Comunicación presentada al VII Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Héctor F. Chinchero, Doctorando, Universidad de Oviedo, España
- J. Marcos Alonso, Profesor, Universidad de Oviedo, España
- Hugo Ortiz T., Profesor, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
Resumen
Este trabajo presenta una revisión de los sistemas de iluminación LED aplicados a edificios inteligentes (EI). El estudio se centra en controladores, protocolos, tecnologías, redes de comunicación y aplicaciones. Se aborda una descripción general ampliada de las metodologías utilizadas para el control de iluminación LED en EI. También presenta una arquitectura integrada para lograr los servicios y metodologías de control necesarios para la Gestión de Energía en Sistemas de Iluminación LED para EI.
Palabras clave
Edificio Inteligente (EI), Iluminación Inteligente, Red de sensores, Internet de las Cosas (IoT).
Introducción
El consumo de energía en el mundo se enfrenta a desafíos cada vez más complejos de resolver, que están relacionados principalmente con el crecimiento de la población, el desarrollo de nuevas infraestructuras para el transporte en las ciudades, el crecimiento y la innovación de los procesos de producción de la industria, así como un aumento vertiginoso de edificios, nuevos entornos y los asociados con el desarrollo de actividades humanas, incluidas las relacionadas con el cambio climático. El alto nivel de consumo de energía es uno de los mayores contribuyentes al cambio climático, representando alrededor del 60% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. Por otro lado, los estudios muestran que la mejora de las normas de eficiencia energética podría reducir el consumo total de electricidad de los edificios y la industria en un 14 % [1].
Los edificios son uno de los principales actores en el consumo de energía global, constituyendo el 30% de la energía total consumida en el planeta y el 60% de la electricidad producida [1][2][9]. En este sentido, los sistemas de un edificio, como el aire acondicionado, la iluminación, los ascensores, la seguridad, las comunicaciones, entre otros, tienen un consumo energético que sin duda depende del tipo de tecnología, las plataformas de control y de la funcionalidad del sistema, su recinto y el comportamiento del usuario como factores internos, siendo factores externos los relacionados principalmente con los efectos producidos por el clima sobre el edificio.
La iluminación relacionada con entornos residenciales y de trabajo corresponde al 20% del consumo total de la energía producida y al 30% de la electricidad consumida en el edificio [1]. El consumo de energía en la iluminación de edificios se asocia con el tipo de lámpara, su eficiencia, modo de uso, etc. Optimizar el consumo energético de los sistemas de iluminación depende no sólo de la eficiencia de las tecnologías con las que se desarrollan las lámparas y los elementos eléctricos que la componen, sino también de las técnicas asociadas a los controladores de estas lámparas [1][8][9].
Los controladores de iluminación LED se utilizan en la aplicación como iluminación RGB, control de canales RGBW, etc. Los controladores pueden ser utilizados de forma autónoma en aplicaciones residenciales, o controladores con comunicaciones de red de control tales como DALI, KNX, BUSing, LONWorks, BACNet, etc. [1][2] para infraestructuras de EI. Actualmente, es posible encontrar controladores LED que incluyan transceptores digitales con el fin de comunicar información con plataformas IoT para integrar el control de iluminación en Sistemas de Gestión de Energía (SGE).
Iluminación en edificios inteligentes
Convencionalmente, el control de iluminación ha sido manual, mediante manipulación física de interruptores de control local y se utiliza comúnmente en el ámbito más amplio de las aplicaciones. En los años 70, apareció el control automático de la iluminación, incorporando el uso de sensores de movimiento autónomos implementados en sistemas centralizados [1]. Por otro lado, el Control Inteligente de Iluminación incluye elementos microprocesados con módulos de entrada de sensores y salidas de relé para encender y apagar áreas de iluminación, así como reguladores analógicos y digitales. La Figura 1 muestra el concepto integral de iluminación inteligente en entornos inteligentes. Actualmente la iluminación inteligente ha evolucionado a sistemas de control integrados que permiten al diseñador conectar sensores, controladores e interfaces de usuario para el desarrollo de aplicaciones como entornos inteligentes de iluminación RGB, escenas de habitabilidad, publicidad y promoción, decoración de espacios, espectáculos, etc. Además, los sistemas inteligentes de control de iluminación tienen la posibilidad de realizar la gestión de la energía, informes de averías, informes de consumo de energía, posicionamiento, programación horaria, control por voz, control local y remoto, servicios en la nube, etc.
Edificios Inteligentes
Los Edificios Inteligentes (EI) surgen de una disciplina acuñada en la década de 1990 conocida como «Inmotica». La Figura 2 ilustra el concepto de EI teniendo en cuenta los principales componentes y sistemas. Los EI implementan BAS (Building Automation System) para la integración total de elementos y servicios del edificio en un sistema de automatización [1]. El objetivo de un BAS para un EI es desarrollar e implementar servicios que ayuden a la gestión del edificio y mejoren la calidad del servicio, así como la comodidad del usuario en el edificio [1][2].
Los servicios en un EI están relacionados con el nivel de automatización del sistema de control. Los servicios para EI deben desarrollarse de acuerdo con los cuatro sistemas que conforman un verdadero edificio inteligente. Estos son el sistema de ahorro de energía, sistema de seguridad, sistema de bienestar y confort, y finalmente el sistema de comunicaciones [1]. Los servicios de ahorro de energía en un EI se desarrollan con el fin de lograr grandes ahorros en el consumo de electricidad, el consumo de agua, reducir las pérdidas de recursos y optimizar la inversión realizada en la implementación de soluciones tecnológicas para EI. Para la Gestión del Consumo de Energía se aplica la actualmente la normativa de eficiencia energética ISO 50001:2018 [1][10]. Esta norma ISO consiste en el ahorro y uso inteligente de energía sin pérdida ni desperdicio, utilizando la energía mínima y manteniendo la calidad de los servicios, y sobre todo preservar el confort y calidad de vida de los usuarios.
Tecnologías de iluminación inteligente LED para EI
Sensores y controladores
La eficacia general de los sistemas de control de iluminación depende de la conjunción adecuada de inteligencia en el control y la sensibilidad del medio ambiente. Con el fin de proporcionar la sensibilidad adecuada, se requiere una selección correcta del sensor y su ubicación. Generalmente se utilizan sensores de ocupación (presencia o movimiento) y sensores de nivel de iluminancia. Los sensores de ocupación convencionales son tipo PIR, radar (ultrasónica, RF o microondas) o combinación de ambas tecnologías para aumentar su rendimiento. Los sensores infrarrojos piroeléctricos (PIR) se han utilizado ampliamente en aplicaciones en interiores y exteriores, ya que son de bajo costo, fáciles de usar y ampliamente disponibles. Por otro lado, las acciones inteligentes en los sistemas de iluminación dependen de los controladores de entrada y salida (E/S). Estos dispositivos electrónicos tienen una funcionalidad específica para manejar la información de entrada y controlar los dispositivos periféricos. Adicionalmente, los controladores también tienen la capacidad de interconectar diferentes periféricos a través de interfaces estándar tales como serial USB, HDMI, etc., y son capaces de abordar y transferir datos hacia y desde dispositivos interfaces de usuario HMI (Human Machine Interface) tales como teclados, pantallas táctiles, teléfonos inteligentes, etc.
Redes de control para EI
Las redes de control en EI se basan en un canal de comunicación llamado BUS, a través del cual la información se transmite entre todos los dispositivos conectados al BUS. La red de control permite al usuario conectar dispositivos llamados nodos inteligentes con propia capacidad de procesamiento [1][2]. Estos nodos se distribuyen a través de los diferentes entornos del edificio y se comunican entre sí usando un determinado protocolo de comunicaciones para ejecutar órdenes de control como el encendido y apagado de iluminación, ajuste de la temperatura de confort, alertas de eventos de seguridad, entre otros. Por otro lado, un protocolo abierto permite la interoperación sin necesidad de una interfaz propietaria para una fácil integración de servicios en EI. Debido a su amplia difusión y su rendimiento, algunos protocolos son más consolidados para el sistema de iluminación, como Bacnet, Lonworks, Busing, KNX, DALI [1], entre otros. La Figura 3 muestra una arquitectura de red de control comúnmente utilizada en aplicaciones de EI.
Las tecnologías de red de control en EI han ido evolucionando desde el protocolo IEEE RS485 utilizado para la implementación de redes cableadas con protocolos como ModBUS, ProfiBUS, BACNet, BUSing, KNX, LONWorks, etc. [1][2]. Bacnet y LonWorks son estándares que se centran más en edificios corporativos que requieren un control y monitoreo de variables en varias zonas, gestionando datos de forma centralizada. Debido a su concepción, estos protocolos ofrecen mayores prestaciones para la automatización de los sistemas convencionales existentes en los edificios, así como de grandes infraestructuras como las redes inteligentes de alimentación. KNX es un protocolo ampliamente utilizado para EI y fue desarrollado a partir de los protocolos europeos EIB y EHSA, utiliza un sistema de bus distribuido que permite a los dispositivos intercambiar información directamente, razón por la cual su principal ventaja es la facilidad que ofrece para grandes instalaciones. Mientras tanto, BUSing se destaca por su versatilidad, es un sistema de comunicación de tipo distribuido cuya red utiliza una topología BUS, permitiendo así una fácil escalabilidad tanto en las versiones cableadas como inalámbricas [1].
Redes de información para EI
Para las redes de información el protocolo básico es IP (Internet Protocol) o TCP (Transmission Control Protocol). TCP/IP se implementa ampliamente a través de redes Ethernet cableadas en la infraestructura del edificio. En EI, TCP/IP se utiliza para integrar las comunicaciones de red de campo con redes de información. Actualmente, las redes IP permiten conectar todo tipo de dispositivos inteligentes en la misma infraestructura de red de edificios para el despliegue de todo tipo de servicios, como la gestión de la energía, la integración con empresas proveedoras de servicios, computación en la nube, etc. Este concepto se conoce actualmente como BMS (Building Energy Management System) [1][2]. Existen tecnologías enmarcadas en infraestructuras de IoT que se utilizan para aplicaciones de control de iluminación en edificios como Bluetooth, ZigBee, SigFox, Z-wave, Wings, EnOcean [2], entre otros. Estas tecnologías se implementan en el concepto de topologías de malla y utilizan la banda de comunicación RF de 900 MHz, lo que permite que los sensores y controladores inalámbricos se comuniquen para implementar servicios de iluminación inteligente, control de calefacción y temperatura del entorno, seguridad, eficiencia energética, etc. [2] en aplicaciones residenciales o redes PAN (Personal Area Networks). Una de las últimas tecnologías de red desarrolladas es LoRa y LoRaWAN [1][2]. Este protocolo se basa en un esquema de red de comunicación inalámbrica de malla en el que los nodos de sensores, actuadores, interfaces de red, etc. se pueden conectar en aplicaciones de automatización y control de pequeño y largo alcance. La ventaja de LoRa en aplicaciones de largo alcance, es que una sola puerta de enlace o estación base puede cubrir ciudades enteras o cientos de kilómetros cuadrados. LoRa se utiliza actualmente en aplicaciones lectura automática de contadores para el consumo de agua en ciudades, control de sistemas de alumbrado público, medición de parámetros ambientales en ciudades para determinar los niveles de contaminación de CO2, automatización y control en el sector agrícola, entre otras aplicaciones de IoT que han permitido el despliegue de servicios emergentes en proyectos Smart City.
Técnicas de control de iluminación inteligente LED para EI
Control de Drivers de Iluminación LED
Entre los métodos de control más tradicionales se encuentra PWM Dimming [1][8], que es un proceso ampliamente utilizado para controlar tanto el flujo luminoso como el brillo LED de manera más eficiente y reducir las pérdidas de potencia. Este proceso regula la cantidad de corriente de circulación LED mediante la generación de una señal PWM, que cambia en un estado abierto o cerrado de acuerdo con el ciclo de trabajo establecido en los tiempos de encendido/apagado del conmutador del driver LED basados en convertidores DC-DC. Los convertidores DC-DC se pueden clasificar en: Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk, Flyback y Zeta [8]. Existen técnicas de control extendidas a este tipo de convertidores, y se están desarrollando nuevas metodologías que buscan optimizar la transferencia de potencia de entrada a la salida, así como hacer que los sistemas sean más eficientes para aplicaciones de iluminación LED.
Control por Posición
El desarrollo de sistemas de iluminación inteligentes, adaptados a las necesidades de quienes ocupan un espacio específico, se basa en el uso de métodos de control sensorial combinados con redes de sensores avanzadas y comunicaciones implementadas en arquitecturas de control [1][3]. Por ejemplo, en una red de sensores, mediante la estimación de la ubicación y la posición del usuario es posible proporcionar una iluminación optimizada en un entorno determinado. También es posible obtener información sobre el uso del espacio, que puede ser esencial para optimizar el rendimiento de los sistemas de gestión de energía del edificio, mejorar la salud humana y lograr altos niveles de productividad sin afectar al confort.
Control por Contexto
Estudios realizados en [1][4] se propone un método basado en el contexto o escenario para el uso de un sistema de iluminación. El contexto se puede medir utilizando sensores físicos, lógicos y virtuales. Los sensores físicos se utilizan para medir parámetros ambientales como ocupación, ruido, humedad, etc. Los sensores lógicos utilizan información del sistema de control para realizar una función lógica programada. Por otro lado, los sensores virtuales se programan en función de la información del contexto de aplicación del entorno, las bases de datos de aprendizaje, los servicios web, etc. Por ejemplo, un contexto básico para los sistemas de iluminación se basa en el programador de calendario, donde el sistema establece el tiempo de funcionamiento y los niveles de iluminación LED según las condiciones ambientales. De esta manera, la información de contexto se puede integrar en una arquitectura de red de control para optimizar el consumo de energía de los sistemas de iluminación LED.
Control por Red de Sensores
Esta técnica se propone para controlar los niveles de iluminación LED utilizando integración de sensores en red [1][5] para implementar algoritmos sofisticados para aplicaciones de regulación tipo PWM. El sistema de control permite integración con fuentes de energía renovables para optimizar el consumo de energizar el edificio. Para este caso, se pueden implementar redes de control utilizando protocolos como DALI y DMX que son ampliamente utilizados en sistemas de iluminación LED en edificios.
Control IoT
Actualmente algunas aplicaciones del uso de redes de sensores inalámbricos (wireless sensor network, WSN) se pueden encontrar en sistemas de iluminación LED inteligentes en edificios [1][6]. Por ejemplo, se implementan sensores inalámbricos para medir parámetros que definen el contexto del entorno, combinado con algoritmos de programación horaria y control inteligente basado en el contexto ambiental para el control de drivers implementados en una red de control de iluminación LED. La metodología de inteligencia ambiental se centra en la regulación de los sistemas de iluminación LED, basados en la información de luminancia y ocupación del medio ambiente para un perfil de usuario determinado. Las redes WSN se pueden integrar con redes de control como DALI para establecer las condiciones de iluminación, por ejemplo, entre 300 y 500 lux.
Control de Eficiencia Energética
Otro método desarrollado para la iluminación inteligente en EI es el control con un enfoque en la eficiencia energética [1][7][10]. Estos modelos implementan algoritmos de control para realizar una gestión eficiente de la energía en EI basados en parámetros como la ocupación del espacio, la detección de movimiento, el nivel de luz natural, la temperatura ambiente, el precio de la energía, entre otros. Los requerimientos de energía del sistema de iluminación pueden ser calculados en base a la potencia de las lámparas, duración de funcionamiento, equipos de iluminación auxiliares, perfil de usuarios del edificio, luz del día, condiciones climáticas, etc. La técnica de eficiencia energética establece que todos los sistemas del edificio que consumen energía, como el sistema de temperatura, climatización, iluminación, etc., deben integrarse en una plataforma de gestión energética del edificio.
La Figura 4 muestra el esquema general que resume las posibilidades de implementar un IBEMS (Intelligent Building Energy Management System) para sistemas de iluminación LED en EI, basado en redes de sensores y metodologías de red de control. El IBEMS propuesto para sistemas de iluminación LED en EI consiste en una plataforma de red de control con nodos terminales basados en BUSing, KNX o LoRa, integración con sensores IoT y terminales HMI.
Los sistemas IBEMS contienen cuatro subsistemas de entorno bien definidos, RMS (Room Management System) orientado a estancias de trabajo y habitabilidad, HMS (Hall Management System) para espacios cumunes, SLS (Street Light System) para iluminación de exteriores y BEMS (Building Energy Management System) para la gestión energética del edificio. Todos los sistemas propuestos se centran en aplicaciones específicas de iluminación inteligente.
La Tabla I muestra los dispositivos del sistema, sensores, controladores, interfaces, etc., así como las tecnologías y servicios involucrados en una arquitectura de Sistemas de Iluminación LED Inteligente para aplicaciones de EI.
Conclusiones
La iluminación LED en EI es un ámbito de estudio muy amplio y complejo, las metodologías y las tecnologías utilizan una integración completa de sensores, controladores, interfaces y plataformas de comunicación de red para implementar servicios de iluminación inteligente. Los BEMS para sistemas de iluminación en EI se implementan utilizando redes de control con la ayuda de tecnologías como BUSing, Lonworks, DALI, KNX, BACnet, LoRa, etc. Estas tecnologías cuentan con altas capacidades de integración tanto a nivel de protocolo como en nodos terminales, por lo que se puede abordar una creciente complejidad de proyectos como el control de iluminación en edificios inteligentes y alumbrado público, entre otros.
Referencias
- Chinchero, H.F., Alonso, J.M., 2020, A Review on Energy Management Methodologies for LED Lighting Systems in Smart Buildings, 20TH EEEIC International Conference on Environment and Electrical Engineering, Madrid, Spain.
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- United Nations, 2017, The Sustainable Development Goals Report 2017, United Nations Publications, pp. 1-7.
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