Allanando el camino para el análisis y el mapeo energético de los edificios

Este artículo fue escrito por Eddie Oldfield, director sénior de proyectos y servicios de asesoramiento de QUEST; Jessica Webster, analista de planificación energética de Recursos Naturales de Canadá; y Ryan Ahola, científico ambiental de Recursos Naturales de Canadá. –

Introducción - El desafío

El mapeo y análisis de la energía de los edificios es fundamental para orientar geográficamente las políticas y los programas energéticos a fin de acelerar la transición hacia un entorno y una economía construidos con bajas emisiones de carbono. Los municipios canadienses llevan a cabo iniciativas para mapear el uso de la energía y las emisiones de gases de efecto invernadero de los edificios con fines de planificación energética y de emisiones, con el apoyo de empresas consultoras, universidades y, a veces, organizaciones sin fines de lucro. Los proyectos de mapeo de la energía se llevan a cabo de forma independiente en diferentes momentos, en diferentes escalas y utilizando diferentes métodos y supuestos. Sin embargo, fundamentalmente, los datos son los mismos: lo que se requiere es una comprensión del parque de edificios y sus atributos relacionados con la energía, incluyendo el número de edificios y unidades, sus respectivas áreas de piso, así como el uso de energía histórico medido y el uso de energía previsto modelado en función de diferentes tipos de viviendas o edificios (conocidos como arquetipos). A pesar de esta similitud y de los mejores esfuerzos de todos, hay poca coordinación entre las iniciativas y no se utilizan ampliamente las mejores prácticas o estándares. Esto da como resultado la duplicación de esfuerzos, la pérdida de ahorros de energía y la pérdida de oportunidades para la descarbonización, la mitigación del cambio climático y la resiliencia climática.

Estudio de desarrollo del concepto de análisis y mapeo energético de edificios (BEMA-CDS) abordó el desafío que planteaba esta situación:

• Caracterizar el estado de desarrollo del mapeo y análisis energético del parque inmobiliario en general; y
• Informar las prácticas y estándares de arquitectura de TI para permitir el mapeo y el análisis específicamente del uso y la eficiencia energética residencial.

Lanzamiento del estudio + lo realizado

El estudio, que se inició en diciembre de 2019 con el apoyo de Recursos Naturales de Canadá (NRCan), se basó en una serie de fuentes de información, incluidas investigaciones y consultas públicas anteriores, legislación pertinente e iniciativas relacionadas en curso. Luego, elaboró ​​y publicó en febrero de 2020 una solicitud de información (RFI) que solicitaba respuestas de una amplia audiencia de partes interesadas y organizaciones. Se plantearon preguntas en ocho categorías temáticas relacionadas con el ámbito del mapeo y análisis de la energía de los edificios.

Se centró en tres escenarios principales para el desarrollo y la aplicación de análisis y mapeo energético de edificios:

1. Planificación de energía y emisiones comunitarias
2. Revisión del potencial de conservación de servicios públicos y planificación del programa de gestión de la demanda
3. Energía en los edificios federales, provinciales y territoriales: políticas, programas, normas y códigos de construcción

A mediados de 2020 se llevó a cabo una serie de seminarios web con los encuestados de RFI y los miembros del Grupo de trabajo del dominio de energía y servicios públicos de OGC para revisar y trabajar en las respuestas proporcionadas, para llegar a una comprensión más refinada de la práctica actual y brindar aportes a la arquitectura nocional.

¿Quién puede beneficiarse de este estudio?

El informe que documenta el BEMA-CDS Se centra en cuestiones relacionadas con el intercambio de datos y la interoperabilidad de datos espaciales que actualmente impiden alcanzar de manera más completa los objetivos y el valor del análisis energético de los edificios. Esta valiosa perspectiva beneficia a muchas partes interesadas y programas, entre ellos:

• Científicos de la construcción e investigadores de energía
  • Sugiere caminos para mejorar la interoperabilidad de los datos, mejores modelos y mayor coordinación
  • Identifica posibles enfoques para reducir la duplicación, el tiempo y los costos en las organizaciones.
  • Apoya un mejor control de calidad y datos comparables para la planificación y evaluación de programas.
• Analistas de políticas gubernamentales, autoridades reguladoras y comités de códigos y normas de construcción.
  • Identifica nuevos enfoques para informar los programas de incentivos para la modernización de viviendas a nivel nacional y provincial
  • Anticipa los desafíos y oportunidades de interoperabilidad de datos en torno a los códigos de modificaciones para edificios existentes
• Planificadores energéticos comunitarios
  • Planificación energética municipal, incluido el diseño y la ejecución de programas de eficiencia energética en la vivienda
  • Una vista geoespacial ofrece la posibilidad de una mejor coordinación con las empresas de servicios públicos a través de una imagen operativa común.
• Gerentes de programas de gestión de la demanda de servicios públicos
  • Anticipa la necesidad de más análisis geoespacial a medida que se incorporan más energías renovables; compensación de costos de capital
  • Señala métodos “detrás del medidor” que podrían mejorar la adopción de programas de conservación y gestión de la demanda (eficiencia energética)
• Grupo de trabajo sobre el ámbito de la energía y los servicios públicos (DWG) de la OGC
  • Apoya la identificación de posibles actividades adicionales de I+D y desarrollo de normas más allá del marco temporal del estudio BEMA-CDS, por ejemplo aquellas que abordan la evaluación de estrategias de descarbonización.

Esta disciplina emergente se encuentra en la convergencia de muchos dominios y áreas de conocimiento profesional, incluidas las ciencias de la construcción, la ciencia geoespacial, la ciencia de datos, la planificación urbana y la planificación energética. En consecuencia, más allá de los escenarios de uso prioritarios y las partes interesadas específicas identificadas anteriormente, el BEMA-CDS también será de interés para cualquiera que trabaje para promover las ciudades inteligentes, los gemelos digitales urbanos, el modelado energético del parque de edificios y/o la red inteligente (a veces denominada red digital). Un segmento emergente de tecnología limpia conocido como tecnología climática (empresas de tecnología limpia que abordan específicamente el cambio climático) también estará interesado si sus soluciones se relacionan con la energía y los edificios, al igual que los capitalistas de riesgo que buscan invertir en empresas de tecnología climática. Los bancos, que cada vez más ven el riesgo climático como un riesgo crediticio, deberían estar interesados ​​en los enfoques geoespaciales para cuantificar la intensidad de carbono de sus carteras hipotecarias y respaldar la evaluación de los productos crediticios para la eficiencia energética y el despliegue de tecnología de energía renovable.

Algunas conclusiones clave

Un desafío crítico y una necesidad identificada en este estudio es la disponibilidad de los elementos de información espacial adecuados para realizar análisis energéticos de edificios en varios niveles de generalización y especificidad para mejorar las vidas y promover los objetivos de la comunidad. En todos los esfuerzos de mapeo energético de edificios, se utilizan métodos repetitivos y no estandarizados para recopilar, intercambiar e integrar conjuntos de datos. Algunos ejemplos notables de mapeo persistente realizado a escala regional o nacional incluyen el CityGML trabajar en Berlín, El gemelo digital AutoBEM de ORNL, y Atlas de energía de la UCLAEl actual enfoque ad hoc para la recopilación, integración y reutilización de datos es terriblemente ineficiente frente a la actual crisis climática.

La idea de apoyar la reutilización y el intercambio de datos espaciales mediante la construcción de información como infraestructura ha existido durante muchos años bajo el concepto de Infraestructuras de Datos Espaciales (IDE). Canadá tiene una IDE altamente desarrollada, la Infraestructura canadiense de datos geoespaciales (CGDI), que utiliza un modelo distribuido para respaldar el acceso, el intercambio y el uso de información espacial diversa. CGDI proporciona una infraestructura crítica de la que los canadienses dependen todos los días, como los pronósticos meteorológicos producidos por Environment and Climate Change Canada. CGDI también respalda la investigación orientada al futuro al permitir que los científicos integren muchas formas diferentes de información a través de la ubicación, como dentro de Datos climáticos.ca.

Más recientemente, el concepto, las capacidades y el diseño de dicha infraestructura se han expandido en la era de la computación en la nube. En este contexto, tiene sentido considerar cómo podría ser una “infraestructura de datos espaciales de energía” (eSDI, por sus siglas en inglés) que pueda satisfacer las diversas necesidades, oportunidades, partes interesadas y objetivos de los datos de energía de los edificios identificados en el informe.

Desafíos identificados

Otros desafíos comunes enumerados por los encuestados de RFI –y reafirmados posteriormente por los participantes del taller– se relacionaban con la disponibilidad, privacidad y confidencialidad de los datos, así como con consideraciones sobre los formatos propietarios. Se encontró que los métodos de obtención de datos y la confianza eran muy variados y estaban mal documentados, medidos, modelados, inferidos, estimados y supuestos de diversas maneras. Los encuestados identificaron la falta de acceso a estimaciones de costos para las renovaciones como una barrera para obtener beneficios de los datos de mapeo y modelado de energía. Desde una perspectiva de infraestructura de datos y reutilización, la falta de un marco de datos general impide conectar la escala y la resolución de los datos espaciales con escenarios de uso particulares. De manera similar, no existen esquemas aceptados para aplicar diferentes enfoques de arquetipificación (agrupamiento/clasificación) a diferentes escenarios de casos de uso y niveles de capacidad técnica y financiera organizacional.

Oportunidades identificadas

A pesar de estos y otros desafíos, en el estudio se identificaron numerosas oportunidades, incluidas las tecnologías de acceso a datos que tienen en cuenta la privacidad, la confidencialidad y el anonimato. Las técnicas prometedoras incluyen el procesamiento de enclaves, la anonimización por agregación y la inyección de ruido, a veces denominada privacidad diferencial. La clasificación adaptativa y la creación de arquetipos basados ​​en el modelado de muestras es otro enfoque potencial para ajustar las necesidades de creación de arquetipos a los casos de uso utilizando los datos disponibles. El desarrollo de sistemas nacionales para datos energéticos consistentes en múltiples escalas espacio-temporales se identifica como una oportunidad que podría servir para una variedad de casos de uso. Los datos nacionales de construcción para un análisis integral de los tipos de edificios, el rendimiento energético, las tecnologías de modernización/actualización, los costos y los beneficios fue otra oportunidad relacionada con los datos identificada. En apoyo de una mayor interoperabilidad de los datos, se pueden organizar oportunidades en torno a políticas y estándares de intercambio de datos para respaldar casos de uso y partes interesadas críticos, por ejemplo, informes obligatorios y contratos federados. La cooperación entre la comunidad y las empresas de servicios públicos facilitada por las autoridades regionales o nacionales puede permitir que las partes interesadas comprendan mejor las oportunidades, los costos y los beneficios de las nuevas tecnologías y fuentes de energía, incluidas las renovables.

Arquitectura nocional de la SDI energética

Uno de los principales resultados de BEMA-CDS es lo que se conoce como una “arquitectura nocional para una eSDI”. Reflejando la arquitectura de todas las infraestructuras de datos espaciales, está organizada en categorías amplias, también conocidas como niveles. En el diagrama siguiente, estas se pueden ver en el lado izquierdo, comenzando en la parte inferior con los datos y avanzando hacia la informática, los servicios y las aplicaciones. Esta arquitectura sigue la evolución de la información, desde los datos hasta el procesamiento y el soporte de decisiones. Cada línea a la derecha de los cuatro niveles contiene paquetes genéricos que se aplican al dominio de la energía y los edificios. En la parte superior de la arquitectura, se muestran las aplicaciones que sintetizan y presentan la información resultante para cumplir potencialmente una variedad de funciones de auditoría, programas, políticas, educación y soporte de decisiones comerciales.

Además de la arquitectura nocional, el diagrama que figura a continuación ilustra el contexto actual en Canadá. Las fuentes de datos, los estándares y las aplicaciones existentes no son totalmente interoperables con las plataformas de modelado, evaluación comparativa y etiquetado energéticos de uso común. Estas plataformas utilizan y recopilan datos que son espacialmente implícitos, es decir, que tienen atributos espaciales como la dirección, la ciudad o la región meteorológica. Sin embargo, el potencial total de la interoperabilidad, el mapeo y el análisis de datos espaciales no está completamente diseñado, operativo ni disponible para los tomadores de decisiones en materia de energía en Canadá.

El estudio y la arquitectura conceptual ayudan a fundamentar las conversaciones sobre el valor potencial y las oportunidades de emprender un mayor desarrollo de la arquitectura eSDI, en Canadá y en el extranjero. Por ejemplo, algunos elementos como los esquemas jerárquicos, relacionales y semánticos aún no se han desarrollado.

Próximos Pasos

Entre las muchas cuestiones planteadas, se destacan las siguientes oportunidades de aprendizaje y posibles próximos pasos:

• Diseño de una capa de construcción nacional extensible y estandarizada, que conduzca tanto a la aplicación nacional como a una mejor comparabilidad de métodos prometedores de análisis energético de edificios.
• Actividades de espacio aislado, como proyectos piloto de interoperabilidad, que modelan los beneficios mutuos del intercambio de información y la interoperabilidad de datos.
• Prototipos para una eSDI que demuestran la disponibilidad común de tecnologías como el modelado de energía basado en la nube, arquetipos de edificios basados ​​en modelos y protocolos de enclave para abordar la privacidad de los datos y las restricciones de propiedad.
• Desarrollo de índices de pobreza energética que tengan en cuenta factores socioeconómicos, climáticos y geográficos a gran escala para evaluar los impactos y la mitigación de los costos energéticos de los edificios.

Estas actividades pueden adoptar la forma de iniciativas de desarrollo de datos y experimentos de interoperabilidad, que a su vez pueden contribuir al desarrollo de normas. En cualquiera de estas actividades, se pueden explorar y elaborar temas transversales, como la resolución espacio-temporal de los datos de entrada y salida, y la creación de arquetipos de métodos que se adapten a los casos de uso.

Conclusión

El estudio BEMA-CDS enumera el estado actual de la práctica e identifica desafíos y oportunidades en la construcción de mapas y análisis de energía. También esboza por primera vez una arquitectura nocional para una Infraestructura de Datos Espaciales de energía. Cambiar el esfuerzo y los recursos de una mentalidad de "hagámoslo para este proyecto" a una de "construirlo, mantenerlo y mejorarlo continuamente" produciría eficiencias, mejoraría la calidad y la puntualidad del apoyo a las decisiones y aceleraría la innovación y la creación de empleo en el dominio, todo ello además de ahorros de costos y una reducción de las emisiones de GEI. Los gemelos digitales urbanos, como AutoBEM, desarrollado y mantenido por Oak Ridge National Laboratory o  Singapur virtual, desarrollado por la Fundación Nacional de InvestigaciónSon ejemplos destacados de lo que se puede lograr con esta mentalidad y la tecnología actual.

La Mapeo y análisis de la energía de los edificios: Informe de estudio sobre el desarrollo del concepto se publicó recientemente y está disponible gratuitamente en Página del estudio de desarrollo del concepto de análisis y mapeo energético de edificios (BEMA-CDS).

Los autores agradecen cualquier pregunta sobre el estudio o el informe: 

• Eddie Oldfield (director sénior de proyectos y servicios de asesoramiento de QUEST) eo*******@*********da.org
• Jessica Webster (Analista de planificación energética, Recursos Naturales de Canadá) je*************@************gc.ca
• Ryan Ahola (científico ambiental, Recursos Naturales de Canadá) ry********@************gc.ca