Gli elementi costitutivi dello Smart Building: sistemi BACS, TBM, valutazione dell’intelligenza e SRI

Il modello di smart building e i sistemi di automazione degli edifici

Lo scenario 1,5°C prevede che entro il 2050 (IPCC Special Report on Global Warming of 1.5°C) gli edifici siano intelligenti, interconnessi, altamente efficienti dal punto di vista energetico e alimentati e riscaldati o raffreddati prevalentemente da energia rinnovabile. I sistemi intelligenti di gestione dell'energia negli edifici e la digitalizzazione (Internet of Things) stanno cambiando il modo in cui gli edifici consumano energia e consentono loro persino di fornire servizi di rete attraverso una maggiore flessibilità della domanda.

La produzione di energia negli edifici sta portando verso un sistema energetico decentralizzato (IRENA World Energy Outlook 2023) che è alla base di una smart city.

Nel contempo la trasformazione degli edifici è alla base della costruzione di una smart city. L’Unione Europea nella  nuova direttiva EPBD prevede al 2050 la trasformazione degli edifici in “Zero Emission”, confortevoli e convenienti per i loro occupanti. Il paradigma di smart buildings rappresenta una innovazione nella concezione e realizzazione degli edifici, che consente di conseguire gli obiettivi di neutralità climatica posti dall’Unione Europea al 2050.

Richiamando una recente definizione presente nel panorama normativo internazionale, uno smart building viene definito nella norma ISO 37173, ossia “edificio in grado di identificare e adattarsi ai cambiamenti attesi e non previsti mediante un uso efficace dei dati, delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione e per migliorare continuamente la previsione e l'azione in risposta alle varie esigenze dei valori degli edifici, delle attività urbane e delle operazioni urbane”.

Verso lo smart building

Ad oggi gli edifici sono progettati per soddisfare il fabbisogno energetico in condizioni standard definite dalle norme tecniche, condizioni esterne e comportamento degli occupanti, con il focus sulla riduzione dei consumi energetici e una qualche attenzione alle condizioni di comfort termoigrometrico (Decreto Requisiti Minimi 26-6-2015).

Di consueto si opera progettando l’edificio in condizioni standard adattando il funzionamento degli impianti (regolazione e controllo) per raggiungere il fabbisogno reale di energia e il livello di comfort desiderato.

L’efficienza energetica del sistema edificio-impianto può essere incrementata con l’adozione di sistemi di automazione e regolazione degli impianti di climatizzazione, ventilazione, ACS, illuminazione e con la relativa integrazione. Come è noto un sistema di automazione è ben diverso dal concetto di smartness, ossia la capacità di un sistema di identificare e adattarsi ai cambiamenti; interpretare dati, informazioni e conoscenze; e per migliorare la previsione e l'azione (I.E.C. TC1 JPT 3), di un edificio.

Questo modus operandi fa sì che il fabbisogno energetico finale calcolato e il fabbisogno energetico finale reale misurato siano molto diversi e che le prestazioni in uso siano differenti da quelle progettuali.
I sistemi di monitoraggio e i sistemi di controllo dinamici, o anche ad autoapprendimento, potrebbero aiutare a mitigare questo disallineamento e garantire un'elevata prestazione energetica effettiva dell'edificio.

Prevedere le condizioni esterne, il funzionamento dinamico dell’edificio e i consumi energetici reali, il comportamento degli occupanti, monitorare il comportamento in uso dell’edificio sono obiettivi ambiziosi finora irraggiungibili con le tradizionali tecnologie costruttive e impiantistiche, e con la cosiddetta efficienza energetica passiva, attenta solo al contenimento delle dispersioni termiche attraverso l’involucro edilizio. In un sistema elettrico decentralizzato e digitalizzato gli edifici scambiano energia con altri edifici, ad es in comunità energetiche, consentono l’utilizzo di tariffe dinamiche e offrono alla rete servizi di flessibilità e servizi ancillari.

La connettività dell’edificio, lo scambio di dati tra l’edificio e la rete, l’infrastruttura digitale e l'infrastruttura di comunicazione per soddisfare le esigenze IT degli occupanti dell'edificio (ad es. la telemedicina, i servizi assistenziali e educativi, i servizi energetici, la sicurezza, ecc.) e dell’edificio (monitoraggio, controllo e gestione).

In tal modo si ampliano le potenzialità dell’edificio, che da mero involucro di protezione (guscio) dall’esterno dotato del solo servizio di riscaldamento per gli occupanti, diventa fornitore di una serie di servizi. Le recenti direttive l’Unione Europea richiamano la necessità di considerare anche la qualità dell’aria indoor, la sicurezza, il monitoraggio dei consumi energetici e del funzionamento degli impianti.

Nelle more le tecnologie, in particolare quelle digitali, consentono oggi la realizzazione di edifici che riescono a soddisfare tutte queste nuove esigenze. Si può in tal modo sfruttare la reattività di dispositivi e servizi, che diventano anche in grado di prevedere il comportamento degli occupanti. Un altro vantaggio è consentire la gestione della domanda, ridurre i picchi di carico, in base ai prezzi dell'energia in tempo reale.

Il miglioramento dei sistemi di gestione, monitoraggio e controllo e lo smart metering consentono di prevedere e misurare in tempo reale le prestazioni energetiche degli edifici; in questo modo si ha la possibilità migliorare i meccanismi di funzionamento dell'edificio, di risparmiare energia dove e quando è possibile, di predire gli interventi di manutenzione.

La digitalizzazione dell’edificio

Un edificio digitalizzato è costituito principalmente da un sistema di controllo centrale, da sensori IoT e attuatori e da reti.

In particolare, i sensori sono utili per misurare quantità e raccogliere dati, per elaborare informazioni utili al gestore della struttura, per la valutazione di indicatori o per dare e ricevere feedback dagli utenti. I sensori sono in grado di misurare temperatura, umidità relativa, flusso d'aria, fughe di gas ecc., in relazione al funzionamento dell'edificio, presenza di fumo, gas infiammabili per il controllo della sicurezza, potenza/energia elettrica, tensione, potenza/energia termica, per il controllo dei consumi energetici.

Gli attuatori sono gli strumenti attraverso i quali il messaggio di un sensore viene ricevuto e da esso veicolato per tradurre la grandezza misurata modificando o regolando le impostazioni di un apparecchio o lo stato di un determinato componente. Il quadro complessivo di sensori, attuatori ma anche contatori intelligenti per la misura, rappresenta l'hardware dell'ambiente costruito, l’automazione di base dell'edificio.

Le tecnologie digitali, quali l'IOT, Internet of Things, e l'AI, Artificial Intelligent e il Digital Twin, tramite l’acquisizione dei dati, la loro elaborazione, analisi e memorizzazione, consentono all’edificio di comportarsi come un “organismo vivente” acquisendo capacità e prestazioni finora impensabili.

The Edge, ad Amsterdam, è il primo esempio di quanto le tecnologie intelligenti consentano il taglio dei costi e l’aumento della produttività. Questo edificio per uffici di 40.000 m² è dotato di circa 28.000 sensori che abilitano il sistema di gestione dell'edificio (BMS) per raccogliere informazioni su cruciali parametri come umidità, luminosità e temperatura.

Sulla base di tali parametri, il BMS attiva automaticamente le regolazioni nelle operazioni dell'edificio, garantendo che riscaldamento, ventilazione e aria condizionata (HVAC), sistemi di illuminazione e altri sistemi funzionare nel modo più efficace possibile. Di conseguenza, The Edge consuma il 70% in meno di elettricità rispetto a edifici per uffici convenzionali, uno dei più efficienti edifici dal punto di vista energetico.

L’architettura dello smart building

Si comprende come per l’attivazione di funzioni evolute di apprendimento sia necessaria una architettura composta come già detto da sensori, attuatori, controller, da una infrastruttura di rete e da piattaforme di elaborazione, comunicazione e gestione tecnica (Building Management System BMS) on premise o in cloud e anche intelligenza distribuita (edge computing), secondo un livello di campo, di automazione e di management.

I sistemi di automazione e controllo degli edifici (BACS -Building Automation and Control Systems), alla base di uno smart building, sono tutti i prodotti e i servizi tecnici per la regolazione automatica, il monitoraggio, l'ottimizzazione, il funzionamento, l'intervento umano e la gestione, al fine di perseguire l'efficienza energetica, economica e la sicurezza dei servizi degli edifici (UNI/TS 11651).

Ricordiamo anche che tali sistemi sono considerati dalle norme CEI come sistemi HBES-Home and Building Electronic Systems, sistemi elettronici per la casa e l’edificio, norme tra le quali segnaliamo la norma CEI 205-27 “Requisiti generali per i sistemi elettronici per la casa e l’edificio (HBES) e sistemi di automazione e controllo di edifici (BACS) – Parte 6-1: Impianti HBES – Installazione e Pianificazione”, che indica le prescrizioni specifiche aggiuntive per i sistemi HBES, in merito alle regole comuni di pianificazione e di installazione dei sistemi di cablaggio delle abitazioni e delle dorsali negli edifici.

Tali sistemi consentono l’ottimizzazione del funzionamento degli impianti tecnologici per migliorare le condizioni di comfort e nel contempo consentono di conseguire importanti riduzioni dei consumi di energia degli impianti soggetti a controllo: riscaldamento, fornitura di acqua calda sanitaria, raffrescamento ventilazione e condizionamento dell’aria, illuminazione, la gestione delle schermature.

I sistemi di gestione tecnica (TBM - Technical Home and Building Management) consentono la gestione integrata degli impianti e l’ottenimento di informazioni e reportistica agli occupanti.

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Nel pdf è presente:

La nuova prestazione dell’edificio: l’intelligenza
L’evoluzione dell’automazione e del controllo - le tecnologie intelligenti nell’edificio
La metodologia di valutazione dello Smart Readiness Indicator
Il rapporto tra l’automazione e l’intelligenza
Il mercato dello smart building
L’evoluzione tecnologica dello smart building
Una visione olistica degli edifici sostenibili