professor isam shahrour summer course « smart and sustainable city » chapter 6 “smart...

Sustainable  and  Smart  City  :    AUST  Summer  Course  

Chapter  6  :  Smart  Building    

Professor  Isam  SHAHROUR    Isam.shahrour@univ-­‐lille1.fr  

Ø Challenges  of  buildings  Ø Smart  Building  Ø Pilot  Building  (social  housing)  

Global  challenges  

•  Energy  Consump<on    •  Greenhouse  emission  

•  Buildings  consume  32%  of  the  total  final  energy.    

•  In  terms  of  primary  energy,  buildings  consume  around  40%  in  most  IEA  countries.  

Energy  consumpHon  

Building  energy  consumpHon  

Transport  

Industry  

Buildings  

Tokyo  (2005)  

Mexico  (2006)  

London  (1999)  

Shanghai  (2007)  

Building  energy  consumpHon  

Commercial  and  industrial  buildings  use  roughly  50%  of  the  energy  in  the  U.S  (cost  over  $400  billion)  

United  States  

US  Buildings  Ini<a<ve    :  make  commercial  and  industrial  buildings  20%  more  energy  efficient  over  the  next  10  years  and  accelerate  the  private  sector  investment  in  energy  efficiency.    

US  Energy  use  

 Energy  consumpHon  -­‐  Ile  de  France  (Paris)  Buildings  :  around  59%      

Energy  consumpHon  in  buildings  (Ile  de  France  (Paris)  HeaHng  &  hot  water:  around  82%    

Greenhouse  emission  (Ile  de  France  (Paris)  Buildings  :  around  50%    

Electrical  ConsumpHon  –  France  Buildings  65%  

London  :  Carbon  dioxide  emissions  (2006)  Source  Great  London  Authority  (2007  

Buildings  :  71  %  

Berkeley  Greenhouse  emission  (2011)  Buildings  45  %  

80%  (France)  

Poor  quality  buildings  

Quality  of  construcHon  -­‐  France  

Lebanon  

Lebanon  :  EvoluHon  of  the  energy  consumpHon    

Lebanon  :  EvoluHon  of  the  electricity    consumpHon    

Residen<al  

Wholesale  and  retail  

Hotel  

Hot  water    

LighHng  

Lebanon  :  Energy  consumpHon  by  building  sector  

•  Health  •  Customized  

services  

•   Comfort  •  Savings    (energy,  water,…)  •  Security  •  Maintenance  •  Space  management  •  Flexibility    

Building  users  challenges  80  to  90%  of  users  Hme  indoor    

Comfort  :  -­‐  Temperature  -­‐  Humidity  -­‐  Air  quality  -­‐  Ligh<ng  -­‐  Noise    

1.    Building  quality      Improve  the  quality  of  construc<on(  low  energy  consump<on,  posi<ve  energy)  :  •  Architecture  design  •  Insula<on,  stores  •  Renewable  energy  •  Building  equipment  (Hea<ng,  cooling,  

ven<la<on,  ligh<ng,  energy  storage)  •  Use  of    ICT  (smart,…)  for  the  building  

management    

How  to  do  :  

New  construc<on  :  regula<on,  incen<ve,  life  cycle  cost,…(about  20%  addi<onal  cost)    

Exis<ng  construc<on  :heavy  renova<on  to  achieve  high  energy  efficiency  ,  incen<ve  ,  life  cycle  cost,…(about  20%  addi<onal  cost)    

1.    Building  quality      How  to  do  :  

2  :  Use  of  ICT  for  the  building  performances    

1.  Reduce  the  consump<on  (energy,  water,…)  

2.  Increase  the  security  3.  Control  the  health  quality  4.  Provide  customized  services  

How  to  do  :  

•  Heat/cooling  regula<on  (based  on  monitoring  and  usage)  at  different  scales    

•  Light  regula<on  (based  on  presence  and  natural  light)  

•  Store  management  (heat  transfer,  ligh<ng)  •  Storage  of  energy  (hot  water,  ba`ery,  building  

thermal  iner<a)  

Reduce  the  energy  consumpHon  :  

Space  management  :  •  Op<miza<on  of  the  space  use    •  Geo-­‐localiza<on  in  the  building  (presence,  

density,  hea<ng  control,  emergency,…)  •  Virtual  office  

Customized  service  :    •  Specific  medical  or  assistance  service  

(aged  people,….)  •  Surveillance  •  Access  to  external  services  

Ø Challenges  of  buildings  Ø Smart  Building  Ø Pilot  Building  (social  housing)  

An  intelligent  building  was  first  used  in  the  US  in  the  early  80’s.  

DefiniHon  by  the  Intelligent  Building  InsHtuHon  in  Washington:  An  intelligent  building  is  one  which  integrates  various  systems  to  effecHvely  manage  resources  in  a  coordinated  mode  to  maximize:  •   Technical  performance;  •   Flexibility    •  Investment  and  opera<ng  cost  savings      

 More  recently  CIB  Working  Group  W98  on  Intelligent  and  Responsive  Buildings  stated:        An  intelligent  building  is  a  dynamic  and  responsive  architecture  that  provides  every  occupant  with  produc<ve,  cost  effec<ve  and  environmentally  approved  condi<ons  through  a  con<nuous  interac<on  among  its  four  basic  elements:    •  Places  (fabric;  structure;  facili<es):    •  Processes  (automa<on,  control;  systems):  •  People  (services;  users)    •  Management  (maintenance;  performance)  and  

the  interrela<on  between  them.  

What  can  we  expect  of  such  a  building?  •  Improved  interac<on  between  building  systems  and  building  users  •  A  building  that  can  detect  its  state  make  self-­‐adjustments    •  Providing  a  healthier  and  more  comfortable  environment  •  Enhancement  of  the  long-­‐term  economic  performance  

What  can  we  expect  of  such  a  building?  •  Reduces  energy  and  resource  usage  •  Leverages  renewable  energy  technologies  •  Improves  indoor  air  quality    •  Allows  for  easier  maintenance  and  longer  lifespan  

Smart  Sensors  –  monitroring    

h`p://www.digikey.com/es/ar<cles/techzone/2012/jan/wireless-­‐technology-­‐for-­‐home-­‐automa<on-­‐can-­‐save-­‐energy  

From  point-­‐to-­‐point  to  complex  network  topologies,    

Electrical  ConsumpHon  Counter    

h`p://powerelectronics.com/alterna<ve-­‐energy/smart-­‐grid-­‐ushers-­‐new-­‐era-­‐energy-­‐conserva<on  

Electrical  ConsumpHon    

ConstrucHon  of  the  smart  building  

Various  commercial  offers  (architectures)  depending  on  the    services  and  priori<es:    savings,  comfort,  health,  security,  customized  services,..    

h`p://www.electronicproducts.com/Analog_Mixed_Signal_ICs/Sensors/Renesas_Solu<ons_for_Wireless_Networks_-­‐_Part_3_Energy_Harves<ng.aspx  

h`p://commercialrealestateadvisor.com/cre-­‐innova<on-­‐blog/  

Building  AutomaHon  System  (BAS)  ·∙  Control  and  manage  all  electronic  environment  ·∙  Reduce  op<mizing  electricity  consump<on  ·∙  Integrated  gadget  and  mobile  phone  ·∙  Anywhere,  any<me  to  access  electrical  at  home    

h`p://www.centrin.net.id/new/solu<on/smart-­‐building.html  

h`p://ubiquitouscompu<ngdtc375.blogspot.com/2012/03/ubiquitous-­‐compu<ng-­‐and-­‐elderly-­‐sara.html  

Smart  Building  for  “aged”  people  

h`p://ubiquitouscompu<ngdtc375.blogspot.com/2012/03/ubiquitous-­‐compu<ng-­‐and-­‐elderly-­‐sara.html  

An  example  :  6:55am  -­‐  Grandma  lej  bed  6:57am  -­‐  Bathroom  door  closed,  pressure  sensor  ac<vated  on  toilet  6:58am  -­‐  Bathroom  sink  water  sensor  on  6:58am  -­‐  Bathroom  sink  water  sensor  off  etc.  

Ø Challenges  of  buildings  Ø Smart  Building  Ø Pilot  Building  (social  housing)  

Smart  system  for  social  housing  

Valen=n  Collot,  Ammar    Aljer,  Romain  Tribout    Isam  Shahrour,  Afif  Benyahya  

Smart  system  for  social  housing  Partnership:  Lille  Métropole  Habitat      

1)  SpecificaHons  

ConsumpHon:    Ø electricity    Ø hea<ng    Ø cold  water    Ø hot  water  

Comfort  parameters:    Ø temperature    Ø humidity  Ø Air  quality    Ø Lightening    Ø Noise  

1)  SpecificaHons  

Other  parameters:    •  Occupancy  •  The  doors  and  windows  state  (open/close)  •  Ven<la<on    •   fire  alarm  

2)  Command    •  Electrical  appliances    •  Stores    •  Radiators    •  Ven<la<on    •  Water  flows  

1)  SpecificaHons  

Provide  using  a  local  CPU:    •  Communica<on  with  sensors  and  actuators    •  Data  storage    •  Local  data  analysis  •  Control  according  to  programmed  scenarios    •  Communica<on  of  data  to  users  via  various  support  (mobile,  table`e,…)    

•  Alarms  

1)  SpecificaHons  

Possibility  for  remote  connecHon:    Ø Access  to  personal  data.    Ø Remote  control    Ø Store  data  

1)  SpecificaHons  

Possibility  of  data  share  • Comparison    • Good  prac<ce    

1)  SpecificaHons  

1)  Cahier  des  Charges  

5)  Open  source  and    friendly  plaiorm  •  Open  source  sojware    •  Integra<on  of  commercial  sensors,  actuators,…  •  Low  energy  consump<on  •  Friendly  users’  interface    •  Ease  installa<on      

2)Smart  system  configuraHon  

Temperature    

Sensor  1  

Sensor2  

Sensor  3  

Command  

radiator  

Outlet  

T  =  19°  H  =  45%     T  =  19°  

H  =  45%  Quality  =  A    

T  =  19°  H  =  45%    

T  =  19°  H  =  45%  

19:35  T  =  19°  H  =  45%  

ConsumpHon    •  Electricity    •  Cold  water    •  Hot  Water  •  Gaz      

Real  Hme   Historical   Command   Alarm   Analyses  

2)  Users  interface  Freindly  Interface  

Analyse  

Chauffage  

Analyse  

Modifier  

Début  

Année   2014  

Mois   Fev  

Jour   11  

Heure   10:30  

Modifier  

Fin  

Année   2014  

Mois   Fev  

Jour   12  

Heure   10:30  

4)  InstallaHon  dans  l’appartement  pédagogique:  

Temperature  /  Humidity  Indoor  Air  Quality    brightness    presence  

Electric  consump<on  

Appartement  pédagogique:  

Temperature  

17  

17,5  

18  

18,5  

19  

19,5  

20  

20,5  

21  

21,5  

22  

0:03  

2:37  

5:12  

7:47  

10:21  

12:56  

15:31  

18:05  

20:40  

23:15  

2:20  

4:55  

7:30  

10:04  

12:39  

15:14  

17:49  

20:23  

22:58  

2:18  

4:53  

7:27  

10:02  

12:37  

15:11  

17:46  

20:21  

22:55  

2:01  

4:36  

7:10  

9:45  

12:20  

14:55  

17:29  

20:04  

22:39  

1:44  

4:19  

6:54  

9:29  

12:03  

14:38  

17:13  

19:47  

22:22  

Température  Séjour   Température  Ch2  /  Bureau  [°C]

29/01/2014   30/01/2014   31/01/2014   01/02/2014   02/02/2014  

Humidity  

25  

27  

29  

31  

33  

35  

37  

39  

0:03  

2:37  

5:12  

7:47  

10:21  

12:56  

15:31  

18:05  

20:40  

23:15  

2:20  

4:55  

7:30  

10:04  

12:39  

15:14  

17:49  

20:23  

22:58  

2:18  

4:53  

7:27  

10:02  

12:37  

15:11  

17:46  

20:21  

22:55  

2:01  

4:36  

7:10  

9:45  

12:20  

14:55  

17:29  

20:04  

22:39  

1:44  

4:19  

6:54  

9:29  

12:03  

14:38  

17:13  

19:47  

22:22  

Humidité  Séjour  [%]   Humidité  Ch2  /  Bureau  [%]  [%]

29/01/2014   30/01/2014   31/01/2014   01/02/2014   02/02/2014  

Un  signal  analogique  calcul  la  concentra<on  de  l’ensemble  des  gaz  toxiques  détectés  pour  échelonner  la  qualité  de  l’air.  Le  capteur  détecte  plusieurs  sortes  de  gaz.    

Air  quality    

60  65  70  75  80  85  90  95  100  105  110  

0:24  

2:04  

3:44  

5:24  

7:04  

8:44  

10:24  

12:05  

13:45  

15:25  

17:05  

18:45  

20:25  

22:05  

23:45  

1:44  

3:24  

5:04  

6:44  

8:24  

10:04  

11:44  

13:25  

15:05  

16:45  

18:25  

20:05  

21:45  

23:25  

1:24  

3:04  

4:44  

6:24  

8:04  

9:44  

11:24  

13:05  

14:45  

16:25  

Qualité  d'air  du  séjour  

0  -­‐200  :          Air  frais  200  –  400  :  Air  peu  pollué  400  –  600  :  Air  Pollué  600  –  800  :  Air  très  pollué  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

2500  

3000  

3500  

1065000  

1065500  

1066000  

1066500  

1067000  

1067500  

1068000  

1068500  

1069000  

1069500  

1070000  

0:04  

1:24  

2:44  

4:04  

5:24  

6:44  

8:04  

9:24  

10:44  

12:04  

13:24  

14:44  

16:04  

17:24  

18:44  

20:04  

21:24  

22:44  

0:04  

1:24  

2:44  

4:04  

5:24  

6:44  

8:04  

9:24  

10:44  

12:04  

13:24  

14:44  

16:04  

17:24  

18:44  

20:04  

21:24  

22:44  

0:04  

1:24  

2:44  

4:04  

5:24  

6:44  

8:04  

9:24  

10:44  

12:03  

13:23  

Index  [Wh]   Puissance  Apparente  [VA]  

ConsommaHon  électrique  

[Wh] [VA]

12/02/2014   13/02/2014   14/02/2014