Reducir el consumo energético de los edificios existentes, aplicando una lógica predictiva-adaptativa para guiar la eficiencia de los sistemas del edificio, es el objetivo del proyecto europeo Heart. Con cinco años de trabajo (octubre 2017-marzo 2022), el proyecto ha desarrollado una plataforma web capaz de reducir el consumo de energía y de optimizar las interacciones de la red. Actualmente, la plataforma Heart se está aplicando en dos proyectos piloto, en Italia y Francia, para comprobar su efectividad, cuyos resultados finales estarán disponibles al final del proyecto.
Heart está liderado por el Politécnico de Milán (Italia) y cuenta con un consorcio compuesto por 16 entidades procedentes de Francia, Eslovenia, Italia, Reino Unido, Austria, Luxemburgo, Croacia, Bélgica, Suiza y España. La participación española está representada por la empresa Construcciones García Rama y por la Fundación CTIC (Centro tecnológico para el desarrollo en Asturias de las tecnologías de la información).
Heart utiliza la información externa, como el pronóstico del tiempo o la variación en las tarifas de energía, e interna, como entradas y retroalimentaciones de los usuarios de los edificios, para establecer las operaciones necesarias que reduzcan el consumo energético.
Para ello, se aplica un protocolo que utiliza una función de autoaprendizaje, que compara los resultados de la simulación y el pronóstico con la retroalimentación de la monitorización continua del edificio y de los usuarios. De esta forma, se calibran los parámetros computacionales adecuadamente.
Respecto a la monitorización, se lleva a cabo mediante sensores estratégicamente posicionados, los cuales recopilan datos sobre la temperatura, humedad relativa, ocupación, CO2, etc. Estas mediciones permiten verificar y calibrar la monitorización, en su mayoría virtual, con el fin de realizar una gestión óptima de las condiciones de funcionamiento, consumo energético, modo de uso, mal funcionamiento y necesidades de mantenimiento, entre otras acciones. Todo ello bajo el control de un único sistema, Building Energy Management System (BEMS).
Sistema BEMS
Con una inversión de 6.638.687,50 euros, de los cuales 5.669.012,50 euros están financiados por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, el proyecto Heart ha desarrollado el sistema BEMS, que implementa la lógica de operación para controlar y distribuir el flujo de energía eléctrica, energía térmica e información, coordinándolo con los principales dispositivos, como unidades de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), HP, tanques de almacenamiento térmico, energía solar fotovoltaica (PV) y fan coils, y monitorizando su estado y configuraciones.
El Building Energy Management System también permite la interacción directa con los ocupantes, que pueden realizar un seguimiento del rendimiento del edificio y controlarlo mediante aplicaciones dedicadas en dispositivos móviles como tablets o teléfonos inteligentes.
El BEMS se compone de tres niveles diferentes de controles. El nivel 1 es un sistema de control de raíz (firmware) integrado en cada componente Heart, por ejemplo, en las bombas de calor o en los fan coils inteligentes. Este nivel se centra en la protección de las operaciones de los componentes y de la gestión de cada aparato.
En el segundo nivel, se realiza la lógica de control básica fuera de línea, implementada físicamente a nivel de edificio, en un hardware específico llamado Building Controller y Gateway. Por último, en el nivel 3 se encuentra la lógica en línea adaptativa-predictiva, integrada en la plataforma en la nube.
Respecto al controlador del edificio y a la puerta de enlace, son partes importantes tanto en el nivel 2 como en el nivel 3, ya que son los encargados de proporcionar las funciones básicas del BEMS, monitorizando y controlando el sistema en tiempo real. Por otro lado, el controlador está conectado a la nube, a una plataforma que mejora el monitoreo de BEMS, así como sus decisiones de control gracias a sus capacidades analíticas y al acceso a datos de terceros, es decir, información medioambiental, previsión meteorológica, etc.
Asimismo, tanto el controlador del edificio local como la puerta de enlace siempre están conectados con los electrodomésticos y dispositivos del edificio, garantizando la estabilidad y la disponibilidad del sistema en caso de que se produzca una interrupción de la conexión a Internet.
El sistema se ejecutará en dos comunicaciones diferentes utilizando los protocolos NarrowBand-Internet of Things (NB-IoT) y wifi. Una vez finalizado el proyecto, el sistema se basará en las comunicaciones NB-IoT, aunque se mantendrá el subsistema basado en una red de malla wifi, como mecanismo de respaldo en caso de que NB-IoT tenga una baja cobertura.
Validación de la plataforma Heart
El proyecto Heart cuenta con dos pilotos, ubicados en Francia e Italia. Cerca de Lyon (Francia) está el centro de demostración de EMH, un edificio multifamiliar distribuido en cinco plantas y tres escaleras. El edificio tiene una superficie de unos 1.300 metros cuadrados subdivididos en 18 unidades.
Este edificio se ha modernizado por completo con las herramientas Heart, instalándose dos unidades de bombas de calor de alta eficiencia conectadas a 54 fan coils inteligentes que proporcionan calefacción y refrigeración a cada apartamento. El techo está cubierto con unos 375 metros cuadrados de energía fotovoltaica integrada en el edificio (BIPV) de 25 kWp, acoplado directamente con DC-HP y dos unidades MIMO. El almacenamiento térmico de unos 8.000 litros y un paquete de baterías de 6 kWh aumentarán el autoconsumo in situ y evitará la sobrecarga de la red.
El segundo piloto es el proyecto de demostración ACER en Bagnolo in Piano (Reggio Emilia, Italia). El edificio residencial, de cuatro plantas y dos escaleras, cuenta con una superficie de 636 metros cuadrados subdivididos en 12 unidades, donde se han implementado bombas de calor de alta eficiencia.
Cada uno de los apartamentos está equipado con tres fan coils inteligentes conectados a las bombas de calor, obteniendo refrigeración y calefacción. La electricidad generada por la BIPV es de aproximadamente 10 kWp, se utilizará principalmente para alimentar la bomba de calor directamente, utilizando una unidad MIMO. Para permitir el almacenamiento del exceso de energía, se conectará al DC-HP un almacenamiento térmico de unos 4.000 litros y un paquete de baterías de 3 kWh. La reforma de las ventanas y el aislamiento envolvente opaco del resto de fachadas y cubierta contribuirán a reducir la demanda energética.
En el piloto italiano, se han instalado y desplegado en el ático las conexiones por cable, mientras que los puntos de acceso (AP) wifi mesh se han implementado en áreas comunes como las escaleras. Uno de los puntos difíciles en la configuración de los puntos de acceso es el de proporcionar una completa cobertura a todos los dispositivos del edificio y suficiente ancho de banda para garantizar el rendimiento del BEMS.
Tras diferentes pruebas de comprobación y evaluación, los puntos de acceso seleccionados ofrecen una señal fuerte en un rango de 10 metros con solo tres o cuatros paneles de yeso entre el AP y el dispositivo. El equipo de instalación realizó varias pruebas que confirmaron la cobertura del diseño actual del sistema. Además, se instalaron dos enrutadores wifi mesh en el ático, donde están ubicados los principales dispositivos de red.
Para obtener un ahorro energético en los edificios, es necesario que todos los dispositivos inteligentes trabajen conjuntamente bajo las directrices de un sistema central que evalúe cada uno de los componentes. Esto es lo que está consiguiendo el proyecto Heart a través del sistema BEMS y de la plataforma web.