Edificios inteligentes y sostenibles: arquitectura de percepción y control para la gestión de energía

Abstract

El sector de los edificios consume entre el 30% y el 40% de la energía mundial. En el caso de la Unión Europea, para satisfacer las necesidades del usuario, del total de energía usado en este tipo de instalaciones el consumo térmico representa más del 60%. Por otro lado, el cambio climático, la explosión demográfica, el incremento de la esperanza de vida, y la predicción de que dentro de un par de décadas el 80% de la población se concentrará en ciudades, son factores que exigen un nuevo paradigma que interconecte en tiempo real las redes de energía, agua, transporte, residuos, salud, etc., y gestione eficientemente los recursos, disminuyendo en las próximas décadas los efectos nocivos provocados, entre otras causas, por las emisiones de CO2. Una parte de la solución podría estar en el uso de energías renovables, que permiten la generación de calor o electricidad, y son respetuosas con el medio ambiente. Es evidente que también ayudaría una gestión eficiente de la energía. En el panorama energético mundial se están empezando a vislumbrar cada vez más aplicaciones orientadas a facilitar esta gestión, con mayores funcionalidades, motivadas en parte por el continuo crecimiento y reducción de tamaño de los dispositivos electrónicos, con mayores capacidades de procesamiento, almacenamiento y canales de comunicación. Facilitar el acceso y control del consumo de energía desde este tipo de instrumentos al usuario, gestor, o proveedor, es un factor clave para dar soporte a las actividades diarias del ser humano. Es un hecho que este acceso se está viendo influenciados por el desarrollo de estándares y tecnologías de la WWW, donde en el mundo del internet ha permitido interconectar millones de páginas relativas a prácticamente todos los aspectos de la vida moderna. En este trabajo de investigación se propone e implementa una arquitectura de percepción y control inteligente para la gestión eficiente de la energía en un edificio. Esta arquitectura incluye técnicas de computación suave y algoritmos de aprendizaje automático, además de usar una nueva generación de sensores virtuales que hacen uso de tecnologías de la web semántica. Esta nueva generación de dispositivos hace posible percibir el entorno a través de sensores virtuales y proveer servicios conscientes del contexto, enriqueciendo la percepción y retroalimentación del usuario con información para la toma de decisiones. La necesidad de representar el conocimiento entre dispositivos o servicios con una semántica para el intercambio de información se ha facilitado mediante el uso de ontologías y tecnologías de la web semántica. Con las ontologías se definen de manera explícita las características y propiedades de los sensores, así como los perfiles de comportamiento y agenda de actividades de los usuarios. El contar con un modelo que interconecte a los diferentes actores involucrados: usuario, gestor y proveedor de la energía, conduce a la búsqueda de correlaciones entre datos provenientes de diversas fuentes, y permite una toma de decisiones inteligentes tanto analíticas como heurísticas. Los algoritmos de aprendizaje automático, al extraer patrones en grandes volúmenes de datos, facilitaron la toma de decisiones mediante la obtención de predicciones que permiten adelantarse a posibles escenarios en los que el estado del entorno puede verse afectado por factores internos (necesidades del usuario) o externos (condiciones meteorológicas)...Buildings produce high CO2 emissions as they consume almost 40% of worldwide energy, and a remarkable percentage of this energy is used for achieving thermal comfort conditions, both in heating and cooling. Thermal comfort is one of the first priorities, as it represents around 65% of building energy consumption. This point is highlighted by government policies and tax incentives aimed at efficient energy management to reduce CO2 emissions. The European Parliament has adopted guidelines that require public buildings after 2019 and new buildings after 2021 to comply with the regulations to be certified as nearly zero energy buildings (nZEB). In these buildings the annual net balance between energy production and consumption should be close to zero. Solar energy is the most widely renewable energy all over the World. Solar power is sufficient to cover the thermal comfort demands in medium and low latitude regions. However, the variations in solar radiation, including day‐night and seasonal cycles, require thermal energy storage systems (TES) to adjust the thermal demand to the energy production. Another way of storing energy in a building is by means of a wall envelope. Wherever there is a difference in temperature the heat flows naturally from a warmer to a cooler space. During the summer, heat moves from the outside into the building, and the opposite happens in winter. The excess of heat in summer and the heat losses in winter need to be managed to maintain thermal comfort at low cost. Even more, the heating and air conditioning loads increase by daily and seasonal outdoor temperature variations. In buildings, the wall envelope has been proved to be a key factor to reduce heating/cooling loads. To make better use of the thermal energy, we propose the inclusion of fluid‐based heat exchange circuits embedded in the structure by using TES, trying to minimize the energy flow and, at the same time, reach the desired indoor temperature. This work proves that a better design of the external walls with a thermal barrier, with a multi‐layer structure composed of at least three layers (insulationconcrete‐ insulation), provide a significant reduction in the energy consumption and a much better use of the energy to achieve thermal comfort in buildings. This is one of the main contributions of this thesis, the use of a dynamic thermal barrier. This element, integrated with a solar collector and a low enthalpy geothermal system, has been designed, simulated and implemented in an nZEB prototype building, located in Madrid (Spain). The novelty of current approach is the way it manages the fluid flow between the different thermal systems of the building, including the heating transfer to the thermal barrier. The control of the energy flow between these three systems allows a better management of the thermal energy in the building to meet users comfort demand. On the other hand, currently energy systems are composed of numerous small‐scale distributed power generation sources and storage systems, interconnected in micro‐grids, with conventional centralized energy generation modules. Therefore, electric companies are interested in controlling and monitoring all these types of heterogeneous devices connected to the electrical and energy infrastructures. In this context, the Internet of Things (IoT) has emerged as a way to improve the conventional strategies for heating/cooling devices management, where pervasive sensors are used for the automatic control of the energy components, based on user behaviours, profiles, and preferences. This new paradigm improves the efficiency of the thermal energy demand by the experience gathered from the customers. Machine learning algorithms or soft computing techniques are integrated to manage the interconnections among different sources including data provided by user context. These energy monitoring and control schemes are related to the sensing, processing, networking devices and advanced techniques...