Evolución hacia una nueva generación de BEMS para Edificios Residenciales a través de FIEMSER

Comunicación Greencities&Sostenibilidad 2012/Comunicaciones Científicas/Edificaciones

Resumen

En Europa, los edificios son responsables de hasta un 40% del consumo energético. Sin embargo, hay un gran potencial para reducir este consumo, y las TICs es una de las herramientas clave para lograrlo. En este artículo se presenta como el sistema FIEMSER contribuye a aumentar la eficiencia energética en los edificios residenciales a través de una doble estrategia: la optimización del funcionamiento del edificio (la demanda de energía, la generación local y almacenamiento) y mejorar el comportamiento de los usuarios del edificio. El sistema FIEMSER es un BEMS (Building Energy Management System) innovador  orientado tanto a edificios residenciales nuevos como existentes. Este sistema es el resultado del proyecto FIEMSER (http://www.fiemser.eu ), el cual se ha desarrollado en el marco del Séptimo Programa Marco (7PM) de I+D de la Unión Europea. Los BEMS actuales tienen varios puntos débiles: las estrategias de control energético están predefinidas, carecen de integración en la gestión de los diferentes subsistemas que operan en el edificio, se basan en redes de comunicaciones por cable, etc. FIEMSER define dinámicamente las estrategias integrales de control teniendo en cuenta las condiciones actuales y futuras de operación del edificio (actividades de los usuarios, condiciones climáticas, precios de la energía…) y gestiona de forma integrada los diferentes subsistemas: HVAC, iluminación y generación y almacenamiento local de energía. Desde el punto de vista de implementación del sistema, FIEMSER se basa en una Arquitectura Orientada a Servicios (SOA), especialmente adecuada para la definición de sistemas modulares. Esta arquitectura proporciona la flexibilidad necesaria para: adaptar el sistema a las diferentes configuraciones de operación, integrar los diferentes protocolos de control ya existentes, las redes de control inalámbricas y soportar diferentes GUI (Graphical User Interface). Este artículo analiza los siguientes aspectos: las oportunidades para reducir la demanda de energía y aumentar la generación local en edificios residenciales; los diferentes escenarios de operación, los requisitos funcionales del sistema FIEMSER y la arquitectura SOA como mecanismo para adaptar la configuración de FIEMSER a diferentes escenarios de operación.

1. Introducción

Los edificios son responsables de hasta un 40% del consumo de energía en la mayoría de los países europeos. Por lo tanto, la mejora de la eficiencia energética de los edificios es un factor clave en la lucha contra el cambio climático y la mejora en el uso de la energía. Así mismo, muchos informes demuestran que para el año 2030 es posible reducir hasta en un 30% las emisiones de los edificios residenciales y comerciales con un coste neto negativo. Así, el Programa de Medio Ambiente de las Naciones Unidas remarca que el sector de la construcción no ha explotado este potencial (Cheng, 2008).

Hay tres acciones clave para lograr el progreso deseado (Sisson, 2008):

• Utilizar menos energía. Esta acción se centra en reducir la demanda energética del edificio mediante la instalación de sistemas de iluminación más eficientes; los electrodomésticos y sistemas de climatización de bajo consumo; el mayor aislamiento de la envolvente; la arquitectura bioclimática…
• Incrementar la generación local. Los edificios pasen de ser meros consumidores de energía a ser también generadores (prosumers). Este cambio de concepción del edificio se basa en la integración de energías renovables en el edificio (colectores solares, generadores fotovoltaicos, molinos de viento, geotermia…) y de sistemas de generación de calor y electricidad in situ (CHP – Combined Heat and Power). Este enfoque no sólo aumenta la eficiencia del proceso de generación de la energía, si no que también aumenta el rendimiento del sistema de energético ya que evita las pérdidas de transporte y distribución.
• Compartir el excedente de energía (a través de redes inteligentes – smart grids). Las redes inteligentes buscan una participación activa de los clientes en la gestión de la red a través de una estrecha interacción entre los operadores de red, los clientes y generadores de energía. Como resultado de esta interacción, se eliminan los picos de demanda y, como consecuencia de ello, no es necesario invertir en la ampliación de las redes de energía (transporte y distribución) ni en la construcción de costosas centrales eléctricas.

El proyecto FIEMSER se ha centrado en las dos primeras acciones: “Utilizar menos energía” e “Incrementar la generación local“. Aunque el proyecto no aborda la tercera, si que prepara al edificio para su integración en las redes inteligentes. Con el fin de lograr este objetivo, FIEMSER se apoya en dos estrategias de actuación fundamentales:

•  Reducir al mínimo la demanda de energía de fuentes externas al edificio, a través de la reducción de su consumo energético y la correcta gestión de la generación local (calor y electricidad) y el almacenamiento de energía para satisfacer la demanda energética del edificio, e incluso proporcionar la capacidad para exportar energía a la red cuando sea necesario.
• La interacción con el usuario del edificio, con el fin de aumentar la conciencia del consumidor sobre el impacto de su comportamiento en el consumo energético de su vivienda, proporcionando consejos para hacer cambios puntuales en su comportamiento sin perturbar sus condiciones de confort.

Por lo tanto, FIEMSER es un innovador gestor energético de edificios residenciales, tanto nuevos como ya existentes, cuyo objetivo es mejorar la eficiencia en el uso de la energía y reducir la demanda energética global del edificio, pero sin penalizar los niveles de confort de los usuarios del mismo.

Los BEMS actuales operan de acuerdo a una serie de estrategias de control predefinidas y siempre reaccionan de la misma manera. Por ejemplo, el sistema de climatización se activa cuando un valor alcanza el umbral prefijado y se desencadenan una serie de acciones de control asociadas predefinidas, sin tener en cuenta las condiciones cambiantes del edificio (previsión meteorológica, personas en el hogar y sus actividades…). Igualmente, la generación y el consumo de energía no están coordinados, se gestionan como dos sistemas aislados, por lo que no es posible optimizar la generación local de energía en el edificio con el consumo y las condiciones de suministro de las utilities.

Por lo tanto, FIEMSER inicia una nueva generación de BEMS que toman sus decisiones de control teniendo en cuenta las condiciones actuales de operación del edificio, y su evolución esperada, de una manera holística, con una estrecha conexión entre la demanda de energía y los sistemas locales de generación.

Igualmente, en su estrategia de potenciar la interacción con las personas residentes en el edificio, FIEMSER cuenta con un interfaz de usuario multiplataforma (PC, dispositivos Tablet, TV) que permite una interacción permanente con el sistema.

La Figura 1 muestra el concepto general del sistema FIEMSER:

2. La energía en los edificios residenciales

Cuando se analiza el comportamiento de los usuarios de una vivienda desde el punto de vista de la demanda energética, se observa que hay dos tipos de requerimientos claramente diferenciados:

• Demanda directa de energía. Este tipo de demanda normalmente se relaciona con equipos como los electrodomésticos (lavadoras, lavavajillas, etc.). En muchos casos, estas cargas se pueden considerar como “demanda desplazable”. En este caso, el consumo de energía no puede reducirse (la lavadora siempre consume la misma energía para un mismo ciclo de lavado), pero está sujeto a cierta flexibilidad. Por ejemplo, si alguien sale de casa a trabajar a las 7:30 y no vuelve a hasta las 17:30, cuando enciende la lavadora al salir de casa no necesita que ésta arranque en ese momento, le basta con que a su vuelta la ropa esté lavada, por lo que hay una flexibilidad de unas 11 horas para activar la lavadora. Por lo tanto, desde el punto de vista de los BEMS la mejor estrategia para optimizar su consumo energético es desplazar la activación de estos equipos a cuando el suministro de energía se realice en las condiciones más favorables (se dispone de generación con renovables, hay generación local, los costes de suministro por parte de los operadores de la red son más bajos…).
• Demanda indirecta de energía. Este tipo de demanda normalmente se relaciona con la iluminación y los sistemas HVAC. En estos casos, el usuario de la vivienda lo que demanda no es la activación de la carga, si no el servicio proporcionado por esa carga. Por ejemplo, cuando el usuario enciende una lámpara para leer, lo que realmente demanda son unas condiciones de iluminación adecuadas para esa actividad, que podrán ser logradas bien encendiendo la lámpara o bien mediante luz natural subiendo la persiana. Por el contrario, este tipo de cargas no son desplazables, ya que el usuario necesita las condiciones de iluminación en el instante en que va a realizar esa actividad. Por lo tanto desde el punto de vista de los BEMS la única estrategia para optimizar su consumo energético es identificar recursos alternativos que permitan satisfacer la demanda del usuario con el menor consumo energético posible.

Otro aspecto a tener en cuenta en la gestión energética de los edificios es la interacción entre los varios sistemas que lo componen. El sistema de climatización y el de iluminación son sumamente interdependientes. Por ejemplo, la bajada de las persianas mejora el aislamiento del edificio, y por tanto reducen la demanda de refrigeración, pero por el contrario, aumenta la demanda de iluminación artificial.

Por lo que respecta a la gestión de la generación local, también hay que diferenciar dos tipos de equipos de generación local:

• Generación local intermitente. Por lo general, se relaciona con las fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar. El arranque de estas fuentes de generación no es controlable, ya que está totalmente condicionado por las condiciones meteorológicas, pero tienen la gran ventaja de que el “combustible” es gratuito y generan 0 emisiones de CO2. En este caso, la estrategia de control de los BEMS debe orientarse a programar la activación de las cargas desplazables de forma que se maximice el uso de la generación de energía renovable local.
• Generación local controlable. Por lo general se relaciona con los CHP – Combined Heat and Power (micro-turbinas, pilas de combustible, generadores Stirling…). Aunque estas unidades de generación se pueden arrancar en cualquier momento, su operación eficiente (coste, durabilidad del equipo,…) requiere un tiempo mínimo de operación (no se pueden arrancar y parar constantemente) y poder aprovechar ambas energías generadas: eléctrica y térmica. Desde la perspectiva de los BEMS, estos equipos requieren una programación a corto-medio plazo, y esta programación se debe hacer teniendo en cuenta el consumo de energía en cada momento, la capacidad de almacenamiento y los precios de la energía. En algunos casos, estas unidades de cogeneración son alimentadas con biocombustibles y se pueden considerar  como fuentes renovables, por lo que aportan el beneficio adicional de tener 0 emisiones de CO2.

El consumo global de un hogar europeo medio se resume en la Figura 2. Este gráfico permite concluir que los sistemas de gestión energética de los edificios residenciales deben considerar como aspectos prioritarios los sistemas de climatización (calefacción y refrigeración), el agua caliente sanitaria y la iluminación. El impacto del ahorro energético del resto de los sistemas es secundario.

Fuente: Entregable “D1 – Energy generation, consumption and storage in buildings” del proyecto FIEMSER.

Por otra parte, la eficiencia energética de los sistemas de climatización e iluminación está  muy condicionada por sus condiciones de operación. Sin embargo, la eficiencia energética del resto del equipamiento del hogar (lavadora, nevera) está más relacionada con su proceso de diseño (electrodomésticos clase A, A+…) que con sus condiciones de uso.

3. El Sistema FIEMSER

Los BEMS se basan en cuatro módulos funcionales básicos: la interacción con el edificio, la lógica de control, la interfaz de usuario y la base de datos que recoge la información gestionada por el sistema. FIEMSER también sigue este enfoque general (ver Figura 3), pero va un paso más allá en la funcionalidad de cada uno de estos módulos:

• Red de Monitorización y Control (BMCN – Building Monitoring and Control Network). La funcionalidad principal de este módulo es proporcionar una red inalámbrica de monitorización y control que sea interoperable con los protocolos de control ya existentes (KNX, Modbus, ZigBee, 6LoWPAN …) de forma que en los edificios existentes se pueda aprovechar la infraestructura ya disponible o su instalación no exija complejas y costosas intervenciones para el despliegue de una red de comunicaciones cableada. En el diseño de la red inalámbrica de comunicaciones se ha optado por 6LoWPAN como protocolo de referencia, ya que su bajo consumo energético permite aumentar significativamente la autonomía de los sensores alimentados por baterías.
• Sistema Control Inteligente (ICS – Intelligent Control System). La funcionalidad principal de este módulo es establecer las estrategias de control para minimizar el consumo energético de las redes externas de suministro y el coste asociado. Estas estrategias de control se establecen a partir de la previsión horaria de la demanda energética del edificio y la generación de las fuentes renovables locales en las próximas 24 horas. Este cálculo se realiza mediante la utilización de herramientas de simulación (algunas ya existentes, como EnergyPlus, y otras desarrolladas por el equipo del proyecto) en base a la previsión meteorológica y el uso previsto del edificio en ese periodo. La demanda energética del edificio se minimiza mediante la configuración de la envolvente para que en cada momento se obtenga el mejor balance entre luz natural, ventilación natural y demanda de climatización. Una vez conocida la demanda energética y la generación de fuentes renovables locales, se optimiza el arranque la generación local  controlable y el arranque de las cargas desplazables. Finalmente, el sistema monitoriza la evolución del edificio en tiempo real con dos objetivos: detectar desviaciones respecto a las hipótesis con las que se generaron las estrategias de control, lo cual requerirá su replanificación, y seguir el comportamiento de los usuarios del edificio con objeto de sugerirles comportamientos más eficientes energéticamente.
• Interfaz de Usuario Multimodal (MUI – Multimodal User Interface). La principal funcionalidad de este módulo es permitir que los residentes en la vivienda puedan establecer sus preferencias de confort y hacerles llegar consejos para mejorar la eficiencia energética de los edificios. Con objeto de facilitar la interacción entre usuarios y sistema, el interfaz de usuario corre sobre varias plataformas (PC, Tablet…), siendo especialmente relevante su capacidad de operar sobre la TV, ya que es el principal equipo multimedia en los hogares y es fácilmente accesible a todos los perfiles de usuarios, independientemente de su edad y su familiaridad con las TICs (jóvenes, adultos, 3ª edad…).
• FIEMSER DB.Esta base de datos complementa la información recogida por la BMCN con datos provenientes de fuentes externas (previsión meteorológica, precios dinámicos de la energía, etc.) accesibles como servicios web. A su vez contiene el modelo de datos del edificio, generado a partir de ficheros gbXML con objeto de facilitar la interoperabilidad de FIEMSER con las herramientas CAD habituales en el sector de la construcción. Esta base de datos constituye el mecanismo de comunicación fundamental entre los tres módulos anteriores.

3. Múltiples escenarios de operación

En Europa, la tipología de los edificios residenciales es muy variada: vivienda unifamiliar, casa adosada, bloques de viviendas… Cada tipo de edificio implica un modelo gestión de la propiedad diferente, lo cual determina tanto las posibilidades de compartir los sistemas de generación y almacenamiento de la energía como la arquitectura del BEMS.

Con objeto de poder adaptar FIEMSER a los diferentes entornos de operación, FIEMSER se ha desarrollado sobre una arquitectura modular, tal y como se describe en la Figura 4:

Esta arquitectura permite articular el sistema FIEMSER sobre tres grandes componentes que pueden ejecutarse todos sobre la misma máquina o sobre máquinas diferentes cada uno de ellos:

• Building Energy Management System (BEMS). Este componente constituye el núcleo principal del sistema. Contiene el ICS, la base de datos de FIEMSER y el servidor del interfaz de usuario.
• Building Monitoring and Control Network (BMCN). Este componente es el responsable de la interacción directa con los sensores y actuadores del edificio. Además, realiza la integración de los diferentes protocolos de control existentes en el mercado con el sistema FIEMSER.
• Clientes del Multimodal User Interface (MUI). Este componente es el responsable de la interacción directa con los usuarios del sistema.

Esta flexibilidad permite plantear diferentes configuraciones en función del tipo de edificio residencial. Analicemos dos tipologías de referencia:

• Vivienda unifamiliar. En este caso el sistema sólo tiene que controlar una vivienda, por lo que se trata de un espacio relativamente pequeño y con una única familia accediendo al sistema. Por lo tanto, todos los componentes del sistema pueden correr sobre un mismo ordenador, sobre cuya pantalla se puede ejecutar el cliente del MUI (ver Figura 5):

• Bloque de viviendas. En este caso un único sistema FIEMSER debe controlar varias viviendas y zonas comunitarias del edificio. Dichas zonas comunitarias son las que contienen los sistemas de generación y almacenamiento local (calderas, CHP, paneles fotovoltaicos, colectores solares, tanques de agua caliente…). En este caso, la configuración de FIEMSER más adecuada es un ordenador central en el que corre el BEMS y, conectados a éste a través de la LAN del edificio, unos pequeños ordenadores en cada vivienda sobre los que corre el BMCN encargado de la interacción con los sensores y actuadores de cada vivienda y el cliente del interfaz de usuario  (ver figura 6):

4. Conclusiones

El sistema FIEMSER constituye un avance significativo respecto a los BEMS actuales ya que a través del análisis de las condiciones actuales y futuras (las próximas 24 horas) de operación del edificio es capaz de generar las consignas de operación del mismo dinámicamente, integrando la gestión optimizada de la generación local y las cargas del edificio. Igualmente, FIEMSER integra al usuario del edificio en la gestión energéticamente eficiente del mismo mediante la generación de consejos que la hace llegar a través de un interfaz de usuario multiplataforma, lo cual le permite estar en permanente contacto con el sistema. FIEMSER se encuentra actualmente en fase de validación en dos entornos climáticos complementarios y muy representativos de las condiciones climáticas en Europa: el edificio experimental KUBIK, en las instalaciones de TECNALIA en Derio (España), y las Twin Houses, en las instalaciones del Fraunhofer IBP en Holzkirchen (Alemania).

Agradecimientos

Los autores desean agradecer a la Comisión Europea (DG INFSO) su apoyo financiero al proyecto, así como a todos los miembros del consorcio FIEMSER (TECNALIA, CSTB, Fraunhofer IBP, Universidad de Dublín – Clarity, ACCIONA, TENESOL, TPV y THALES) por su contribución a los trabajos presentados en este documento.

Referencias

Cheng, C. et al. (2008) “The Kyoto Protocol, The Clean Development Mechanism and the Building and Construction Sector – A Report for the UNEP Sustainable Buildings and Construction Initiative”, United Nations Environment Programme, France.

Pérez, J. et al. “FIEMSER: Energy Efficiency in Smart Residential Buildings”, Proceedings of the CIB W78-W102 2011: International Conference – Sophia Antipolis, France, 26-28 October 2011.

Piper, J. (2001) “Understanding open protocols”, Building Operating Management V48 August 2001.

Sisson, B. et al. (2008) “Energy Efficiency Buildings: Business realities and opportunities”, World Business Council for Sustainable Development (WBCSD).

Proyecto FIEMSER – Entregables públicos: http://www.fiemser.eu/?page_id=40

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