Sustainable Buildings Competition Rijksuniversiteit Groningen Brian Setz, Faris Nizamic & Tuan Anh Nguyen January 12, 2016
Managementsamenvatting In Nederland worden jaarlijks miljarden euro’s besteed aan energiekosten voor kantoorgebouwen. Dit komt neer op ongeveer 40% van het totale energieverbruik van gebouwen in Nederland. Onderzoek laat zien dat het verbruik van kantoorgebouwen met 30% teruggedrongen kan worden. De Sustainable Buildings Competition is een project dat als doel heeft om competitie te bevorderen tussen gebouwen op het gebied van duurzaamheid, en daardoor indirect bij te dragen aan het verduurzamen van kantoorgebouwen. Wij passen ICT toe om een platform te ontwikkelen met als doel het verzamelen van het energieverbruik van gebouwen, en deze te dusdanig te presenteren om gebruikers van gebouwen “energy-aware” te maken. Wij hebben een competitief platform gerealiseerd, bestaande uit een backend en twee verschillende soorten frontends (dashboards). De backend is gebaseerd op cloud-technologie waardoor ons platform zeer schaalbaar is. De twee frontends zijn bedoeld om de gebruiker bewust te maken van het energiegebruik van het gebouw, en om een competitie te introduceren tussen verschillende gebouwen. De webapplicatie frontend is bedoeld voor grote schermen, bijvoorbeeld schermen in gebouwen of computerschermen. De mobile-applicatie frontend is bedoeld voor mobiele apparaten zoals smartphones, tablets en dergelijke apparaten. Het resultaat van het project is het door ons gerealiseerde platform welke gebruikt kan worden voor het verzamelen van het energieverbruik van gebouwen, en het maken van vergelijken op basis van het energieverbruik. Het platform is toegepast op de twee gebouwen van de Rijksuniversiteit Groningen, en twee gebouwen van de Gemeente Groningen. Om de impact van het platform te onderzoeken moeten er experimenten uitgevoerd worden, bijvoorbeeld in samenwerking met de faculteit Gedrags- en Maatschappijwetenschappen van de Rijksuniversiteit Groningen. Echter valt dit buiten de scope van het project. Wij zijn van plan om het platform verder te ontwikkelen als onderdeel van de Sustainable Buildings startup, met als business case het ontwikkelen van de nieuwe generatie slimme gebouwbeheersystemen. Naast publieke dashboards willen wij ook graag een management-dashboard en een omgevings-dashboard ontwikkelen, om gebouwbeheerders meer inzicht te geven in de duurzaamheid van de gebouwen die zij beheren. Daarnaast zien wij nog vele mogelijkheden voor onderzoek waarvoor wij onderzoeksvoorstellen zullen indienen. Wij verwachten dat het gebruik van het platform de volgende voordelen zal hebben: 1) Het platform verhoogt het bewustzijn van gebouwgebruikers op het gebied van duurzaamheid; 2) Door de bewustzijn te verhogen zal een gedragsverandering plaatsvinden bij de gebouwgebruikers; 3) Er ontstaat een vriendelijke competitie tussen gebouwen waardoor gebruikers gemotiveerd worden om bij te dragen aan de besparingsdoelen; 4) Uiteindelijk zal het gebruik van het platform een kostenbesparing opleveren. De kosten voor het ontwikkelen van het platform zijn bekend (H6), echter de kosten voor het uitrollen per gebouw zullen afhangen van de eisen en wensen van de gebouwbeheerders. Het doel is om een platform te realiseren welke zowel voor kleine organisaties als voor grote organisaties betaalbaar is. 1
Hoofdstuk 1
Sustainable Buildings Competition In Nederland worden jaarlijks miljarden euro’s besteed aan energiekosten voor kantoorgebouwen. Dit komt neer op ongeveer 40% van het totale energieverbruik van gebouwen in Nederland. Onderzoek laat zien dat het verbruik van kantoorgebouwen met 30% teruggedrongen kan worden. Organisaties en instellingen hebben meestal geen zicht op de energierekening totdat men de rekening ziet. Deze organisaties hebben vaak niet de mogelijkheid om real-time inzicht te verkrijgen in het energieverbruik. De Sustainable Buildings Competition is een project dat als doel heeft om competitie te bevorderen tussen gebouwen op het gebied van duurzaamheid. Wij passen ICT toe om een platform te ontwikkelen met als doel het verzamelen van het energieverbruik van gebouwen om gebruikers van gebouwen “energy-aware” te maken. De verzamelde informatie zal worden gebruikt om een competitie tussen gebouwen te faciliteren. Op deze manier willen wij het energieverbruik terugdringen. Met behulp van dit platform realiseren wij het eerste sociaalnetwerk tussen kantoorgebouwen in Nederland. Als onderdeel van het platform zal er software ontwikkeld worden om het energieverbruik te verzamelen en te presenteren. De presentatie zal gedaan worden in de vorm van een web- en mobiele- applicatie welke toegankelijk is voor gebruikers van gebouwen die onderdeel uitmaken van het sociaalnetwerk. Het doel van dit project is om organisaties en gebruikers van gebouwen bewust te maken het energieverbruik. Het beoogde duurzame e↵ect van dit project om zowel organisaties en gebruikers te motiveren om maatregelen te nemen om het energieverbruik terug te dringen. Onderzoek laat zien dat het presenteren van informatie met betrekking tot het energieverbruik een verandering van het gedrag van gebruikers bevordert, wat een besparing op kan leveren tot 20%.
2
Hoofdstuk 2
Hardware & Backend Voordat het competitief platform gerealiseerd kan worden is het nodig dat informatie over het energieverbruik van gebouwen verzameld kan worden. Tegenwoordig maken veel gebouwen gebruik van slimme energiemeters waarmee het energieverbruik uitgelezen kan worden door derden. Wanneer de informatie uitgelezen is moet de informatie worden opgeslagen en vervolgens beschikbaar worden gesteld voor weergave. Voor het verzamelen van het energieverbruik maken wij gebruik van de Raspberry Pi (figuur 2.1), een goedkope en zuinige singleboardcomputer die eenvoudig naast de energiemeter gemonteerd kan worden. Voor het uitlezen van de informatie is een hardware component nodig die op de Raspberry Pi aangesloten kan worden. Er zijn verschillende technieken voor het uitlezen van de energiemeter, die elk een eigen hardware component vereisen. Op dit moment ondersteunen wij vier technieken: P1, S0, Infrarood en Optisch (figuur 2.2). Op deze manier kunnen wij vrijwel elke energiemeter uitlezen.
Figuur 2.1: Raspbbery Pi Er zitten enorme verschillen tussen deze vier technieken, en niet elke techniek heeft onze voorkeur. Deze verschillen hebben onder andere invloed op de betrouwbaarheid van uitlezing. Optisch is het minst betrouwbaar, gevolgd door S0. Wanneer er een optische of elektrische (S0) impuls wordt gemist dan is dit niet te detecteren. Infrarood en P1 hebben daarom de voorkeur omdat deze technieken meer informatie beschikbaar stellen dan enkel een impuls. Wanneer de informatie verzameld is moet deze nog worden opgeslagen. Echter 3
(a) S0
(b) P1
(c) Infrarood
(d) Optisch
Figuur 2.2: Ondersteunde technieken voordat dit kan gebeuren moet de informatie verzonden worden naar de backend. Dit is niet altijd eenvoudig, aangezien niet in elke meterkast een ethernetverbinding beschikbaar is. In het geval dat er geen ethernetverbinding beschikbaar is, en ook geen Wi-Fi, dan maken wij gebruik van 3G met behulp van een 3G dongle (figuur 2.3). Uiteraard heeft een ethernetverbinding de voorkeur, in verband met de stabiliteit van de verbinding.
Figuur 2.3: 3G Dongle Om de verzonden informatie te kunnen verwerken is een backend nodig. Wij hebben onze backend gebasseerd op vernieuwende technieken op het gebied van cloud-computing. Het hart van het systeem wordt gevormd door een NoSQL database oplossing genaamd Cassandra. Wij hebben voor Cassandra gekozen vanwege het feit dat Cassandra geoptimaliseerd is voor tijdreeksinformatie. Het 4
Cassandra cluster is gedistribueerd over drie fysieke servers. Alle door sensoren gegenereerde informatie wordt in Cassandra opgeslagen. Daarnaast maken wij gebruik van RabbitMQ, wederom in een cluster-opstelling. Het doel van RabbitMQ is om het platform schaalbaar te houden wanneer het aantal sensoren dat informatie verstuurt stijgt. Sensoren sturen de informatie die zij genereren direct naar RabbitMQ, waar vervolgens de zogenoemde datacollector de informatie uit RabbitMQ haalt en in Cassandra stopt. De omgevingsinformatie wordt opgeslagen in een graaf-database, in ons geval betreft dit OrientDB. In OrientDB staat informatie die de omgeving beschrijft; waar zijn sensoren ge¨ınstalleerd, welke identificatienummers hebben deze sensoren, enzovoorts. Op deze manier kan de omgeving eenvoudig opgeschaald worden zonder dat het overzicht verloren gaat. Ook OrientDB is gedistribueerd over meerdere fysieke machines.
Figuur 2.4: Systeem architectuur Om ervoor te zorgen dat bepaalde diensten, zoals RabbitMQ, Cassandra, OrientDB, enzovoorts, eenvoudig te vinden zijn ook wanneer het aantal servers toeneemt, wordt gebruik gemaakt van Etcd. De diensten registreren zichzelf in Etcd en vervolgens kunnen applicaties die gebruik maken van een bepaalde dienst eenvoudig de locatie (lees: IP-adres) achterhalen. Wij gebruiken Spark om de informatie afkomstig van de energiemeters verder te verwerken. Een overzicht van alle diensten is te zien in figuur 2.4. 5
Hoofdstuk 3
Web Applicatie Er is een webapplicatie ontwikkeld om de energiebewustheid van de gebouwgebruikers te verhogen. De webapplicatie is bedoeld om gebruikers inzicht te geven in het energieverbruik van het gebouw waar deze gebruiker werkt. Dit wordt gedaan door het laten zien van verschillende soorten informatie. Een overzicht van de webapplicatie is te zien in figuur 3.1.
Figuur 3.1: Webapplicatie De sidebar van de website (figuur 3.2a) geeft de huidige datum en tijd weer. Ook biedt de sidebar de gebruiker de mogelijkheid om door de historische informatie te bladeren met behulp van een kalender. Onderaan de sidebar bevindt zich een tip van de dag die de gebruiker aanspoort en advies geeft met betrekking tot het besparen van energie binnen het gebouw. Een overzicht van het gehele gebouw is ook te zien in de webapplicatie (figuur 3.2b). Dit overzicht geeft de gebruiker informatie over het huidige totaal verbuik en de kosten die dit met zich mee brengt. Ook staat het besparingsdoel in dit 6
(b) Gebouwoverzicht (a) Sidebar
overzicht. Het besparingsdoel geeft weer hoeveel procent men wil besparen gedurende het huidige jaar. Daarnaast geeft het de CO2 uitstoot weer en de verwachte energieconsumptie van de gehele dag. Het verwachte energieverbruik is gebasseerd op historische informatie en het besparingsdoel welke voor dit gebouw gedefineerd is.
Figuur 3.3: Per maand De webapplicatie laat twee grote grafieken zien. De eerste grafiek geeft een overzicht van het verbruik per dag gedurende de huidige maand, zoals te zien in figuur 3.3. De kleur van de staafgrafiek geeft aan of het verbruik overeenkomt met het verwachte gebruik. Rood betekent meer verbruikt dan verwacht, geel geeft aan dat het gebruik overeenkomt en groen betekent dat het verbruik min-
7
der is dan verwacht.
Figuur 3.4: Per dag In figuur 3.4 is het verbruik gedurende de huidige dag te zien. Het vebruik wordt per 5 minuten verwerkt en weergegeven. Dit geeft een interessant overzicht waarin de gebruiker kan zien dat het gebruik gedurende de werkdag behoorlijk op kan lopen. Beide grafieken maken gebruik van het HighCharts framework, aangezien dit framework de meest uitgebreide mogelijkheden biedt voor het weergeven van diagrammen en grafieken.
Figuur 3.5: Organisatieoverzicht Naast het verbruik per gebouw kan ook het energieverbruik per organisatie worden weergegeven (figuur 3.5). In dit organisatieoverzicht kan men eenvoudig meerdere gebouwen tegelijkertijd vergelijken. Ook is het totaalverbruik van de gehele organisatie in te zien. En wederom is het verbruik per 5 minuten te zien. De laatste pagina is de pagina voor de competitie tussen gebouwen. Deze pagina is te zien in figuur 3.6. Op deze pagina worden twee gebouwen met elkaar vergeleken. Op deze pagina worden verschillende dingen vergeleken, bijvoorbeeld het aantal kWh per m2 en het aantal kWh per persoon. Ook kan het huidige verbruik worden vergeleken, en de bijbehorende kosten in euro’s en CO2 . Het winnende gebouw wordt aangegeven met een groene badge. 8
Figuur 3.6: Vergelijkingspagina
Figuur 3.7: Webapplicatie architectuur De webapplicatie integreert met de rest van het systeem door middel van een REST-interface (figuur 3.7). Deze REST-interface geeft de nodige informatie aan de webapplicatie in de vorm van JSON-objecten. Op deze manier kunnen meerdere webapplicaties aangesloten worden en gebruik maken van dezelfde informatie. De webapplicatie is bedoeld voor weergave op grote schermen. Het is geoptimaliseerd voor Full HD formaat (1920x1080), of andere schermafmetingen met eenzelfde aspect-ratio (16:9).
9
Hoofdstuk 4
Mobiele applicatie De mobiele applicatie is ontwikkeld voor het gebruik op mobiele apparaten zoals telefoons, tablets, enzovoorts. In eerste instantie was het de bedoeling om een Android applicatie te ontwikkelen. Echter zou dit betekenen dat er voor elk mobielplatform een specifieke applicatie benodigd is.
(b) Competitie (a) Overzicht
Figuur 4.1: Mobiele applicatie In plaats daarvan hebben wij gekozen voor een zogenoemd responsive-design. 10
Dit maakt het mogelijk dat de mobiele applicatie op verschillende platformen bekeken kan worden zonder dat hiervoor native applicaties nodig zijn per platform. Het enige vereiste is beschikking hebben over een moderne webbrowser. De mobiele applicatie is zo ontworpen dat deze zich aanpast aan de schermresolutie van het mobiele apparaat. Hierdoor zijn de pagina’s op een groot aantal verschillende mobiele platformen te bekijken. In figuur 4.1a is te zien hoe de overzicht pagina van een enkel gebouw wordt weergegeven op een mobiele telefoon. Het ontwerp is gebaseerd op het INSPINIA framework, welke het ontwikkelprocess versnelt. De competitie pagina zoals weergegeven op een mobiele telefoon is te zien in figuur 4.1b. Het winnende gebouw is hier niet aangeven met behulp van een badge, maar met behulp van kleuren.
(b) Per organisatie
(a) Per gebouw
Figuur 4.2: Energieverbruik Ook is het verbruik per gebouw te bekijken, zoals bijvoorbeeld te zien is in figuur 4.2a. Daarnaast kan ook het energieverbruik van de gehele organisatie bekeken worden. Dit is te zien in figuur 4.2b. In deze figuren is het duidelijk te zien dat er bepaalde patronen in het energieverbruik te herkennen zijn, zowel voor ´e´en gebouw als voor de gehele organisatie. De pagina’s van de mobiele applicatie hebben dezelfde functionaliteiten als de webapplicatie. Dit is mogelijk doordat de mobiele applicatie dezelfde RESTinterface gebruikt als de webapplicatie, en daardoor dezelfde functionaliteiten kan verwerken.
11
Hoofdstuk 5
Uitdagingen Gedurende het project zijn er verscheidende uitdagingen tegengekomen, die wij in eerste instantie niet aan hebben zien komen. Opvallend is dat de meeste van deze uitdagingen gerelateerd zijn aan het koppelen van bestaande systemen of slimme meters aan het door ons ontwikkelde platform. Ten eerste zijn er vele verschillende technieken voor het uitlezen van slimme meters. Elke techniek heeft zijn voor- en nadelen. De technieken die wij zijn tegengekomen na het bekijken van slechts enkele gebouwen zijn: P1, S0, Infrarood en Optisch. De S0 en Optische technieken zijn zeer primitief en werken op basis van pulsen, deze technieken zijn zeer gevoelig voor fouten doordat het niet mogelijk is om te detecteren wanneer er pulsen gemist worden. Dit is wel mogelijk bij het gebruik van P1 en Infrarood. Daarom hebben deze twee technieken ook onze voorkeur en raden wij gebouwbeheerders aan om hier rekening mee te houden. Helaas hebben wij alleen toegang kunnen krijgen tot de S0 en Optisch technieken. De reden hiervoor is dat de slimme meters in de gebouwen die wij hebben aangesloten slechts een beperkt aantal technieken ondersteunen. En soms zijn bepaalde aansluitingen niet toegankelijk omdat de netbeheerder de toegang tot de slimme meter heeft beperkt. Daarnaast is het spijtig dat veel bestaande gebouwbeheersystemen erg gesloten zijn met betrekking tot het toegang verkrijgen tot de verbruiksinformatie. Hierdoor is het lastig om te integreren met het bestaande systeem en is er vaak sprake van vendor-locking. Wij zijn dan ook van mening dat beheerders van gebouwen bij het kiezen van een gebouwbeheersysteem ook de openheid van het systeem moet laten meewegen. De informatie is namelijk niet alleen interessant voor de organisatie zelf, maar zou ook gebruikt kunnen worden voor het onderzoeken van landelijke trends of andere soorten big data analyse. Ook zijn wij tijdens de installatie van onze hardware tegen enkele uitdagingen aangelopen. Om te beginnen is niet in elke meterkast een stopcontact aanwezig, welke nodig is om onze hardware van stroom te voorzien. Ook is er vaak geen netwerkverbinding aanwezig, wederom nodig om onze hardware te verbinden met de backend. Wi-Fi en 3G-verbindingen zijn oplossingen voor dit probleem, 12
maar deze verbindingen zijn niet zeer stabiel. Daarom hebben verbindingen met een ethernetkabel onze voorkeur. Wanneer er wel een netwerkverbinding aanwezig is, dan is het niet altijd eenvoudig om te verbinden met het bestaande netwerk vanwege regels die bepaalde organisaties hebben opgesteld. Soms is er geen netwerkverkeer toegestaan van externe partijen, of wordt al het inkomende netwerkverkeer geblokkeerd. Ook komt het voor dat organisaties alleen apparatuur toestaan die beheerd wordt door de eigen IT-afdeling. Dit alles zorgt ervoor dat de door ons ontwikkelde apparatuur niet kan functioneren zonder medewerking van de organisatie. Ook in deze gevallen biedt een 3G-verbinding de uitkomst. Een ander punt is het vinden van goede criteria voor het vergelijken van verschillende gebouwen. Gedurende het project zijn wij gebouwen tegengekomen met zeer uiteenlopende bouwjaren, omvang en aantallen gebruikers. Wij zijn nog opzoek naar de juiste manier om deze parameters te normaliseren zodat gebouwen op een eerlijke manier deelnemen in de competitie. Echter is dit ook een teken dat moderne gebouwen inderdaad zuiniger zijn en daardoor voor grote verschillen zorgen wanneer deze gebouwen worden vergeleken met oud(ere) gebouwen. Tot slot de technische uitdagingen die bij een project als deze komen kijken. Dankzij de bestaande kennis van de Distributed System groep van de Rijksuniversiteit Groningen zijn alle technische uitdagingen relatief snel overwonnen. De grootste uitdagingen zaten vooral in het ontwikkelen van de frontend applicaties zoals de webapplicatie en de mobile applicatie, aangezien er weinig expertise in de groep aanwezig is op het gebied van front ontwikkeling. Vooral het ontwikkelen van een mobile applicatie op basis van responsive-design was een grote technische uitdaging.
13
Hoofdstuk 6
Conclusie Het Sustainable Buildings Competition project is een omvangrijk project geworden. Door gebruik te maken van vernieuwende technieken is er een interessant platform tot stand gekomen welke toekomst bestendig zal zijn. Daarnaast zijn er inzichten verkregen op het gebied van slimme meters en gebouwbeheersystemen. Ook zijn er nog vele mogelijkheden voor uitbreidingen van het platform. Wij hadden graag meer gebouwen toegevoegd aan de Sustainable Buildings Competition. Helaas was dit niet mogelijk door het gebrek aan tijd, aangezien het regelen van de juiste aansluitingen niet eenvoudig is. Wij hebben geprobeerd om twee organisaties aan te sluiten op ons platform: de Rijksuniversiteit Groningen en Gemeente Groningen. Echter liepen wij tegen dezelfde installatieproblemen aan bij beide organisaties. Ons advies is dan ook om hier bij nieuwe gebouwen rekening mee te houden. Zowel met het feit dat een netwerkverbinding en stopcontact beschikbaar moet zijn in de meterkast, alsmede het feit dat de slimme energiemeter zelf toegankelijk hoort te zijn. Dit betekent dat bij de keuze van het gebouwbeheersysteem ook gekeken moet worden naar de openheid en toegankelijkheid van het gekozen systeem. Uiteindelijk hebben wij twee applicaties beschikbaar kunnen stellen: de webapplicatie en de mobiele applicatie. De webapplicatie is zichtbaar op de schermen in de Bernoulliborg, ´e´en van de gebouwen van de Rijksuniversiteit Groningen die op ons platform aangesloten is. Ook is de applicatie voor mobiele apparaten via het internet bereikbaar. Dus kunnen de gebruikers van het gebouw inzicht krijgen in het energieverbruik. Ook bieden deze applicaties de mogelijkheid op gebouwen met elkaar te vergelijken en dus de mogelijkheid een competitief aspect te introduceren. Op het moment van schrijven zijn wij ook bezig met het toevoegen van weersinformatie en informatie over het binnenklimaat. Deze informatie wordt verzameld met behulp van Olimex ZigBee sensoren. De sensoren meten verschillende aspecten van de ruimte, zoals het CO2 niveau, de temperatuur en hoe licht of donker de ruimte is. Het is al mogelijk om deze sensoren uit te lezen, de volgende stap is het toevoegen van deze informatie aan de beide ap14
plicaties. In de toekomst hopen wij nog vele gebouwen aan te kunnen sluiten op ons platform en de competitie uit te breiden. Op deze manier willen wij het besparen van energie stimuleren en de bewustwording van de gebruikers verhogen.
15
