Comunicación presentada al III Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Asunción Santamaría Galdón, Investigadora, CeDint, Universidad Politécnica de Madrid
- Edgar Moya Álvarez, Gestor de Proyectos, CeDint, Universidad Politécnica de Madrid
- Rocío Martínez García, Gestora de Proyectos, CeDint, Universidad Politécnica de Madrid
- Guillermo del Campo Jiménez, Investigador, CeDint, Universidad Politécnica de Madrid
- Jie Song, Investigadora, CeDint, Universidad Politécnica de Madrid
- Pedro Casado Ortega, Investigador, CeDint, Universidad Politécnica de Madrid
Resumen
El proyecto GREEN LABS tiene como objetivo la reducción del consumo eléctrico de los invernaderos del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas de la UPM. CEDINT ha desplegado sensores inalámbricos de Temperatura, Humedad y Luminosidad para monitorizar las principales condiciones ambientales que afectan al crecimiento de las plantas. Además, se ha desplegado un sistema inalámbrico de medición de consumos energéticos, así como una plataforma software, que permite conocer el consumo desagregado de cada módulo del invernadero. Este sistema ha permitido demostrar la reducción de entorno a un 60 % del consumo energético en el módulo del invernadero en el que se pasó de un sistema de iluminación basado en lámparas de vapor de sodio con un gran consumo eléctrico a un sistema de luminarias LED con control de atenuación.
Introducción
El consumo eléctrico de los invernaderos y laboratorios dedicados a la investigación, la innovación y la producción industrial para el sector agroalimentario es muy elevado debido a la utilización de maquinaria especializada (fitotrones, cámaras de cultivo, enfriadoras, etc) en dichos laboratorios, así como en los sistemas de iluminación y climatización presentes en los módulos de dichos invernaderos que tienen que estar en funcionamiento 24 horas 7 días a la semana. Sin embargo, la imposibilidad de conocer el gasto energético de cada uno de estos equipos individualmente, dificulta la elaboración de estrategias de reducción de consumo o de eficiencia energética al no ser posible determinar el origen del consumo ni su ciclo de uso.
Por otro lado, en la configuración actual de estos invernaderos, se carece de automatismos que regulen de forma inteligente el funcionamiento y consumo de esta maquinaria. Es más, se constata la existencia de situaciones incoherentes donde, por ejemplo, los sistemas de refrigeración están en funcionamiento al mismo tiempo que los sistemas de calefacción. Así mismo, en lo referente a los sistemas de iluminación, se constata la utilización de tecnologías tradicionales basadas en lámparas de vapor de sodio con un gran consumo eléctrico y alta producción de calor.
Esta situación de partida alentó la modernización de estas infraestructuras gracias al desarrollo y despliegue de tecnologías de Internet de las Cosas (IoT) adaptadas a este entorno que permitieran la monitorización del consumo desagregado, así como la puesta en funcionamiento de sistemas de control con el objetivo de reducir los consumos eléctricos. En este sentido, se plateo el despliegue de sensores inalámbricos de medición de consumos, así como sistemas de actuación sobre las luminarias que adaptaran la intensidad lumínica según la luz solar existente en cada momento.
El proyecto Green Labs
El CeDInt es un centro de I+D+i de la Universidad Politécnica de Madrid en IoT con aplicaciones fundamentalmente en eficiencia energética. El proyecto GREEN LABS se enmarca dentro de la iniciativa del CEI (Campus de Excelencia Internacional) de Montegancedo que tiene como objetivo la modernización de los laboratorios de investigación de dicho campus para mejorar sus instalaciones y equipamientos y transformarlos en centros de investigación y experimentación sostenibles. El proyecto GREEN LABS se desplegó en los invernaderos y cámaras de cultivo del CBGP (Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas) y se ejecutó por el CeDInt entre los años 2012 y 2015.
Antecedentes
El sector de la domótica ha estado marcado por una fuerte fragmentación desde sus inicios donde han convivido soluciones propietarias e incompatibles entre sí como ZigBee, EnOcean o Libelium entre las inalámbricas o como KNX o BACNET entre las cableadas. Esta incompatibilidad ha permitido el mantenimiento de precios elevados marcando ciertamente el despliegue limitado de las tecnologías domóticas.
Durante los últimos años y con el objetivo de proponer una tecnología basada en protocolos abiertos que le permitiera desplegar libremente soluciones inalámbricas dentro del sector de la domótica, CeDint ha desarrollado una tecnología denominada BatNet. BatNet es una red inalámbrica de sensores y actuadores basada en el protocolo IEEE802.15.4 para los niveles físico y el protocolo 6LoWPAN (IPv6 for Low Power Wireless Personal Area Networks). La naturaleza abierta de estos protocolos frente a otras soluciones comerciales de carácter propietarias otorga a CeDint la flexibilidad necesaria para llevar a cabo el despliegue de soluciones de I+D dentro del campo de la domótica con total independencia de compañías comerciales y sin la obligación de realizar el pago de licencias.
La tecnología BatNet se ha desplegado con éxito en numerosos pilotos como la monitorización y actuación en edificios, iluminación inteligente de viales y fachadas o aplicaciones para Industria 4.0. Uno de estos despliegues es el proyecto GREEN LABS.
Idea y Objetivos
El objetivo del proyecto fue “lograr la reducción del consumo eléctrico de los laboratorios e invernaderos del CBGP gracias a la monitorización de consumo, la provisión de infraestructuras con tecnologías alternativas de iluminación y de un sistema avanzado de sensorización y control basado en tecnología BatNet”.
Para ello, se planteó adaptar la tecnología BatNet a este nuevo caso de uso añadiendo nuevos sensores a la red adaptados a las necesidades específicas de la producción agroalimentaria (sensores de temperatura, humedad y luminosidad), así como un sistema de encapsulado que los dotará de una adecuada impermeabilización y resistencia mecánica. Se dotaría a la solución de un sistema de control de la intensidad lumínica y se desarrollaría una plataforma software que permitiera el monitoreo remoto del invernadero. Un sistema de medición inalámbrico como parte de la red BatNet ofrecerá medición instantánea y verificación de los ahorros en el consumo energético.
Tras una primera fase de evaluación se detectaron las siguientes necesidades y actuaciones:
- Medida desagregada de consumos que permita conocer la procedencia y distribución del consumo de las cámaras de cultivo y de las salas de crecimiento del invernadero.
- Medida a nivel de máquina cuando sea posible (p.e. para detectar averías).
- Elevado consumo de las lámparas de las salas de crecimiento del invernadero.
- Sustitución por LEDs.
- Encendido y apagado independiente de las lámparas de laS salas de crecimiento.
- Regulación de la intensidad de las lámparas de crecimiento.
- Suministro de los tubos de iluminación de los fitotrones de las cámaras de cultivo por tubos LED.
- Aumento del número de puntos de medida de condiciones ambientales en las salas de crecimiento.
- Automatización de la calefacción/aire acondicionado en función de las condiciones climáticas (el sistema con el que se cuenta en la actualidad es muy básico y puede considerarse obsoleto).
- Monitorización y control remoto “amigable” y “multidispositivo”.
Material y métodos
Hardware: red de sensores
Monitorización del consumo de forma desagregada. Conocer cuánto consume cada elemento del invernadero es el primer paso necesario para plantear cualquier actuación de gestión energética eficiente y seguridad. Para ello, se han monitorizado 178 líneas eléctricas gracias a la instalación de 72 dispositivos BatMeters (ver Figura 2). Los BatMeters son dispositivos orientados a la instalación en cuadro eléctrico capaz de medir el consumo de hasta 6 líneas eléctricas (monofásicas o trifásicas según modelo) de forma simultánea. El cálculo del consumo lo realiza midiendo la corriente de cada una de las líneas y el voltaje en tiempo real. También calcula la potencia real, la potencia aparente, el factor de potencia y la potencia efectiva.
Monitorización de parámetros ambientales. Se han instalado 10 dispositivos BatSense para la monitorización de la temperatura, humedad relativa e iluminación, principales variables que afectan al crecimiento de las plantas. Uno de los principales problemas a resolver en el diseño de este dispositivo fue su acondicionamiento a las condiciones del ambiente ya que tuvo que diseñarse un encapsulado impermeable que lo protegiera de los sistemas de riego de las plantas (ver Figura 3 Dcha).
Iluminación LED para los invernaderos. Las lámparas tradicionales de vapor de sodio se han sustituido por 25 luminarias LED equipadas con dispositivos BatDimmer que permiten la regulación a distancia del nivel de intensidad (ver Figura 3 Izda).
Tanto los BatMeters, como los BatDimmer o los BatSenses son dispositivos de la gama BatNet desarrollados íntegramente por CeDint, y se comunican de manera inalámbrica con un concentrador denominado BatLink. EL BatLink es un microPC que contine un Border Router facilitando así el acceso a la red de sensores y actuadores a través de internet y permitiendo la ejecución de aplicaciones de monitorización y gestión.
Despliegue
El despliegue de la solución se desarrolló en cuatro fases:
- Fase 1: Diseño, prototipado y prueba de los dispositivos.
- Fase 2: Fabricación y despliegue de los dispositivos para medidas de consumo.
- Medida de consumos de las cámaras de cultivo (Zonas 1 y 2). Como primer paso para conocer la distribución desagregada del consumo de los laboratorios se instalaron BatMeters en los cuadros eléctricos que alimentan las máquinas de cultivo, así como un primer concentrador BatLink.
- Medida de consumos de los invernaderos (Zona 3). A continuación, se desplegaron los BatMeters en las líneas de alimentación de los invernaderos propiamente dichos, así como un segundo BatLink. Aquí los consumos eléctricos vienen marcados por la iluminación y por los aparatos de aire acondicionado.
- Fase 3: Despliegue de sistema de control en el módulo Invernadero Experimental. En la sala 12 de los invernaderos (Zona 3) se han instalado tres tipos de dispositivos. Por un lado, se han instalado 25 luminarias LED de 150W en las mismas posiciones donde en las otras salas hay instaladas lámparas de vapor de sodio de 600W cada con una distribución lumínica similar. Las lámparas se han dotado de un sistema de control (driver) con capacidad de regulación de intensidad lumínica digital (dimming) controlada por un dispositivo de control BatDimmer. Por último, se han instalado 10 sensores BatSense en las bandejas que monitorizan temperatura humedad e intensidad lumínica en 10 puntos de la superficie destinada a plantas. Esta fase 3 nos permite comparar el nivel de consumo eléctrico entre un invernadero con luminarias LED y otro con luminarias de vapor de sodio.
- Fase 4: Depuración, puesta en marcha e integración con la plataforma software de monitorización.
Plataforma software
Todo el sistema se controla desde una plataforma software de gestión con interfaz web con acceso seguro. Esta plataforma se comunica con los dispositivos desplegados y permite la recogida y almacenamiento de los parámetros monitorizados (consumos energéticos y ambientales) y el control de la iluminación. La interfaz de usuario se ha simplificado al máximo para que sea usada fácilmente por el personal de mantenimiento del invernadero.
La página principal muestra una pequeña explicación e instrucciones para su uso y a continuación un esquema que coincide con la planta de los laboratorios y sus distintas zonas de trabajo. Este plano sirve como menú para acceder al detalle de cada una de las zonas. También se presenta un cuadro que totaliza los parámetros de consumo total más importantes de todo el complejo (Ver Figura 4 Izda).
Al entrar en cada una de las zonas vemos el detalle de las cámaras y máquinas individuales con sus parámetros de consumo energético, instantáneo y acumulado (Ver Figura 4 Dcha). Por un lado se presenta una tabla con el consumo agregado de la zona, y por otro la posibilidad de seleccionar máquina por máquina y obtener información pormenorizada de sus parámetros de consumo.
En aquellos módulos de invernadero (Zona 3, ver Figura 5 Izda) en los que solo se monitoriza, se pueden observar dos estados apagado (en verde) y encendido (en rojo) en el caso de que estén encendidos, se presenta la medida de consumo instantáneo y acumulado dentro del módulo. Para la sala 12, dotada de un sistema de control digital de intensidad de iluminación y luminarias LED, pulsando con el ratón se accede a una nueva pantalla con un mayor nivel de detalle (ver Figura 5 Izda). La plataforma permite dos modos de programación del sistema: gestión manual o gestión automática de la iluminación del módulo invernadero en función de las condiciones ambientales y unos niveles de iluminación requeridos.
Resultados y Próximos desarrollos
Gracias a los despliegues en la fase 2 y fase 3 que permiten medida de consumos en distintos módulos del invernadero y su comparación, se ha constatado que el cambio de luminarias tradicionales de vapor de sodio por otras basadas en tecnologías LED más avanzadas supondrá una reducción de consumos eléctricos de entre 50% y 60%. Comparando los consumos de la sala 12 (con iluminación LED) con otro de similares características, pero con iluminación de vapor de sodio se aprecia una disminución de 235 kwh en el primero y de 515 kwh en el segundo. Estas reducciones podrían ser más importantes si los sistemas de control de iluminación se programaran de una manera más granular en función de las medidas obtenidas por los sensores experimento a experimento.
Próximas fases del proyecto plantean además la inclusión de sistemas de control sobre los sistemas de calefacción y refrigeración que se regularán en función de la temperatura y humedad ambiente, permitirán la automatización del sistema. También se pretende extender este sistema de control a todos los módulos del invernadero.
Por otro lado, además de la eficiencia energética en invernaderos, el diseño de luminarias que permitieran controlar el espectro de iluminación (color), abriría un nuevo campo de uso, pudiendo adaptar la iluminación a las condiciones óptimas de cada fase de crecimiento de las plantas.
Así mismo CeDint está buscando socios industriales interesados en la comercialización y despliegue de estos sistemas para poder transferir esta tecnología al mercado.
Conclusiones
El proyecto GREEN LABS supone un enorme avance hacia la eficiencia energética del campus, y una prueba de concepto en funcionamiento de cara a la eficiencia energética. Demuestra la idoneidad de la tecnología desarrollada por el CeDInt para la monitorización y control energético en edificios y, en particular, en el complejo entorno de los laboratorios e invernaderos de investigación y su alta demanda energética.
Con todo esto el proyecto GREEN LABS ofrece un conocimiento detallado de la distribución de consumo energético fundamental como herramienta de apoyo a la toma de decisiones a los responsables de las instalaciones en las que se ha desplegado con el fin de implementar un plan de eficiencia energética con datos contrastado.
Referencias
- http://www.cedint.upm.es/es/proyecto/batnet (05/04/2017).
- http://www.cedint.upm.es/es/proyecto/green-labs (05/04/2017).
- http://www.cbgp.upm.es/ (05/04/2017).