Antecedentes

A pesar del alto potencial que tienen las estrategias pasivas combinadas con sistemas solares respecto al ahorro de energía en edificios, el consumo energético en el acondicionamiento térmico de edificios es uno de los grandes problemas actuales del sector energético y tiene una fuerte repercusión medioambiental. Por ello, desde hace décadas existe un interés creciente por promover la eficiencia energética en la edificación, que ha impulsado investigación sobre estos temas ([1, 2]). Destacan las iniciativas internacionales en diferentes tareas en el marco de los programas "Energy Conservation in Buildings and Community Systems (ECBCS)" ([2]) y "Solar Heating and Cooling (SHC)" ([1]) de la Agencia Internacional de la Energía (IEA), etc.

En el ámbito de la normativa este interés también se ha plasmado en diferentes Directivas Europeas, y en la progresiva entrada en vigor de legislación al respecto ([3]). La implementación de nueva directiva Europea "Energy Performance of Buildings Directive (EPBD)" 2010 hace necesario disponer de tecnologías que permitan conseguir edificios de energía casi cero y también métodos que permitan evaluar y caracterizar de forma fiable el comportamiento energético de componentes constructivos y edificios.

La mayor parte de la normativa actual referente a la evaluación de la calidad energética y al ahorro de energía en acondicionamiento de los edificios se aplica en la fase de diseño calculando el consumo energético teórico, generalmente mediante software de simulación térmica dinámica. Sin embargo el comportamiento real tras la construcción del edificio puede desviarse significativamente del comportamiento teórico. Desde finales de los años 70 se han desarrollado trabajos de investigación a nivel internacional para establecer criterios de validación de los programas de simulación energética de edificios. Si bien incluso los más avanzados tienen carencias que hacen necesario continuar con la investigación en esta línea [4].

Hoy en día es clara la necesidad de llevar a cabo ensayos y modelado detallado de edificios a escala real que se ve acentuada por la integración de un amplio rango de elementos constructivos inteligentes, tecnologías energéticas de bajo consumo y sistemas solares activos. La necesidad de llevar a cabo trabajos de investigación en este ámbito ha dado lugar a una colaboración internacional en contexto del Annex 58 del programa ECBCS de la IEA ([5]), foro donde la UiE3 del CIEMAT participa activamente.

La incorporación de evaluaciones basadas en campañas experimentales puede contribuir notablemente a la mejora de los criterios de calificación energética de edificios. Objetivo que puede alcanzarse a partir de datos experimentales mediante técnicas diferentes de modelado [6, 7]. Otra aplicación de las técnicas de modelado basado en datos experimentales, es el control predictivo orientado a la eficiencia energética en edificios, también relevante respecto a la aplicación de la EPBD 2010.

A pesar de la utilidad e interés renovado por los ensayos a escala real, la práctica muestra que los resultados de muchas de estas actividades pueden ser cuestionadas en términos de exactitud y fiabilidad. Los ensayos a escala real, requieren calidad en todos los elementos de la cadena medida, donde es fundamental una buena infraestructura experimental ([8]). Cada vez más edificios de nueva construcción incorporan sistemas de control que registran datos. Sin embargo habitualmente estos sistemas diseñados con el único objetivo de realizar las funciones de un control convencional, no reúnen los requisitos meteorológicos óptimos para llevar a cabo estudios de evaluación, caracterización energética, y confort.

Uno de los ámbitos con mayor potencial de ahorro energético es la rehabilitación energética de edificios teniendo en cuenta que existe un gran número de edificios construidos en el pasado sin considerar criterios de eficiencia y ahorro energético, que se continuarán utilizando durante un tiempo prolongado en el futuro. Para la mayoría de estos edificios no se dispone de suficiente información sobre sus características constructivas como para evaluar su comportamiento energético teóricamente o mediante simulación, por lo que disponer de métodos fiables de evaluación experimental sería muy útil para poder hacer una diagnosis en la que basar su rehabilitación energética. Por otra parte la integración de un sistema de monitorización convencional en un edificio ya construido requeriría actuaciones altamente costosas e intrusivas de cableado y albañilería que podrían poner en cuestión la viabilidad de tales estudios. Por todo ello supondría un gran avance poder disponer de un sistema de medida fiable que evite el cableado en la medida de lo posible.

En esta línea de evaluación de edificios ya construidos, es de especial interés la monitorización edificios habitados en condiciones reales de uso, que incorpora la dificultad adicional de que el sistema de medida debe ser capaz de medir el nivel de ocupación de las diferentes estancias del edificio. La condición de no causar molestias a los usuarios, subraya la necesidad de un sistema de monitorización fiable no intrusivo.

La integración en edificios de elementos inteligentes, tecnologías energéticas de bajo consumo y sistemas solares activos pone de manifiesto cada vez más la necesidad de disponer de una caracterización adecuada y completa de los mismos a la hora de evaluar el comportamiento energético de los edificios que los contengan. Esto requiere llevar a cabo ensayos en condiciones de laboratorio, y medidas específicas de estos sistemas una vez instalados en edificios reales, construidos y en condiciones reales de uso. Por ello otro aspecto que cada vez va cobrando más interés respecto a los sistemas de medida para la evaluación energética experimental de edificios, es que estos puedan integrar las medidas específicas referentes a elementos inteligentes, tecnologías energéticas de bajo consumo y sistemas solares activos integrados en los edificios.

Entre los elementos constructivos, las ventanas son uno de los componentes con menor eficiencia energética. Sin embargo, una nueva clase de ventanas denominadas "ventanas inteligentes" promete elevar más el estado de su tecnología. Estos dispositivos pueden cambiar propiedades tales como el factor solar y la transmisión de la radiación [9] en el espectro solar en respuesta a una corriente eléctrica o al cambio de las condiciones ambientales. Así, la aplicación de estas ventanas permite una reducción drástica del consumo energético de los edificios al reducir las cargas de enfriamiento y calefacción, y la demanda de iluminación eléctrica.

Con la previsible explosión en el mercado de la Ventana Inteligente [10] se anticipa un importante ahorro energético, pero su precio de fabricación e instalación han retrasado su implantación. Actualmente se conocen tres tecnologías diferentes con señal de disparo externa disponibles en el mercado: materiales electrocrómicos [11], cristales líquidos y dispositivos electroforéticos. Estos sistemas tendrán que competir con los vidrios de baja emisividad y aunque los costes de fabricación se han reducido notablemente, los costes de instalación, alimentación y control siguen siendo un inconveniente, especialmente cuando se trata de rehabilitación de edificios antiguos.

Las ventanas inteligentes deben evaluarse de acuerdo a varios factores. El más importante es su rango de modulación de transmitancia [12] en el espectro solar visible y global. En segundo lugar, el tiempo de vida esperado y el número de ciclos alcanzados antes de su degradación. En tercer lugar, el tiempo de conmutación entre los estados de coloración y decoloración. El tiempo de conmutación está muy ligado al tamaño del dispositivo, de manera que los dispositivos de gran tamaño tienden a tener tiempos de conexión largos. El consumo total de energía, la tensión de funcionamiento y el rango de temperatura de funcionamiento son también parámetros importantes.

La energía fotovoltaica (FV) es sin duda la que mejor se integra en la edificación, ya que los módulos fotovoltaicos pueden fabricarse de forma que resulten elementos constructivos versátiles, con infinidad de acabados y prestaciones. A pesar de su continuo crecimiento y de los numerosos ejemplos existentes, la integración de fotovoltaica en edificios carece aún de métodos de ensayo y de caracterización así como de modelos de comportamiento específicos. Los diseños de módulos para integración en edificios buscan compatibilizar las prestaciones eléctricas, térmicas y constructivas, a la vez que pueden permitir la iluminación de espacios interiores con luz natural. Por ello, los módulos FV integrados en un edificio trabajan en unas condiciones especiales, diferentes de las que tienen en plantas sobre el terreno. A su vez, los módulos FV tienen un papel muy activo en el balance energético del edificio.

Hasta ahora se ha tendido a obviar estas particularidades de los módulos FV en edificios, recurriendo a simplificaciones de su comportamiento, tanto como elemento generador de energía eléctrica como elemento constructivo del edificio, lo que ha llevado a simular de forma errónea su comportamiento en los programas de energía en edificios habitualmente utilizados. Todo ello hace imprescindible elaborar y poner en marcha procedimientos de ensayo de las características eléctricas, térmicas y ópticas de los módulos fotovoltaicos para integración en edificios, que permitan mejorar y ampliar los modelos de comportamiento. En ese sentido es de especial relevancia llevar a cabo una buena monitorización de estas características en condiciones reales así como establecer ensayos que reproduzcan esas condiciones en laboratorio.

Las redes de sensores inalámbricos (WSN) son un tipo especial de redes que permiten su despliegue sin infraestructura previa, en cualquier momento y lugar y en una gran diversidad de aplicaciones [13] monitorizando parámetros físicos medibles, impuestos por la aplicación en cuestión. El número de dispositivos o nodos, de un tamaño de pocos cm2, que conforman la red, puede variar entre unas pocas unidades a decenas de miles. Los dispositivos que forman estas WSN están compuestos de dos estructuras bien diferenciadas: una de sensado o monitorizado y otra de comunicaciones radio. De igual forma poseen una estructura computacional no desdeñable, capaz de ser programada transformándolos así en nodos sensores inteligentes, las denominadas "smart motes".

Mediante la presente red, el objetivo principal de esta parte del proyecto supone el desarrollo y validación de un marco de reconstrucción distribuida en WSN, escalable y resistente a fallos, en el estudio de la eficiencia energética en edificios

Los datos recogidos por la WSN son enviados a centros de fusión de datos (CFD), dispositivos con mayor capacidad computacional y memoria situados en una posición más accesible para su mantenimiento. Con esta información, un CFD deberá reconstruir un mapa completo de las variables medidas, tan preciso como se requiera en las especificaciones.

Las restricciones energéticas y de acceso múltiple del canal en la transmisión de los datos así como la capacidad de computación de los nodos, recomienda, para disponer de un ciclo de vida amplio de la red, un procesamiento sencillo [14] de los datos y su posterior envío a los CFD con la información mínima necesaria para la reconstrucción.

En el presente proyecto se propone de igual forma, el desarrollo de algoritmos de procesamiento distribuido de la medida utilizando métodos punteros en este campo de investigación. La necesidad de auto organización de las WSN masivas hace que los sistemas biológicos sean una inspiración a tener en cuenta en la proposición de arquitecturas de reconstrucción y detección distribuidas [15]. Un novedoso paradigma de muestreo, [16], el Sensado Compresivo (CS) ayudará en la recuperación de la señal que resulta comprometida debido a los efectos de multitrayecto y ocultamiento, con la calidad necesaria, pudiendo utilizar también en esta recuperación, algoritmos de optimización convexa [17].

Aunque existen iniciativas que abordan este problema [18][19], aun no se ha aplicado el paradigma de las WSN en este campo.

El objetivo global de este programa es el desarrollo de sistema de medida de alta calidad metrológica y no intrusivo para la monitorización de la eficiencia energética en edificios construidos y en condiciones reales de uso, que permita integrar las medidas específicas referentes a elementos inteligentes, tecnologías energéticas de bajo consumo y sistemas solares activos integrados en los edificios. Para alcanzar este objetivo se desarrollarán un sistema de monitorización basado en redes de sensores inalámbricos (WSN), con aplicación a edificios que integren sistemas constructivos avanzados. Entre estos sistemas avanzados se prestará especial atención a ventanas fotocrómicas y módulos fotovoltaicos semitransparentes.

Según todo lo expuesto la propuesta se encuadra en el área prioritaria del anexo II de la presente convocatoria en la línea "Tecnología de uso sostenible, restauración del medio rural y conservación de la biodiversidad" y de forma secundaria en la línea "Contaminación ambiental urbana".

Referencias

[1] IEA Solar Heating and Cooling Programme (SHC), www.iea-shc.org

[2] IEA Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme (ECBCS), www.ecbcs.org

[3] Código Técnico de la Edificación. Actualización del Documento Básico DB HE Ahorro de Energía. 2013.

[3] P. Strachan. DYNASTEE international workshop. 18-19 Mayo 2011, Lyngby, Dinamarca.

[5] IEA ECBCS, Annex 58. http://www.ecbcs.org/annexes/annex58.htm.

[6] R. Enríquez y Col. Energy Procedia. 30, pp. 580-589.

[7] M. J. Jiménez, H. Madsen. 2008. Building and Environment. 43(2), pp. 152-162.

[8] M. J. Jiménez. 2011. (A Janssens, S. Roels, L. Vandaele, ed.), ISBN 978-94-9069-584-2, UGent, Belgium.

[9] K. Hari y col., 2013. International Nano Letters 3:24.

[10] U. Wang, 2010. MIT Technology Review, Energy News.

[11] Granqvist, C. G. 2002. Handbook of Inorganic Electrochromic Materials (Elsevier Science).

[12] A. Llordés y col. 2013. Nature (research letters) V. 500, 323.

[13] I.F. Akyildiz y col., 2002. Computer Networks, V. 38, 4, pp. 393-422.

[14] Giridhar, A., Kumar, P.R. 2005. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 23, 755-764

[15] Scutari, G., Barbarossa, S. 2005. IEEE Signal Processing Magazine, 24, 26-35.

[16] Donoho, D. 2006. IEEE Transactions on Information Theory , 52 (4), 1289-1306.

[17] Chen, S. y col. 2001 . SIAM rev.,129-159.

[18] E. Sierra y col. 2007. Proceedings of the CERMA 2007 Conference, 2528, pp. 412 - 416.

[19] J.J. Wen; A. M. Agogino. 2008. Proc. Wireless Hive Networks Conference. WHNC 2008. IEEE. 78, pp. 1-7.