protocolos y sistemas existentes en los edificios e instalaciones.
• DoF Services Cloud: Es el lugar donde se almacenan los datos de la plataforma y donde se ejecutan los servicios de optimización y simulación procesando los datos. Los resultados de dicha optimización y simulación pueden ser visualizados y/o almacenados en la nube.

Existen una serie de medidores que recogen la información del consumo tanto de agua como de electricidad. Dicha información es recogida en el BDAC donde se gestiona.

El flujo del funcionamiento de la solución es el siguiente:

• Captura automática de los datos de los sistemas fuente mediante BDAC.
• Gestión, tratamiento automático y registro automatizado de los datos en FIWARE.
• Los servicios de optimización y simulaciones cogen los datos de FIWARE de forma automática/semiautomática y realizan la optimización y simulación de los mismos.
• Los resultados serán presentados en pantalla mediante una aplicación de optimización que coge los datos de FIWARE.
• En caso del programa de simulación Apros, éste da resultados de simulación dentro de su software y se genera un informe al finalizar la simulación.
• Se interpretan los resultados obtenidos y se preparan consejos, acciones y estrategias a implementar por las ciudades.
• Una vez implementadas estas acciones, se hará un seguimiento de las acciones para comprobar que realmente generan el ahorro previsto.
• En caso de simulación del impacto en la eficiencia energética debido a un cambio de material de construcción, se simula qué impacto podría tener si todos los edificios de un distrito completo fueran construidos de esa manera.

Gracias a la construcción de esta plataforma DoF, se puede obtener información sobre la eficiencia energética de los edificios en tiempo real e histórico. Ello permite realizar un análisis, establecer unos patrones de comportamiento o determinar tiempos de uso, lo que ayuda a dibujar una estrategia a seguir con el fin de llegar a los objetivos marcados.

Metodología

Con el fin de medir la reducción en el uso de la energía en las instalaciones incluidas en el proyecto, se utilizarán las metodologías definidas en los principales protocolos internacionales de Medida & Verificación de ahorros (IPMVO de EVO, ASHRAE, FEMP, entre otros). En particular, se definirán líneas base para cada uno de los edificios, subsistemas y distritos monitorizados. Para la estimación y cuantificación de la reducción de emisiones de CO2, se usará el método ‘Common Carbon Metric’ para definir la medida, el informe y la verificación de la emisión de gases asociados a los edificios.

En cuanto a la estimación de resultados obtenidos tras la implantación de la solución, se ha usado un sistema de simulación y optimización llamado Apros. Es un software multifuncional que inicialmente fue desarrollado para simulaciones energéticas industriales, pero a lo largo del tiempo ha evolucionado a un sistema que tiene una librería de objetos de simulación que también cubre edificios no industriales.

Casos de uso

Tras el diseño de la plataforma DoF y el estudio de la solución propuesta, se ha implementado la solución en tres ciudades medianas europeas para tratar de probar y demostrar los resultados teóricos. Las ciudades escogidas han sido Sabadell, Orleans y Corby. Para el criterio de decisión se ha tenido en cuenta las dimensiones de las tres ciudades (son de tamaño parecido), la ubicación de las mismas (tienen tres climas distintos a lo largo de las estaciones del año) y la diferencia cultural (distintos patrones de consumo). Sin embargo, las soluciones propuestas son distintas debido a pequeñas diferencias entre las características de los edificios seleccionados. Sabadell tiene un perfil más industrial, mientras que Corby está más enfocado a viviendas y Orleans a edificios públicos. Esto permite una gran escalabilidad por el territorio Europeo gracias a la diversidad de sectores en los que se hace foco.

A continuación se detallan las soluciones y acciones implantadas en cada edificio de las ciudades.

Sabadell (España)

• Casas Sociales – Edificio de reciente construcción. Cuenta con fuentes de energía renovables tales como producción centralizada a través de bombas de calor con intercambio geotermal y suministro de agua caliente (invierno) y fría (verano). Los apartamentos incluyen un sistema de monitorización del consumo energético a tiempo real que es traducido al consumo en euros (Leako).
• 2.    Central de Recogida Neumática de Residuos – Se han instalado placas fotovoltaicas en la fachada de uno de los edificios suministrando 5,28 Kwp de potencia. Actualmente, la empresa Envac gestiona y monitoriza el consumo de electricidad.
• 3.    Edificio de Oficinas Públicas – Es un edificio municipal que está formado por un aparcamiento para vehículos municipales, la policía municipal y un área pública administrativa. Consume electricidad y gas. Existe un circuito de intercambio geotermal que incluye dos bombas de calor (38,6 Kw). El circuito geotermal es monitorizado a través del software de Siemens, Desigo Insight (BMS).

Orleans (Francia)

• Enfermería de día – Hace 3 años (2012) se cambiaron las ventanas y se reforzó el tejado para incrementar el aislamiento. Se han instalado calefactores que están conectados a la planta de biomasa. También se han cambiado las luces por unas de bajo consumo con detectores de presencia.
• Biblioteca Pública “Maurice Genevoix” – Esta biblioteca está bien aislada, orientada al sol, consta de ventanas especiales y un tejado verde que contribuyen a la reducción del consumo energético. Utiliza 2 bombas de calor con una potencia de refrigeración de 75,5kW y 79kW de calefacción cada una. Además, la biblioteca está conectada a la red de calefacción urbana, que se alimenta de energías renovables desde 2013.
• Casas sociales “Les Résidences de l’Orlénais” – Se instalarán equipos de medida para monitorizar el consumo energético. Las casas están conectadas a la red de calefacción urbana. Se trata de un edificio de bajo consumo energético.
• Colegio público “Pauline Kergomard” – Cerca del colegio hay instalada una placa fotovoltaica con un área de 200m2. Cuentan con una pantalla que muestra la producción de electricidad y el ahorro de CO2 desde la instalación en noviembre 2012.

Corby (Reino Unido)

• Zero Energy Bill (ZEB) homes – Se han construido 8 viviendas Zero Energy Bill Homes (ZEB) para demostrar la capacidad de reducir el consumo energético y generar energía de tal manera que se iguale a un coste neutral o coste cero en la factura energética. Para ello, 4 de las viviendas ZEB tienen un sistema de calefacción central de gas estándar para radiadores y agua caliente suplementado con la fuente solar-termal de una PVT, mientras que las otras cuatro utilizan un sistema de calefacción por debajo del suelo el cual se complementa con radiadores asistidos por ventiladores y utilizan una caldera de biomasa como respaldo o para dar suplemento al elemento solar térmico de la PVT.
• Escuela primaria Oakley Vale – Este colegio se construyó en septiembre 2008. El lugar tiene una caldera de biomasa, un despliegue de pequeños paneles solar-térmico de unos 9m2, y placas solares en el tejado del edificio principal del colegio. Este conjunto de placas solares es suficiente para generar agua caliente durante los meses de abril a octubre más un excedente que es vendido a la red nacional.
• Corby Business Academy – Es un colegio secundario que se abrió en 2008. La fuente principal de energía proviene de una caldera de gas que proporciona la calefacción interior a través de un sistema de distribución bajo el suelo. Hay 3 calderas de gas para calefacción y 2 calentadores de gas para calentar el agua doméstica. Además de nueve unidades de manipulación de aire y dos ventiladores de aire exteriores que proporcionan aire acondicionado y ventilación. Se controla la iluminación del edificio a través de sensores infrarrojos pasivos (PIR). El edificio está gestionado por un sistema BMS.
• The Corby Enterprise Centre – Es un edificio comercial gestionado por el ayuntamiento. Su fuente de energía proviene de una caldera de aceite y dual gasolina/gas. El aire acondicionado está integrado en el sistema de gestión del edificio y utiliza ventilación natural para enfriar las oficinas y los workshops.

Resultados obtenidos

El proyecto se encuentra en estado de desarrollo, lo que implica que por el momento no se han obtenido resultados reales y cuantificables tras la instalación de algunas soluciones. Sin embargo, algunos datos relevantes sí se han podido recoger.

Resultados Reales

En las Casas Sociales de Orleans, el objetivo del consumo energético de las casas de bajo consumo energético establecido era de 15kWh/m2/año, y, tras un año, ha sido de 13,9kWh/m2/año. La biblioteca de Orleans pasó de un consumo anual de 107.750kW/h a 45045kW/h, y las emisiones de CO2 se dividieron entre 3. Además, el colegio público “Pauline Kergomard”, también en Orleans, gracias a la instalación de las placas solares se ha producido 61,39MWh de electricidad y se han ahorrado 22,72 toneladas de CO2 desde la instalación.

El Centro de Recogida Neumática de Residuos de Sabadell pasó de un consumo de electricidad de 258.105Kwh en el año 2010 a 158.947Kwh en 2014, y de agua de 389m3 en 2010 a 356m3 en 2014. En el edificio de oficinas públicas de Sabadell se pasó de un consumo de electricidad de 563.323Kwh en 2010 a 451.623 Kwh en 2014, en cuanto a agua de 2.924m3 en 2010 a 2.184m3 en 2014, y en cuanto a gas de 476.900Kwh en 2010 a 351.004Kwh en 2014.

La caldera de biomasa conectada con las placas fotovoltaicas térmicas de la Escuela Primaria Oakley Vale en Corby, ha resultado en un ahorro de energía del 40% respecto a un colegio tradicional similar. Representa un ahorro anual de 4228 € en combustible comparado con una caldera de gas tradicional.

Resultados Simulados

Se ha realizado un trabajo de simulación, mediante el software Apros, de todos los edificios e instalaciones que forman los casos de uso del proyecto del DoF.

A continuación se muestran los resultados obtenidos tras la simulación de uno de los casos de uso del proyecto. La comparación se ha hecho con los valores estándares según la Encuesta sobre las necesidades energéticas y características de la arquitectura de los edificios de la Unión Europea. Para más información al respecto, consultar las referencias.

Se ha seleccionado uno de los casos de uso, concretamente los valores del edificio de la Escuela Primaria Oakley Vale.

Discusión de los resultados

El objetivo principal de este proyecto es conseguir una reducción del consumo energético y de las emisiones de CO2 entre el 30-40%. Aún no se ha llegado al final del proyecto, está en fase de desarrollo, por lo que los resultados que se han obtenido por el momento son de las simulaciones realizadas con Apros. Comparando los resultados simulados con los referenciados de iNSPiRe, se comprueba que están en el mismo orden de magnitud, por lo que se puede decir que el programa de simulación representa una imagen real de la situación actual de los edificios. Hay que tener en cuenta también que algunas variables de la simulación han sido ligeramente distintas a la realidad.

Conclusiones

Tras los primeros resultados simulados con Apros, se puede concluir que se está trabajando por el buen camino para lograr los objetivos del proyecto marcados. Mediante las simulaciones se ha demostrado que utilizando fuentes de energía renovables y con una monitorización del consumo, es posible reducir las emisiones de CO2 y ahorrar en el consumo energético. Gracias a los resultados obtenidos tanto ahora como más adelante, se podrán establecer patrones de conducta según el modelo que se defina y hacer un sistema predictivo de uso y generación de energía.

Referencias

• D5.1 – Energy analysis of three case districts, disponible en la página web del DoF
• SildeShare (20 julio 2015) SildeShare
• SildeShare  (20 julio 2015)
• SildeShare (20 julio 2015)
• Inspire (20 julio 2015)
• Unep (20 julio 2015)
• Apros (17 julio 2015)
• Promaint (17 julio 2015, pág. 17-46)