Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes
Autores
- Joanes Plazaola, Alain Pérez, Félix Larrinaga & Íñigo Aldalur, Investigadores, Mondragon Unibertsitatea
- Aitor Akizu y Natividad Herrasti, Investigadores, ETIC Innovation Center
- Enrique Martín, Javier Martín & Alfonso Gordaliza, Investigadores, Veolia Servicios LECAM
- José Luis Hernández y Ali Vasallo, Investigadores, Fundación CARTIF
Resumen
En el proyecto europeo CITyFiED, con acuerdo de subvención Nº 609129, se ha diseñado una solución TIC para la recogida, tratamiento y presentación de datos energéticos con el objetivo de contribuir a la mejora en la eficiencia energética en el distrito Torrelago de la ciudad de Laguna de Duero (Valladolid). Esta comunicación presenta las herramientas, así como la plataforma tecnológica, que permiten la visualización y análisis de los datos recogidos en el distrito de Torrelago, principalmente provenientes del sistema de monitorización de la red de calor basada en biomasa y de los sensores inalámbricos domésticos para medir los consumos eléctricos y valores de confort. Esta solución permite el empoderamiento de los distintos usuarios (residentes, operador energético y personal técnico) y les ayuda en la toma de decisiones para la mejora de la eficiencia energética del distrito. Para tal propósito, se han desarrollado tres herramientas: (1) diseño y puesta en marcha del sistema de monitorización así como de sus procedimientos de garantía y seguridad de los datos, siendo el principal actor involucrado el instalador y gestor de dicho sistema de monitorización; (2) visualización de consumos, así como de recomendaciones para hacer un uso más eficiente de los recursos disponibles, involucrando a los residentes para además incrementar su concienciación ciudadana; (3) cálculo y visualización de indicadores clave de rendimiento (KPI), enfocados a dar soporte a las empresas de servicio energético (ESCO) en el estado y evolución del consumo energético en el distrito, tomando en cada caso las mejores opciones de control y gestión energética. Para llevar a cabo el proyecto se han usado metodologías centradas en el usuario (UCD) de manera que los residentes han estado involucrados en todo el ciclo: conceptualización, diseño, validación y testeo.
Palabras clave
Smart-Cities, Empoderamiento, Eficiencia Energética, HMI, Herramientas de Visualización, KPI
Introducción
CITyFiED (CITyFiED, 2018) es un proyecto de I+D+i de carácter demostrativo que centra una parte muy importante de su desarrollo en la rehabilitación con criterios de eficiencia energética de distritos urbanos en distintas localidades europeas. Laguna de Duero-Valladolid (España), Soma (Turquía) y Lund (Suecia) son las ciudades donde se han desplegado los tres casos de demonstración, los cuales incluyen la rehabilitación de la envolvente de los edificios con sistemas de aislamiento térmico por el exterior (SATE), la mejora de los sistemas de calefacción de distrito (DH), la integración de fuentes de energía renovables y la implementación de plataformas de monitorización a nivel local (Vasallo et al, 2015). La monitorización de las intervenciones es un aspecto clave del proyecto. Uno de los objetivos de CITyFiED es dotar a los distintos agentes involucrados en el proyecto de soluciones TIC por medio de las cuales puedan conocer y evaluar el consumo energético, asociándolo a su coste económico y su impacto medioambiental. Así, junto a las medidas de rehabilitación implementadas, se han instalado un conjunto de sistemas a nivel de distrito, edificio y vivienda que permiten medir el consumo energético. Con objeto de recoger, analizar y visualizar los datos de cada demostrador, se han desarrollado plataformas de monitorización cuyo principal objetivo es proveer de los sistemas y mecanismos para medir, gestionar y controlar el consumo energético en los distintos demostradores y posibilitar la toma de decisiones sobre el uso de los distintos sistemas energéticos. La evaluación del rendimiento se realiza usando indicadores (KPI). Este aspecto resulta clave para la verificación y medida de los ahorros energéticos y reducción de las emisiones de CO2 que se pretenden lograr. Esta comunicación presenta la plataforma de monitorización desarrollada en el demostrador español de Laguna de Duero, así como las soluciones TIC implementadas sobre esa plataforma y que responden a las necesidades de los distintos agentes involucrados en el proyecto; en particular, residentes, ESCO, gestores y técnicos de la plataforma a nivel local en el distrito de Torrelago, y en general, socios del proyecto y Comisión Europea. La estructura del artículo es la siguiente. En primer lugar, se presenta la arquitectura del sistema de monitorización. A continuación, se presenta la metodología seguida en la construcción de las soluciones. Después se presentan las soluciones TIC desarrolladas indicando los objetivos perseguidos, la solución propuesta, las tecnologías empleadas y los resultados obtenidos. Finalmente se presentan las conclusiones al trabajo realizado.
Arquitectura de la plataforma de monitorización
La arquitectura de la solución de monitorización en el demostrador español consta de sistemas de gestión de energía (EMS, Energy Management Systems) a distintos niveles y de una plataforma para la recogida, gestión y presentación de los datos (plataforma de monitorización). Los sistemas de gestión de energía se clasifican como (Ver Figura 1):
Sistemas de gestión implantados en el hogar (HEMS, Home Energy Management System) para recoger los datos de consumo eléctrico, térmico, de confort y de tarificación.
- Sistemas de gestión implantados a nivel de edificio (BEMS, Building Energy Management System) para monitorizar y controlar el consumo térmico de las distintas subcentrales de la red de calor, monitorizando la demanda (potencia, temperatura y caudal).
- Sistemas de gestión implantados a nivel de distrito (DEMS, District Energy Management System) que controlan y recogen información de la producción térmica del distrito (producción instantánea, caudales, acumulaciones de energía térmica asociadas a la red de calor, etc.).
Los datos obtenidos de las mediciones en los sistemas HEMS, BEMS y DEMS se almacenan en una plataforma cloud desplegada en Microsoft Azure (Microsoft, 2018). Esta plataforma ofrece infraestructuras y herramientas para la construcción de soluciones de Internet de las cosas (IoT), escalables y modulares, estando compuesta por: 1) Bases de datos (BD) estructuradas donde almacenar toda la información recogida, 2) Servidor de aplicaciones energéticas (EAS) con capacidad de analítica de datos para seguimiento y el control del comportamiento energético de cada uno de los sistemas mediante el cálculo de indicadores (KPI) y su visualización en cuadros de mando, 3) Aplicaciones de presentación de datos o HMI (Human Machine Interfaces) desarrollados sobre web o dispositivos móviles necesarios para la interacción del usuario con la plataforma, y 4) Módulos de extracción de Open Data, que consumen datos abiertos ofertados por terceros para proporcionar información adicional con el fin de dar recomendaciones energéticas más precisas a los usuarios finales.
Metodología
Para implementar las soluciones TIC presentadas en esta comunicación se ha utilizado un proceso o metodología basada en el Diseño Centrado en el Usuario (UCD) (Hassan & Ortega, 2009), ajustando dicho enfoque a las necesidades y requisitos del proyecto CITyFiED. UCD es un método que consiste en basar el diseño de una solución en las necesidades, limitaciones y preferencias del usuario final, siendo éste el centro de todo el desarrollo. La metodología desarrollada en CITyFiED ya se presentó en una comunicación anterior (Martínez et al, 2015) y contempla cuatro fases: concepto, diseño, desarrollo y despliegue. En la aplicación de la metodología se han provisto una serie de herramientas para facilitar el desarrollo de las soluciones, como workshops, sesiones de brainstorming y testeos de usuario donde los agentes han participado activamente. La metodología toma en cuenta no solo aspectos tecnológicos sino también a cuestiones de comunicación y comportamiento de los usuarios.
Soluciones TIC de soporte a la eficiencia energética
Los datos almacenados en la plataforma permiten la construcción de herramientas para satisfacer las necesidades de distintos agentes involucrados en el proyecto con distintas perspectivas. A continuación, se presentan las herramientas desarrollas, indicando de que solución se trata, quien es el usuario destinario de la solución, cuales son los objetivos perseguidos, que tecnologías se han utilizado y cuáles son los resultados obtenidos.
Herramientas de soporte a la puesta en marcha, despliegue y seguimiento
Solución: Consiste en dos herramientas: 1) Herramienta de soporte a la validación de medidas de datos en la instalación: La herramienta se utiliza para comprobar si los sistemas eléctricos instalados están enviando información a la plataforma después de la instalación en la vivienda y para saber si la misma es coherente. La herramienta forma parte de una aplicación web que presenta la información en dos formatos: gráficos y tablas (Fig. 2a). 2) Herramienta de acondicionamiento de datos térmicos del DH como soporte a la simulación. Los datos de producción, distribución y consumo del DH son empleados para el contraste con la simulación de las diferentes estrategias de funcionamiento, en edificios y viviendas, siendo sistemas que siguen un patrón de consumo (Fig. 2b).
Stakeholder: Instaladores de sistemas HEMS, ESCO y gestores de la plataforma.
Objetivo: El objetivo de la herramienta de soporte al comisionado es doble. Por un lado, permite detectar si un sistema HEMS (eléctrico) se registra correctamente en la plataforma. Por otro lado, permite detectar si el sistema está enviando datos a la plataforma y si estos son coherentes.
El objetivo perseguido con la herramienta de acondicionamiento es recoger información del sistema DH y preparar esa información para ser consumida por las herramientas de simulación de la ESCO. Esas herramientas de simulación permiten a la ESCO ajustar y optimizar el funcionamiento del sistema DH basándose en los datos reales proporcionados por la plataforma, para lo cual se utilizan una serie de periodos representativos del sistema que cubran todo el rango de operación del mismo.
Tecnología: La Tabla I especifica las tecnologías empleadas en el desarrollo de la herramienta.
Resultados: Como resultado se ha obtenido una plataforma que permite el intercambio correcto de datos entre los sistemas de monitorización del DH y los edificios con los programas de cálculo de KPIs y simulación (TRNSYS), evitando de esta manera que la ESCO tenga que realizar un acondicionamiento manual de estos datos para su utilización en otros entornos. Para ello, la herramienta realiza una búsqueda de todos los datos requeridos por la misma en el archivo de datos enviado por los sistemas de medida, desechando todos los datos sobrantes y acondicionando los mismos al formato necesario para su posterior utilización. Asimismo, la misma herramienta es capaz de informar a la ESCO si ha existido algún fallo en el salvado de los datos (ver figura 2b), permitiendo a la ESCO la recuperación de los mismos de los sistemas de medición antes de que esta sea imposible, a través de una rutina previamente programada, o bien, justificar la falta de los datos durante un lapso temporal, ya sea por paradas de mantenimiento, defectos en la medición, etc.
Herramientas de visualización/recomendación (consumo energético)
Solución: La herramienta de visualización es una aplicación responsive web donde los residentes pueden monitorizar sus consumos de energía y obtener recomendaciones. En este caso, se trata de una aplicación que consume los datos recopilados de las viviendas y el DH a nivel HEMS, BEMS y DEMS, junto a datos estructurales y otros datos, tales como predicciones meteorológicas o recomendaciones de operadores recogidas de fuentes de datos abiertas.
Stakeholder: Residentes de las viviendas.
Objetivo: El objetivo de la aplicación es empoderar al residente sobre sus hábitos de consumo y ayudarle en la toma de decisiones. Los objetivos secundarios son 1) Medir la aceptación por parte del usuario de las soluciones tecnológicas y no tecnológicas ideadas como herramientas para la reducción del consumo energético y 2) Analizar la usabilidad de las soluciones e identificar los puntos débiles a la hora de utilizarlas para su continua evolución.
Tecnología: La Tabla I especifica las tecnologías empleadas en el desarrollo de la herramienta en su front-end y el back-end. El desarrollo de esta herramienta se presentó en una comunicación anterior (Martínez et al, 2015).
Resultados: Como resultado se ha obtenido una aplicación web (http://cityfied-hems-hmi.azurewebsites.net/) que se adapta a distintos dispositivos (móviles, tablets o portátiles). Este portal muestra al usuario la siguiente información; 1) Consumo eléctrico acumulado durante el día y el mes (comparación con franjas anteriores), 2) Consumo térmico y eléctrico, y sus correspondientes gastos económicos de los últimos seis meses, 3) Consumo eléctrico acumulado durante el mes clasificado por electrodoméstico, 4) Recomendaciones de buenos hábitos de consumo energético, 5) Mensajes y avisos personalizados a los consumos energéticos del residente, y 6) Previsión meteorológica de los siguientes cinco días, recomendaciones de temperaturas de consigna, etc. La Figura 3 muestra la apariencia de varias secciones de la página web en el caso de acceder a la misma desde diferentes dispositivos. La validación de la solución por parte de los residentes es un aspecto esencial a medir. La evaluación de la calidad de la solución implementada y el análisis del impacto de la aplicación web en la toma de decisiones relativas a sus hábitos de consumo se abordará durante el último año del proyecto. Ya se han habilitado herramientas como Google Analytics para la recogida de datos de tráfico de la aplicación. Además, tests de usuario, encuestas de satisfacción y medición del uso serán las siguientes acciones a implementar.
Herramientas de cálculo/visualización de los indicadores clave (KPI)
Solución: Esta solución consta de dos partes; 1) una herramienta de cálculo de KPIs a partir de los datos crudos utilizando las consiguientes fórmulas específicas y 2) un cuadro de mandos donde se muestran dichos KPIs.
Stakeholder: ESCO, socios del proyecto y Comisión Europea
Objetivo: El objetivo de la solución es proveer de información de KPIs del proyecto en un contexto que facilite la visualización de los datos y las intervenciones realizadas y ayude en la toma de decisiones a las ESCOS.
Tecnología: La Tabla especifica las tecnologías empleadas en el desarrollo de la herramienta.
Resultados: Como resultado se ha obtenido un entorno user-friendly en el que la ESCO puede observar la evolución mensual de los KPIs previamente definidos (ver Figura 4) y si estos son acordes a lo esperado en la fase de proyecto, permitiendo que se tomen decisiones operativas que mejoren el funcionamiento y la eficiencia del sistema. Entre los KPIs definidos se encuentran los técnicos (load profile, peak load, energía consumida, etc.) y los medioambientales (ahorros energéticos, emisiones de CO2 evitadas, etc.). Esto ha permitido automatizar un proceso largo y tedioso de cálculo, permitiendo a la ESCO una reducción del uso de recursos propios, permitiendo centrar el trabajo en la gestión de la instalación de cara a optimizar los resultados, tanto energéticos como económicos. El cálculo de los KPIs ha sido contrastado contra cálculos manuales de un mes tipo, corroborando que los resultados obtenidos son los correctos, especialmente desde el punto de vista técnico, comprobando que los resultados eran congruentes.
Conclusiones
Durante el proyecto se han desarrollado diferentes herramientas TIC orientadas a dar respuesta a las necesidades de los diferentes stakeholders del proyecto que les ofrecen un cierto valor añadido. A continuación, se describen las diferentes conclusiones extraídas con respecto a cada una de estas herramientas. Las herramientas de validación y soporte a la instalación han ayudado a la identificación de fallos de medición o salvado en los medidores, problemas en las instalaciones y fallos de conexión en diferentes hogares. Gracias a ello, se han tomado medidas y se han podido corregir en su mayoría mejorando la calidad de los datos recogidos. Las herramientas de visualización/recomendación habilitan el empoderamiento de los usuarios ofreciéndoles los datos recogidos y recomendaciones tanto genéricas como personalizadas a su consumo. Estas herramientas habilitan también la medición de factores para el futuro análisis de su impacto. Las herramientas de cálculo/visualización de KPIs ofrecen la visualización de indicadores clave del proyecto en una primera visión, permitiendo el análisis del impacto y la evolución del proyecto en cada momento, reduciendo el tiempo invertido en las tareas más repetitivas, optimizando así el uso de recursos de la ESCO.
Referencias
- CITyFiED Project, 2018
- Vasallo A., Martín A., Gutiérrez S., Méndez E., Urra I., Martínez A., Larrinaga F., Arenaza-Nuño I. & Fernández E., “Proyecto Europeo CITyFiED. Estrategia para la rehabilitación y transformación de espacios residenciales urbanos en áreas de energía casi nula” I Congreso de Ciudades Inteligentes, Madrid, 2015
- Microsoft Azure, 2018.- Hassan Montero, Y., Ortega Santamaría, Sergio., 2009, Informe APEI sobre usabilidad. Informes APEI, Nº. 3, ISBN 978-84-692-3782-3
- Martínez De Aguirre, I., Larrinaga, F., Reguera, D., Arenaza-Nuño, I., Cuenca, J., Gutiérrez, S., Vasallo, A., “Desarrollo y aplicación de una metodología para el diseño de soluciones de visualización en el proyecto europeo CITyFiED”, II Congreso de Edificios Inteligentes, 2015