Energy In Time – Sistema de Control de Eficiencia Energética en la operación y mantenimiento de edificios basado en técnicas de simulación

Comunicación presentada al II Congreso Edificios Inteligentes:

Autor

• Belén Gómez-Uribarri Serrano, Ingeniera Industrial, ACCIONA

Resumen

La presente Comunicación presenta el proyecto europeo financiado por la Comisión Europea Energy IN TIME (EIT) que contempla el desarrollo de un sistema de control de la eficiencia energética en la operación y mantenimiento de edificios basado en técnicas de simulación con el fin de reducir la factura de consumo de energía en la fase operativa en edificios no residenciales ya existentes. El concepto que subyace en el proyecto Energy IN TIME es el uso de  técnicas de simulación y control basado en modelos capaces de representar la complejidad constructiva de los edificios. La herramienta Energy IN TIME será validada en cuatro edificios existentes de diferente tipología y localizados en diferentes climatologías de Europa.

Introducción

La gestión energética de edificios, hoy en día, se implementa a través de planes operativos estacionales fijos y estrategias de regulación manual realizada por los operadores. Diferentes técnicas de control se están introduciendo en los edificios para garantizar las condiciones de confort interior llevando dicho control a cabo mediante diferentes sistemas de gestión energética instalados en el edificio (BEMS). Estos sistemas consisten en equipos hardware específicos que gestionan diferentes controladores lógicos cuyas entradas y salidas son sensores y actuadores integrados en el edificio y en sus sistemas energéticos (Cibse Guide, Building Control Systems, Routledge, 2000) lo que significa que el control energético en los edificios es abordado, por lo general, con un enfoque a nivel de equipo individual y de una  manera reactiva.

Los enfoques actuales de gestión energética y de funcionamiento en edificios se basan en técnicas de gestión de datos de energía (EDM) que actúan de forma reactiva a los cambios desconocidos. Diferentes estudios en este campo indican que para aumentar la eficiencia en la gestión energética del edificio, deben utilizarse métodos predictivos generando conocimiento a partir de datos históricos y pronósticos que permitan manejar el comportamiento del edificio por adelantado (Moss K., Energy Management in Buildings, Taylor a Francis, 2006).

El presente proyecto pretende ir más allá de las técnicas existentes actualmente aplicadas para el control de edificios, principalmente basadas en la demanda-respuesta, desarrollando una manera integrada de abordar el control y la operación, que combinará técnicas vanguardistas de modelado, con el desarrollo de una innovadora técnica de control basada en simulaciones, para así automatizar la generación de planes operacionales óptimos para edificios, adaptados a los edificios y a las necesidades reales de los usuarios. Este propuesta permitirá reducir las ineficiencias del sistema y por lo tanto contribuir a mejorar significativamente la eficiencia energética y el confort del edificio.

EL proyecto

La fase operacional de los edificios representa el 80% de su coste de ciclo de vida, del cual el 50% es consecuencia del uso energético. Además, hasta el 90% de las emisiones de carbono durante el ciclo de vida de los edificios se producen durante esta fase de operación, principalmente como consecuencia de la climatización o HVAC (Calefacción, Ventilación y Aire acondicionado), iluminación y uso de equipos eléctricos (Buildings and Climate Change-UNEP-SBCI). Por lo tanto, las estrategias de ahorro energético y económico dirigidas a esta fase de operación del edificio tendrán un impacto importante en el coste del ciclo de vida del edificio.

La demanda y el consumo de energía en el edificio están influenciados por numerosos factores tanto inherentes como externos a los edificios. Aspectos como las características constructivas, el clima, el uso del edificio o el comportamiento de los usuarios, entre otros, afectan directamente a su rendimiento energético. Normalmente, estos factores están considerados de manera importante en el diseño y planificación del edificio. Los edificios son diseñados generalmente para hacer frente a la condición de funcionamiento más desfavorable (por ejemplo, una habitación llena de gente), resultando en un funcionamiento ineficiente del sistema y costes adicionales (por ejemplo, sistemas de climatización sobredimensionados). Asimismo, los planes operacionales de los equipos energéticos que suministran energía al edificio se basan generalmente en horarios fijos, modificados a veces de manera manual por el personal de mantenimiento del edificio, el cual no suele tener en cuenta cómo afectan las condiciones de ocupación y de clima (temperatura y humedad) exterior en el comportamiento energético del edificio para la elección de planes de operación más eficientes.

Por otra parte, es importante destacar que un buen diseño energético del edificio no implica necesariamente obtener un buen rendimiento energético del edificio. La integración de un control adecuado y estrategias operacionales es una necesidad para que los edificios alcancen sus niveles de eficiencia óptimos.

Asimismo, las simulaciones y cálculos de energía realizados en la etapa de diseño (a nivel teórico) a menudo difieren del rendimiento energético real del edificio. Las diferencias entre lo diseñado y lo construido, a lo que hay que añadir las incertidumbres y cambios durante el ciclo de vida de los edificios, afectarán irremediablemente al comportamiento del edificio, ya que las simulaciones se basarán en modelos del edificio que no reflejan sus características y comportamiento real. Como consecuencia de ello, la exactitud de los cálculos disminuirá e incluso en algunos casos los resultados obtenidos no serán válidos. Este hecho tendrá varias consecuencias, siendo las más relevantes las que se exponen a continuación:

• Por una parte, la eficiencia de todo el sistema disminuirá. Los sistemas serán diseñados para responder a requisitos de demanda diferentes a los calculados. Como consecuencia de esto, los sistemas funcionarán en ciertas situaciones peor o mejor de lo estipulado, lo que lleva en ambos casos a ineficiencias en el sistema, con un impacto en el rendimiento energético.
• En cuanto a los planes operacionales éstos al ser preparados mediante simulaciones de diferentes cargas de trabajo del sistema se verán también afectados por este hecho. Estos planes operacionales, una vez implementados, ya sea por el personal de mantenimiento del edificio o por los sistemas de gestión energética del edificio, se basarán en una imagen imprecisa del comportamiento del edificio, llevando de este modo al sistema, dependiendo de la situación, a ligeras o importantes desviaciones de su punto óptimo de funcionamiento.

Ambas situaciones tendrán un impacto directo en el comportamiento del edificio. Por un lado, la reducción de su rendimiento energético general (por ejemplo, debido a una distribución ineficiente de la carga de trabajo), y por otro lado, reduciendo el confort de los usuarios (por ejemplo, debido a zonas del edificio que estarán sobreenfriadas o sobrecalentadas).

Los edificios no residenciales consumen en promedio un 40% más de energía específica (280 kWh/m2) que el valor equivalente para uso residencial. Además, la renovación del sistema de gestión energética en este tipo de edificios es más importante debido a su alto porcentaje de consumo de electricidad (Europes’s building under microscope. October 2011. BPIE). La metodología para la implementación de los desarrollos del proyecto se definirá no sólo para los edificios existentes, sino también, como valor añadido, para su implementación en nuevos edificios desde su puesta en marcha.

El concepto que se encuentra tras el presente proyecto es el uso de modelos de simulación de edificios más precisos, capaces de representar su complejidad e incertidumbres para el control y la operación del edificio mientras se genera la información pronosticada. La metodología del proyecto se resume a continuación:

• Uso de las normas internacionales más precisas para la revisión energética de los edificios existentes.
• Desarrollo de modelos de simulación avanzada del edificio.
• Estos modelos estarán alimentados y actualizados en tiempo real con: datos externos (clima, tarifas, etc.), datos internos (características, equipos, ocupación, etc.), datos de comportamiento de los usuarios, etc. Esta información será tanto pronosticada (previsión meteorológica, ocupación tarifas, etc.) como en tiempo real (controlada desde el edificio).
• Se emplearán herramientas adecuadas de simulaciones energéticas para ejecutar el modelo considerando todas las combinaciones de cargas de trabajo pertinentes (por ejemplo, caldera on/off, aire acondicionado on/off) con todos los posibles valores de set-points (por ejemplo, sistema HVAC a 21ºC/23ºC, temperatura de impulsión de agua, etc.) para los sistemas y equipos para desarrollar los planes operativos óptimos de la solución.
• Se desarrollará una novedosa herramienta con el fin de ajustar las desviaciones de los planes operativos óptimos debido a cambios en datos externos/internos en tiempo real en comparación con los datos pronosticados empleados.
• Desarrollo de una novedosa plataforma de adquisición de datos y comunicación para adaptar el equipo existente y los sistemas de control/monitorización en los edificios, para ser integrada en la solución Energy IN TIME.
• El control basado en la generación de modelos bajo demanda implementará los planes en tiempo real por medio del sistema de gestión energética del edificio (BEMS).
• Las desviaciones entre los planes operativos y la operación real debido a cambios en el funcionamiento de los equipos serán detectados por el sistema implementando estrategias de Continuous Commissioning.
• Desarrollo de una novedosa herramienta de detección de errores y diagnóstico, incluyendo control adaptativo de errores para la reconfiguración del sistema en escenarios parciales de funcionamiento defectuoso, asegurando la robustez del sistema.
• A través de los análisis y explotación de los datos históricos generados en el sistema Energy IN TIME, se obtendrán nuevas herramientas de apoyo (incluyendo rehabilitación) para la toma de decisiones a largo plazo y para el mantenimiento predictivo a medio plazo.

Con el fin de materializar el alcance de este proyecto, se lleva a cabo la combinación de las siguientes técnicas para desarrollar un método de control inteligente de energía basado en simulación que permita el control remoto centralizado de diferentes edificios en un proceso automático.

• A. Modelos de simulación avanzada: Representaciones virtuales del comportamiento del edificio, actualizadas continuamente.
• B. Control basado en simulación del rendimiento energético del edificio, autoadaptable a las necesidades reales del usuario del edificio.
• C. Continuous Commissioning y mantenimiento predictivo: Se desarrolla un método combinando una monitorización avanzada con herramientas de detección y diagnóstico de fallos. Dando lugar a la operación, detección e implementación de medidas correctivas y estrategias de mantenimiento predictivo.
• D. Herramienta de apoyo a las decisiones a medio-largo plazo: Análisis de tendencias mediante técnicas de minería de datos implementadas en una herramienta fácil de usar.

Resultados

De esta manera se logra un control basado en la combinación de técnicas descriptivas (monitorización en tiempo real, control de la respuesta ad-hoc, alertas de alarma, etc.) y predictivas (simulación para modelado predictivo, previsión, análisis de tendencias, etc.). Con la combinación y aplicación de estos dos tipos de técnicas en el control de edificios, se conseguirán altos ratios de eficiencia energética, reduciendo el uso de la energía y de los costes operacionales.

La herramienta Energy IN TIME actúa con diferentes niveles de abstracción, o diseños de Control energético del edificio.

En el nivel de ejecución, que contempla la etapa de operación diaria del edificio, el comportamiento energético del mismo es controlado a través de los BEMS instalados con tal fin. La actuación de Energy IN TIME consiste en proporcionar los puntos de ajuste para cada equipo o sistema.

Una red de sensores detecta fallas en actuadores, sistemas o incluso en sensores, permitiendo mantener el edificio funcionando correctamente y según diseño.

A un nivel superior, definido en la metodología de Energy IN TIME como nivel de reconfiguración y supervisión, se gestiona el control basado en la simulación. Apoyado por técnicas de monitoreo y diagnóstico de detección de fallas en los sistemas energéticos y utilizando técnicas de simulación, la demanda de energía real es monitoreada y comparada con los valores obtenidos por simulación. La desviación existente entre ambos valores es controlada de forma que cuando ésta es mayor que la deseada la herramienta Energy IN TIME busca la causa, la resuelve y, en caso de ser necesario, reconfigura los planes de operación de los sistemas energéticos del edificio ajustándolos a la nueva situación.

El nivel de generación de planes operacionales es el nivel en el que se determina el plan óptimo operacional para la configuración del edificio. Dicho plan se genera teniendo en cuenta las variables externas tales como las condiciones climáticas exteriores, precios de energía, ocupación y comportamiento del usuario, etc.

Basándose en predicciones  se genera un Plan Óptimo de operación de forma anticipada el cual se lanzará al sistema de gestión energética del Edificio (BEMS) para su implementación. Para la determinación de dicho Plan de Operación Energy IN TIME aplica técnicas de simulación vanguardistas y algoritmos de optimización que garantizan el mínimo consumo de energía, manteniendo las condiciones de confort especificadas por  los usuarios del edificio.

Con el fin de dotar de mayor robustez a la herramienta Energy IN TIME se complementa la misma con dos herramientas adicionales:

• Herramienta de apoyo a la toma de decisiones. Haciendo uso de todos los datos recopilados durante el funcionamiento del edificio se elabora una potente herramienta de consulta para los casos de remodelación, rehabilitación o reequipamiento de sistemas en edificios e incluso para el diseño de nuevos edificios.
• Tratando de cubrir las operaciones de mantenimiento, dentro del proyecto Energy IN TIME se desarrolla una metodología de puesta en marcha continua (Continuous Commissioning) enfocada a mantener los equipos en su estado más eficiente, siendo reforzado por un módulo de mantenimiento predictivo en la solución global de Energy IN TIME.

El proyecto será validado mediante la implementación del mismo en 4 edificios existentes con diferentes tipologías y uso y sometidos a diferentes condiciones climáticas en Europa:

• Aeropuerto de Faro (Portugal)
• Edificio de laboratorios y oficinas en Bucarest (Rumanía)
• Edificio Comercial y de oficinas en Helsinki (Finlandia)
• Hotel en Levi ( Laponia)

La implementación del sistema Energy IN TIME se llevará a cabo mediante la conexión con los sistemas de gestión energéticas  existentes (BEMS) en el edificio. No habrá una nueva infraestructura,  sino que sólo se añadirán los elementos necesarios adicionales como sensores, medidores, por ejemplo, que le darán valor añadido a la infraestructura existente.

Conclusiones

El fuerte impacto que presentan los edificios sobre el consumo de energía y el medio ambiente es un hecho que corroboran las cifras. Los edificios comerciales y residenciales representan más del 40% del consumo total de energía en Europa: 27% para los edificios residenciales y 14% para los no-residenciales (Energy performance assesment of existing dwellings”. Energy and Buildings 2007. Poel B., van Cruchten G., Balaras C. A., 2007), y producen alrededor del 35% de las emisiones de efecto invernadero. La mayoría de estos edificios se encuentran en las ciudades, donde la iluminación, la movilidad, el diseño del espacio público y de la vegetación urbana también son factores que afectan a la energía y al consumo de recursos.

Los edificios no residenciales suponen aproximadamente el 25% del stock total de edificios en Europa y comprenden un sector mucho más complejo y heterogéneo en comparación con el sector residencial. Dentro del ámbito no residencial, se estima que el consumo específico de energía promedio en el sector no residencial es de 280 kWh/m2, cubriendo todos los usos finales.

La mayoría de los sistemas de gestión energética de los edificios aseguran el correcto funcionamiento de los sistemas y equipos hidráulicos, mecánicos y eléctricos, y garantizan condiciones confortables de acuerdo a las demandas de los usuarios, pero no tienen en cuenta la eficiencia energética y tampoco tratan de reducir el consumo de energía.

Por el contrario, la tendencia en el mercado de la eficiencia energética es ofrecer servicios de eficiencia energética remotos, consistentes en auditorías y monitorización energéticas, y en la generación de informes de consumo de energía, pero no la gestión y el control del sistema de gestión del edificio para mejorar la eficiencia energética.

El proyecto Energy IN TIME tiene un carácter innovador a nivel internacional, pues hasta la fecha no se ha desarrollado una herramienta y/o solución eficiente energéticamente hablando para ser empleada en edificios no residenciales, como la aquí expuesta. Dado que las actividades del proyecto están centradas en la mejora de las prestaciones tecnológicas de los actuales productos/soluciones, la novedad global del proyecto lo es a nivel sectorial, es decir, ha sido concebida desde un punto de vista objetivo, recalcándose a continuación los aspectos innovadores del proyecto:

• Técnicas de simulación predictiva para el diseño y actualización de los planes operativos.
• Algoritmos adaptativos para el control en tiempo real de las desviaciones de rendimiento del sistema energético.
• Integración del sistema de monitorización y medición edificio.
• Ajuste en tiempo real de la ejecución del plan operativo.
• Generación automática de planes de óptimos de operación para los sistemas HVAC.
• Operación remota y automática de los sistemas HVAC.

Reconocimientos

El proyecto FP7 Energy IN TIME está financiado por la UE en el esquema de financiación: proyecto colaborativo, con el número del proyecto: 608981 e identificador de llamada: 7 PM – 013 – ICT – ENERGY – NMP-ENV – EeB. La participación de Romanias en 7 PM Programa está cofinanciada por UEFISCDI a través del contrato no. C.246 UE 17.10.2013 firmado con la autoridad nacional para la investigación científica bajo el programa PN II capacidades – FP7-módulo III

Referencias

• Buildings and Climate Change-UNEP-SBCI
• Cibse Guide, Building Control Systems, Routledge, 2000
• Energy performance assesment of existing dwellings”. Energy and Buildings 2007. Poel B., van Cruchten G., Balaras C. A., 2007
• Europes’s building under microscope. October 2011. BPIE
• Moss K., Energy Management in Buildings, Taylor a Francis, 2006
• Energy Time