La automatización de edificios ( BAS ), también conocida como sistema de gestión de edificios ( BMS ) o sistema de gestión de energía de edificios ( BEMS ), es el control centralizado automático de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) , electricidad, iluminación , sombreado, control de acceso , sistemas de seguridad y otros sistemas interrelacionados de un edificio. Algunos objetivos de la automatización de edificios son mejorar la comodidad de los ocupantes, el funcionamiento eficiente de los sistemas del edificio, la reducción del consumo de energía, la reducción de los costos operativos y de mantenimiento y el aumento de la seguridad.
La funcionalidad BAS puede mantener el clima de un edificio dentro de un rango específico, proporcionar luz a las habitaciones según la ocupación, monitorear el rendimiento y las fallas de los dispositivos y proporcionar alarmas de mal funcionamiento al personal de mantenimiento del edificio. Un BAS funciona para reducir los costos de energía y mantenimiento del edificio en comparación con un edificio no controlado. La mayoría de los edificios comerciales, institucionales e industriales construidos después del año 2000 incluyen un BAS, mientras que los edificios más antiguos pueden modernizarse con un nuevo BAS.
Un edificio controlado por un BAS se suele denominar edificio inteligente, [1] un "edificio inteligente" o (si se trata de una residencia) una " casa inteligente ". Los edificios comerciales e industriales se han basado históricamente en protocolos sólidos y probados (como BACnet ), mientras que en los hogares se utilizaban protocolos propietarios (como X-10 ).
Con la llegada de las redes de sensores inalámbricos y la Internet de las cosas, un número cada vez mayor de edificios inteligentes están recurriendo al uso de tecnologías de comunicación inalámbrica de bajo consumo como Zigbee, Bluetooth Low Energy y LoRa para interconectar los sensores, actuadores y dispositivos de procesamiento locales. [2]
Casi todos los edificios ecológicos de varios pisos están diseñados para albergar un BAS para las características de conservación de energía, aire y agua. La respuesta a la demanda de dispositivos eléctricos es una función típica de un BAS, al igual que el control más sofisticado de la ventilación y la humedad que requieren los edificios con aislamiento "hermético". La mayoría de los edificios ecológicos también utilizan tantos dispositivos de CC de bajo consumo como sea posible. Incluso un diseño de casa pasiva destinado a no consumir energía neta en absoluto normalmente requerirá un BAS para gestionar la captura de calor, el sombreado y la ventilación, y programar el uso de los dispositivos.
Los sistemas de gestión de edificios se implementan con mayor frecuencia en proyectos grandes con sistemas mecánicos, de calefacción, ventilación y aire acondicionado y eléctricos extensos. Los sistemas vinculados a un BMS suelen representar el 40 % del consumo de energía de un edificio; si se incluye la iluminación, esta cifra se acerca al 70 %. Los sistemas BMS son un componente fundamental para gestionar la demanda de energía. Se cree que los sistemas BMS configurados incorrectamente representan el 20 % del consumo de energía de los edificios, o aproximadamente el 8 % del consumo total de energía en los Estados Unidos. [3] [4]
Además de controlar el entorno interno del edificio, los sistemas BMS a veces están vinculados al control de acceso (torniquetes y puertas de acceso que controlan quién tiene permitido el acceso y la salida del edificio) u otros sistemas de seguridad como circuito cerrado de televisión (CCTV) y detectores de movimiento. Los sistemas de alarma contra incendios y los ascensores también están vinculados a veces a un BMS para su supervisión. En caso de que se detecte un incendio, solo el panel de alarma contra incendios podría cerrar las compuertas del sistema de ventilación para detener la propagación del humo, apagar los manipuladores de aire, poner en marcha los ventiladores de evacuación de humo y enviar todos los ascensores a la planta baja y aparcarlos para evitar que la gente los utilice.
Los sistemas de gestión de edificios también han incluido mecanismos de respuesta ante desastres (como el aislamiento de la base ) para proteger las estructuras de los terremotos. En tiempos más recientes, las empresas y los gobiernos han estado trabajando para encontrar soluciones similares para las zonas de inundación y las áreas costeras en riesgo por el aumento del nivel del mar . El entorno flotante autoajustable se basa en tecnologías existentes que se utilizan para hacer flotar puentes y pistas de aterrizaje de hormigón, como la SR 520 de Washington y la Mega-Float de Japón . [5]
Las entradas analógicas se utilizan para leer una medición variable. Algunos ejemplos son los sensores de temperatura , humedad y presión , que pueden ser termistores , termómetros de resistencia de platino (detectores de temperatura de resistencia) de 4 a 20 mA , de 0 a 10 voltios o de platino, o sensores inalámbricos .
Una entrada digital indica que un dispositivo está encendido o apagado. Algunos ejemplos de entradas digitales serían un interruptor de contacto de puerta, un interruptor de corriente, un interruptor de flujo de aire o un contacto de relé sin voltaje (contacto seco). Las entradas digitales también podrían ser entradas de pulsos que cuentan los pulsos durante un período de tiempo. Un ejemplo es un medidor de flujo de turbina que transmite datos de flujo como una frecuencia de pulsos a una entrada.
El monitoreo de carga no intrusivo [6] es un software que se basa en sensores digitales y algoritmos para descubrir electrodomésticos u otras cargas a partir de las características eléctricas o magnéticas del circuito. Sin embargo, detecta el evento por medios analógicos. Estos son extremadamente rentables en su funcionamiento y útiles no solo para la identificación sino también para detectar transitorios de arranque, fallas de línea o equipo, etc. [7] [8]
Las salidas analógicas controlan la velocidad o la posición de un dispositivo, como un variador de frecuencia , un transductor IP ( corriente a neumática ) o un actuador de válvula o compuerta . Un ejemplo es una válvula de agua caliente que se abre un 25 % para mantener un punto de ajuste . Otro ejemplo es un variador de frecuencia que acelera un motor lentamente para evitar un arranque brusco.
Las salidas digitales se utilizan para abrir y cerrar relés e interruptores, así como para accionar una carga cuando se lo ordena. Un ejemplo sería encender las luces del estacionamiento cuando una fotocélula indica que está oscuro afuera. Otro ejemplo sería abrir una válvula permitiendo que pasen 24 VCC/CA a través de la salida que alimenta la válvula. Las salidas analógicas también podrían ser salidas de tipo pulso que emitan una frecuencia de pulsos durante un período de tiempo determinado. Un ejemplo es un medidor de energía que calcula kWh y emite una frecuencia de pulsos en consecuencia.
Los controladores son básicamente pequeñas computadoras diseñadas específicamente para este propósito, con capacidades de entrada y salida. Estos controladores vienen en una variedad de tamaños y capacidades para controlar dispositivos que se encuentran comúnmente en edificios y para controlar subredes de controladores.
Las entradas permiten que un controlador lea la temperatura, la humedad, la presión, el flujo de corriente, el flujo de aire y otros factores esenciales. Las salidas permiten que el controlador envíe señales de comando y control a dispositivos esclavos y a otras partes del sistema. Las entradas y salidas pueden ser digitales o analógicas. Las salidas digitales también se denominan a veces discretas según el fabricante.
Los controladores utilizados para la automatización de edificios se pueden agrupar en tres categorías: controladores lógicos programables (PLC), controladores de sistema/red y controladores de unidad terminal. Sin embargo, también puede existir un dispositivo adicional para integrar sistemas de terceros (por ejemplo, un sistema de aire acondicionado independiente) en un sistema central de automatización de edificios.
Los controladores de unidad terminal generalmente son adecuados para controlar la iluminación y/o dispositivos más simples, como una unidad de techo, una bomba de calor, una caja VAV, un fan coil, etc. El instalador generalmente selecciona una de las personalidades preprogramadas disponibles que mejor se adapta al dispositivo que se va a controlar y no tiene que crear una nueva lógica de control.
La ocupación es uno de los dos o más modos operativos de un sistema de automatización de edificios; Desocupado, Calentamiento matutino y Reducción nocturna son otros modos comunes.
La ocupación suele basarse en horarios establecidos. En el modo de ocupación, el BAS tiene como objetivo proporcionar un clima confortable y una iluminación adecuada, a menudo con control por zonas, de modo que los usuarios de un lado del edificio tengan un termostato diferente (o un sistema o subsistema diferente) que los usuarios del lado opuesto.
Un sensor de temperatura en la zona proporciona retroalimentación al controlador, para que pueda proporcionar calefacción o refrigeración según sea necesario.
Si está habilitado, el modo de calentamiento matutino (MWU) se activa antes de la ocupación. Durante el calentamiento matutino, el BAS intenta que el edificio alcance el punto de ajuste justo a tiempo para la ocupación. El BAS suele tener en cuenta las condiciones exteriores y la experiencia histórica para optimizar el MWU. Esto también se conoce como inicio optimizado .
Algunos edificios dependen de sensores de ocupación para activar la iluminación o el acondicionamiento del clima. Dado que es posible que transcurran largos períodos antes de que un espacio se enfríe o se caliente lo suficiente, el acondicionamiento del clima no suele iniciarse directamente mediante un sensor de ocupación.
La iluminación se puede encender, apagar o atenuar con un sistema de automatización de edificios o de control de iluminación en función de la hora del día o de sensores de ocupación, fotosensores y temporizadores. [9] Un ejemplo típico es encender las luces de un espacio durante media hora desde que se detectó el último movimiento. Una fotocélula colocada en el exterior de un edificio puede detectar la oscuridad y la hora del día, y modular las luces de las oficinas exteriores y del estacionamiento.
La iluminación también es un buen candidato para la respuesta a la demanda , con muchos sistemas de control que brindan la capacidad de atenuar (o apagar) las luces para aprovechar los incentivos y ahorros de DR.
En los edificios más nuevos, el control de la iluminación puede basarse en la interfaz de iluminación direccionable digital (DALI) de bus de campo . Las lámparas con balastos DALI son totalmente regulables. DALI también puede detectar fallas en lámparas y balastos en luminarias DALI y señalar fallas.
El sombreado y el acristalamiento son componentes esenciales en el sistema de construcción, afectan el confort visual, acústico y térmico de los ocupantes y proporcionan al ocupante una vista al exterior. [10] Los sistemas automatizados de sombreado y acristalamiento son soluciones para controlar las ganancias de calor solar y el deslumbramiento. [11] Se refiere al uso de tecnología para controlar dispositivos de sombreado externos o internos (como persianas y cortinas) o el acristalamiento en sí. El sistema tiene una respuesta activa y rápida a varios datos exteriores cambiantes (como el sol, el viento) y al entorno interior cambiante (como la temperatura, la iluminancia y las demandas de los ocupantes). Los sistemas de sombreado y acristalamiento de edificios pueden contribuir a la mejora térmica y de la iluminación tanto desde el punto de vista de la conservación de la energía como del confort.
Los dispositivos de sombreado dinámico permiten controlar la entrada de luz natural y energía solar al entorno construido en relación con las condiciones exteriores, las demandas de luz natural y las posiciones solares. [12] Los productos comunes incluyen persianas venecianas , cortinas enrollables , lamas y contraventanas. [13] Se instalan principalmente en el lado interior del sistema de acristalamiento debido al bajo costo de mantenimiento, pero también se pueden usar en el exterior o en una combinación de ambos. [14]
La mayoría de las unidades de tratamiento de aire mezclan el aire de retorno y el aire exterior, por lo que se necesita menos acondicionamiento de temperatura y humedad. Esto puede ahorrar dinero al utilizar menos agua fría o caliente (no todas las unidades de tratamiento de aire utilizan circuitos de agua fría o caliente). Se necesita algo de aire exterior para mantener el aire del edificio saludable. Para optimizar la eficiencia energética y, al mismo tiempo, mantener una calidad del aire interior (IAQ) saludable , la ventilación controlada (DCV) ajusta la cantidad de aire exterior en función de los niveles de ocupación medidos.
Se pueden colocar sensores de temperatura analógicos o digitales en el espacio o la habitación, en los conductos de aire de retorno y suministro y, a veces, en el aire exterior. Se colocan actuadores en las válvulas de agua caliente y fría, en los reguladores de aire exterior y de retorno. El ventilador de suministro (y el de retorno, si corresponde) se pone en marcha y se detiene en función de la hora del día, las temperaturas, las presiones del edificio o una combinación de ellas.
Todos los sistemas de automatización de edificios modernos tienen funciones de alarma. De poco sirve detectar una situación potencialmente peligrosa [15] o costosa si no se notifica a nadie que pueda resolver el problema. La notificación puede realizarse a través de una computadora (correo electrónico o mensaje de texto), un buscapersonas , una llamada de voz de un teléfono celular, una alarma audible o todas ellas. Por motivos de seguro y responsabilidad civil, todos los sistemas mantienen registros de quién fue notificado, cuándo y cómo.
Las alarmas pueden notificar a alguien inmediatamente o solo notificar cuando las alarmas alcanzan un cierto umbral de gravedad o urgencia. En sitios con varios edificios, las fallas momentáneas de energía pueden causar cientos o miles de alarmas de equipos que se han apagado; estas deben suprimirse y reconocerse como síntomas de una falla mayor. Algunos sitios están programados para que las alarmas críticas se vuelvan a enviar automáticamente a intervalos variables. Por ejemplo, una alarma crítica repetida (de un sistema de alimentación ininterrumpida en "bypass") puede resonar a los 10 minutos, 30 minutos y cada 2 a 4 horas a partir de entonces hasta que se resuelvan las alarmas.
Los sistemas de seguridad se pueden interconectar con un sistema de automatización de edificios. [15] Si hay sensores de ocupación, también se pueden utilizar como alarmas antirrobo. Debido a que los sistemas de seguridad suelen ser saboteados deliberadamente, al menos algunos detectores o cámaras deberían tener baterías de respaldo y conectividad inalámbrica y la capacidad de activar alarmas cuando se desconectan. Los sistemas modernos suelen utilizar alimentación a través de Ethernet (que puede operar una cámara con movimiento horizontal, vertical y zoom y otros dispositivos de hasta 30 a 90 vatios), que es capaz de cargar dichas baterías y mantiene las redes inalámbricas libres para aplicaciones realmente inalámbricas, como la comunicación de respaldo en caso de cortes de energía.
Los paneles de alarma contra incendios y sus sistemas de alarma de humo relacionados suelen estar cableados para anular la automatización del edificio. Por ejemplo: si se activa la alarma de humo, todas las compuertas de aire exterior se cierran para evitar que entre aire en el edificio, y un sistema de extracción puede aislar el incendio. De manera similar, los sistemas de detección de fallas eléctricas pueden apagar circuitos completos, independientemente de la cantidad de alarmas que esto active o de personas que esto aflija. Los dispositivos de combustión de combustibles fósiles también tienden a tener sus propios mecanismos de anulación, como las líneas de alimentación de gas natural que se apagan cuando se detectan caídas de presión lentas (lo que indica una fuga) o cuando se detecta un exceso de metano en el suministro de aire del edificio.
La mayoría de las redes de automatización de edificios constan de un bus primario y otro secundario que conectan controladores de alto nivel (generalmente especializados para la automatización de edificios, pero que pueden ser controladores lógicos programables genéricos ) con controladores de nivel inferior, dispositivos de entrada/salida y una interfaz de usuario (también conocida como dispositivo de interfaz humana). El protocolo abierto BACnet de ASHRAE o el protocolo abierto LonTalk especifican cómo interoperan la mayoría de estos dispositivos. Los sistemas modernos utilizan SNMP para realizar un seguimiento de los eventos, basándose en décadas de historia con protocolos basados en SNMP en el mundo de las redes informáticas.
Históricamente, la conectividad física entre dispositivos se proporcionaba mediante fibra óptica dedicada , Ethernet , ARCNET , RS-232 , RS-485 o una red inalámbrica de propósito especial de bajo ancho de banda . Los sistemas modernos se basan en redes heterogéneas multiprotocolo basadas en estándares, como las especificadas en el estándar IEEE 1905.1 y verificadas por la marca de auditoría nVoy. Estos suelen admitir solo redes basadas en IP, pero pueden utilizar cualquier cableado existente y también integrar redes de línea eléctrica sobre circuitos de CA, circuitos de CC de bajo consumo de energía a través de Ethernet , redes inalámbricas de alto ancho de banda como LTE e IEEE 802.11n e IEEE 802.11ac y, a menudo, las integran utilizando el estándar abierto de malla inalámbrica específico para edificios Zigbee .
El hardware propietario domina el mercado de controladores. Cada empresa tiene controladores para aplicaciones específicas. Algunos están diseñados con controles limitados y sin interoperabilidad, como las unidades sencillas empaquetadas para techos de sistemas de climatización. El software normalmente no se integra bien con los paquetes de otros proveedores. La cooperación se da únicamente a nivel de Zigbee/BACnet/LonTalk.
Los sistemas actuales proporcionan interoperabilidad a nivel de aplicación, lo que permite a los usuarios combinar dispositivos de distintos fabricantes y ofrecer integración con otros sistemas de control de edificios compatibles . Estos suelen basarse en SNMP , que se utiliza desde hace tiempo con este mismo fin para integrar diversos dispositivos de redes informáticas en una red coherente.
Con el creciente espectro de capacidades y conexiones a la Internet de las cosas , se informó repetidamente que los sistemas de automatización de edificios eran vulnerables, lo que permitía a los piratas informáticos y ciberdelincuentes atacar sus componentes. [16] [17] Los piratas informáticos pueden explotar los edificios para medir o cambiar su entorno: [18] los sensores permiten la vigilancia (por ejemplo, monitorear los movimientos de los empleados o los hábitos de los habitantes) mientras que los actuadores permiten realizar acciones en los edificios (por ejemplo, abrir puertas o ventanas para intrusos). Varios proveedores y comités comenzaron a mejorar las características de seguridad en sus productos y estándares, incluidos KNX, Zigbee y BACnet (ver estándares recientes o borradores de estándares). Sin embargo, los investigadores informan varios problemas abiertos en la seguridad de la automatización de edificios. [19] [20]
El 11 de noviembre de 2019, se publicó un documento de investigación de seguridad de 132 páginas titulado "I Own Your Building (Management System)" (Soy dueño de su edificio (sistema de gestión)) por Gjoko Krstic y Sipke Mellema que abordó más de 100 vulnerabilidades que afectan a varias soluciones de BMS y control de acceso de varios proveedores. [21]
La automatización de habitaciones es un subconjunto de la automatización de edificios y tiene un propósito similar: es la consolidación de uno o más sistemas bajo control centralizado, aunque en este caso en una habitación.
El ejemplo más común de automatización de salas es la sala de juntas corporativa, las salas de presentaciones y las salas de conferencias, donde el funcionamiento de la gran cantidad de dispositivos que definen la función de la sala (como equipos de videoconferencia , proyectores de video , sistemas de control de iluminación , sistemas de megafonía , etc.) haría que el funcionamiento manual de la sala fuera muy complejo. Es común que los sistemas de automatización de salas empleen una pantalla táctil como la forma principal de controlar cada operación.
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Medios relacionados con la automatización de edificios en Wikimedia Commons