Automatismes, usuaris i arquitectura: aplicació a la gestió energètica dels edificis

Abstract

(English) Digitalization and automation are being applied across various sectors of society, including buildings through Building Automation and Control Systems (BACS). These systems enable, for instance, the management of mobile exterior elements based on energy criteria that enhance the utilization of natural energy sources. However, they often completely replace the user’s role in managing the architecture, sometimes leading to uncomfortable and undesirable situations. The acceptance of BACS is well-studied in scientific literature, though this issues can arise only when people are present in the building. Some types of buildings, such as non-residential buildings with regular schedules (like offices, schools, universities, and administrative buildings), have a low annual occupancy rate, being occupied between one-sixth to one-third of the year. This means that they remain unoccupied most of the time. This thesis aims to quantify the impact of implementing control systems only when buildings are not in use (such as at night, during the weekends, and vacation periods), times when automation can operate freely without causing any disturbances to occupants. To achieve this, an energy simulation method is designed with three control scenarios: (i) entirely manual, (ii) fully automatic, and (iii) a combined system based on the occupancy, called hybrid, where the automation happens only when the building is not occupied, but allows manual control when people are present. This method is applied to nine case studies. The hybrid control system for solar protections reduces the energy demand by 5% to 15% compared to a manual control system, due to taking better advantage of solar radiation. The fully automatic system doubles the reduction of the energy demand of the hybrid system, but it does not take into consideration the user’s possible discomfort, such as glare. In conclusion, for buildings with regular occupancy patterns, hybrid systems are a good starting point for implementing BACS as they offer the advantages of automatic systems by efficiently utilizing natural environmental conditions, while still allowing for manual control by occupants, thus avoiding acceptance issues.

(Català) La digitalització i l’automatització s’apliquen a diversos àmbits de la societat, inclosos els edificis amb els anomenats Building Automation and Control Systems (BACS). Aquests sistemes fan que sigui possible, per exemple, gestionar els elements mòbils de la façana mitjançant criteris energètics que potenciïn l'aprofitament de les fonts d’energia natural. Tanmateix, sovint ho fan reemplaçant completament el paper de l’usuari en la gestió de l’arquitectura, podent, fins i tot, generar situacions molestes i indesitjades. L’acceptació dels BACS està àmpliament estudiada a la literatura científica, ara bé, és un problema que està limitat als moments que hi ha persones a l’edifici. Alguns tipus d’edificis tenen un índex d’ocupació anual baix, com els edificis no residencials amb horaris regulars (oficines, escoles, universitats i edificis administratius), que estan ocupats entre una sisena i una tercera part de l’any. Això vol dir que no hi ha ningú al seu interior durant la major part del temps. Aquesta tesi se centra a quantificar què passaria si apliquéssim sistemes de control només quan els edificis no estan en ús (a les nits, caps de setmana i períodes de vacances), moments que els automatismes podrien funcionar lliurement sense generar cap incompatibilitat amb les persones. Per fer-ho, es dissenya un mètode de simulació energètica amb tres escenaris de control: (i) un de totalment manual, (ii) un de totalment automàtic i (iii) un sistema combinat segons l’ocupació de l’edifici, anomenat híbrid, que és automàtic, però deixa el control manual a les persones quan hi són. Aquest mètode s’aplica a nou casos d’estudi. El sistema híbrid de control de les proteccions solars redueix la demanda energètica entre un 5% i un 15% respecte d’un sistema de control manual gràcies a un major aprofitament de la radiació solar. El sistema totalment automàtic duplica els valors de reducció de la demanda del sistema híbrid, però pot causar desconfort a l’usuari, com l’enlluernament. Es conclou que, en edificis de ritme regular, els sistemes híbrids són un bon punt de partida per implementar BACS, ja que ofereixen els avantatge dels sistemes automàtics, amb un bon aprofitament de les condicions naturals de l’entorn, alhora que permeten el control manual de les persones quan hi són, evitant, així, problemes d’acceptació.

(Español) La digitalización y la automatización se aplican a diversos ámbitos de la sociedad, incluidos los edificios con los llamados Building Automation and Control Systems (BACS). Estos sistemas hacen posible, por ejemplo, gestionar los elementos móviles de la fachada mediante criterios energéticos que potencian el aprovechamiento de las fuentes de energía natural. Sin embargo, a menudo reemplazan completamente el papel del usuario en la gestión de la arquitectura, pudiendo incluso generar situaciones molestas e indeseadas. La aceptación de los BACS está ampliamente estudiada en la literatura científica, ahora bien, es un problema que está limitado a los momentos en que hay personas en el edificio. Algunos tipos de edificios tienen un índice de ocupación anual bajo, como los edificios no residenciales con horarios regulares (oficinas, escuelas, universidades y edificios administrativos), que están ocupados entre una sexta y una tercera parte del año. Esto significa que no hay nadie en su interior durante la mayor parte del tiempo. Esta tesis se centra en cuantificar qué pasaría si aplicáramos sistemas de control solo cuando los edificios no están en uso (por la noche, fines de semana y períodos de vacaciones), momentos en los que los automatismos podrían funcionar libremente sin generar ninguna incompatibilidad con las personas. Para ello, se diseña un método de simulación energética con tres escenarios de control: (i) uno totalmente manual, (ii) uno totalmente automático y (iii) un sistema combinado según la ocupación del edificio, llamado híbrido, que es automático, pero deja el control manual a las personas cuando están presentes. Este método se aplica a nueve casos de estudio. El sistema híbrido de control de las protecciones solares reduce la demanda energética entre un 5% y un 15% respecto a un sistema de control manual gracias a un mayor aprovechamiento de la radiación solar. El sistema totalmente automático duplica los valores de reducción de la demanda del sistema híbrido, pero puede causar incomodidad al usuario, como el deslumbramiento. Se concluye que, en edificios de ritmo regular, los sistemas híbridos son un buen punto de partida para implementar BACS, ya que ofrecen las ventajas de los sistemas automáticos, con un buen aprovechamiento de las condiciones naturales del entorno, a la vez que permiten el control manual de las personas cuando están presentes, evitando así problemas de aceptación.