Quando l’intelligenza dell’edificio diventa capillare

Grazie anche alla direttiva EPBD appena revisionata, la cosiddetta Direttiva “Case green”, l’edificio intelligente o Smart Building è sulla bocca di tutti. Cerchiamo di capire cos’è uno Smart Building e perché è così importante per la transizione energetica in Italia.

Esistono diverse definizioni di Smart Building. Quella a cui faremo riferimento in questo contesto è stata elaborata dalla Community del “The European House Ambrosetti” (TEHA1), uno dei più accreditati “Think-Tank” in Italia.

Secondo il Gruppo un Edificio intelligente può essere definito come:

“Un hub di servizi automatizzati real time e adattivi, integrabile con l’organismo edilizio e l’ecosistema esterno, dotato di tecnologie connesse, interoperabili e sostenibili che permettono l’ottimizzazione nell’utilizzo delle risorse idriche e energetiche, dei costi di realizzazione e gestione e la massimizzazione del well-being e della sicurezza degli individui”.

Unitamente al concetto di “smart building”, il focus della direttiva EPBD sono le prestazioni energetiche degli edifici, che rappresentano il 40% dei consumi energetici totali nazionali ed europei ed il 36% delle emissioni di CO2. Per ragioni oramai ben note a tutti, in meno di una generazione dovremo riuscire ad intervenire sia sui consumi di energia, che arrivare alla neutralità carbonica.

A questo proposito, sempre il TEHA dice che: “in Italia, dal 2008 gli edifici hanno superato il trasporto e l’industria come il comparto con il più alto consumo di energia e, contrariamente alle industrie energetiche e manifatturiere che hanno ridotto le emissioni di gas serra quasi della metà dal 1990 ad oggi, il settore residenziale e quello dei trasporti sono gli unici ad aver registrato un aumento delle emissioni.”

La situazione di partenza in Italia

Bisogna anche tenere conto di altri due fattori che caratterizzano particolarmente il Bel paese rispetto ai nostri fratelli in UE:

• un’elevata quota del parco immobiliare nazionale è vetusta: in Italia, l’84,5% del patrimonio immobiliare è stato costruito prima del 1990, percentuale superiore rispetto a Francia (65,6%), Germania (75,3%) e Spagna (59,4%). Inoltre, i 3/4 degli stabili presentano una scarsa classe energetica, inferiore o pari alla D, in una scala di valutazione che va dalla classe A (più efficiente) alla classe G (meno efficiente),
• la presenza diffusa di edifici storici e monumentali, con oltre 227 mila immobili soggetti a vincolo. L’Italia detiene il record mondiale per il maggior numero di siti UNESCO, pari a 59, di cui 53 che includono monumenti, centri storici, opere d’arte, aree archeologiche, e paesaggi.

Eurostat ci ricorda quale sia il servizio più energivoro dei nostri edifici: la climatizzazione invernale, che nel caso del residenziale riveste il peso maggiore, ben il 63.6%, mentre nel caso del terziario è sensibilmente meno, ma rientra comunque tra i sistemi più impattanti a livello energetico.

E’ chiaro quindi che se vogliamo essere efficaci nell’affrontare il problema dell’efficienza energetica dobbiamo intervenire preventivamente sui sistemi denominati HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning).

Finora cosa abbiamo fatto ai fini dell’efficienza energetica?

Il primo intervento per ridurre i consumi dovuti alla climatizzazione invernale è la “deep renovation”, ovvero isolare gli edifici per evitare le dispersioni. Se è pur vero che il riscaldamento è “un secchio bucato” e quindi la cosa più logica sarebbe “tappare i buchi”, è altrettanto vero quello che è stato identificato dal TEHA in quanto alle peculiarità uniche del patrimonio immobiliare italiano.

Come coniugare dunque la fragilità del costruito nazionale con un valido intervento di efficientamento energetico?

Entrano in gioco i sistemi Building Automation and Control Systems (BACS), strumenti di controllo intelligente degli edifici che contribuiscono a ridurre i consumi energetici. 

A differenza della Deep renovation, che interviene con azioni più invasive e costose come la coibentazione dell’involucro, l’inserimento di un cappotto termico o la sostituzione degli infissi, i sistemi BACS facilitano la gestione ottimale dei consumi e delle performance di un edificio senza la necessità di azioni invasive ed, allo stesso tempo, focalizzando l’attenzione anche sul reale utilizzo dell’edificio.

I Building Automation and Control Systems (BACS) sono gli interventi di efficienza energetica attivi alla base dello smart building e garantiscono numerosi benefici:

• sono legati ai consumi reali dell’edificio;
• per loro natura non sono invasivi potendo utilizzare anche le comunicazioni senza fili o wireless, rendendosi perfetti per edifici storici o vincolati;
• rendono evidenti agli utenti i consumi potendo condividere i dati e presentandoli con diversi media e modalità interattive (pannelli hmi, pagine web, app per cellulari, ecc.);
• hanno un ritorno dell’investimento molto basso, in genere meno di 5 anni senza incentivi di alcun genere.

Quanto è Smart un edificio?

Trasformare un edificio in uno Smart Building è essenziale per non correre il rischio di cadere in slogan di puro marketing oppure in argomenti popolari quanto lontani da una realtà tecnica e tecnologica. 

Come si fa dunque a valutare “l’intelligenza” di un edificio? Spesso si usa la parola SMART a sproposito, solo per indicare che un oggetto connesso ad internet (magari con livelli di sicurezza discutibili, e di questo ne parleremo in seguito), oppure utilizzabile tramite un’APP come interfaccia uomo-macchina (HMI).

Se non abbiamo un metodo standardizzato per misurare la “smartness” di un servizio o di un edificio tutto può diventare smart, minimizzando i benefici reali di queste soluzioni.

Un aiuto indispensabile lo fornisce la norma tecnica UNI EN ISO 52120-1. La norma è ancora alquanto sconosciuta, essendo uscita nel 2023 in sostituzione dell’ormai obsoleta norma che dovrebbe (qui il condizionale è d’obbligo) essere ben conosciuta dai tecnici, la UNI EN 15232-1. Quest’ultima  è presente nel nostro ordinamento dal 2015 ed è richiamata dal Decreto Ministeriale dei “requisiti minimi” del 26.06.2015. 

E’ importante ricordare che il suddetto DM impone l’impiego di sistemi BACS minimo nella classe B della EN 15232-1 (oggi ISO 52120-1) per tutti gli edifici non residenziali di nuova costruzione o sottoposti a ristrutturazione di primo livello. In alcuni casi, tuttavia, le Regioni hanno obbligato anche gli edifici residenziali a sottostare a tale obbligo. Come l’Emilia Romagna, ad esempio, che impone la classe C come minimo livello.

E’ bene sottolineare che nel corso del 2024 uscirà il nuovo decreto che estende quest’obbligo anche a tutti gli edifici esistenti con potenza nominale maggiore di 290 kW. Su questo punto si rimanda  alla presentazione dell’ing. Calabrese di ENEA per Edilclima.

La norma UNI EN ISO 52120-1: la classificazione dell’automazione di un edificio

La norma ISO 52120-1 intende classificare l’automazione di un edificio tramite 4 livelli, dal meno automatizzato, classe D, all’automazione ad elevate prestazioni, classe A. Associata ad ogni classe c’è una stima di risparmio energetico: per esempio una scuola che passa dalla classe D (la classe a cui la maggior parte dei nostri edifici appartiene) alla classe A, la stima di risparmio è del 30% (ISO 52120-a BACfatcor energia termica edifici non residenziali usando come la classe D come base).

Non volendo in questo contesto illustrare tutta la norma, per brevità e semplicità, si rimanda per eventuali approfondimenti alla guida ANIE CSI “Building automation e domotica: nuova guida pratica alle agevolazioni fiscali” come primo approccio.

Inoltre, Coster Group è disponibile per corsi dedicati sui BACS presso gli ordini professionali ed incontri presso gli studi di progettazione.

La comunicazione dei componenti: il livello minimo di automazione

Come abbiamo visto in molti casi è e sarà sempre più obbligatorio portare il livello di automazione dei nostri edifici alla classe B. Questo implica che ogni ambiente deve essere regolato tramite un regolatore di temperatura indipendente, ma “con comunicazione”. Per ora soffermiamoci solo al servizio di riscaldamento.

La norma UNI EN ISO 52120-1 non specifica come effettuare la comunicazione, ma impone solo che ci sia una forma di comunicazione. Questo punto è fondamentale per garantire il primo requisito della norma, una sorta di logica che implica che tutti gli organi tecnici di un edificio debbano comunicare per dare il servizio con il massimo dell’efficienza energetica.

L’edificio dovrebbe essere quindi come il corpo umano. Il cervello dà i segnali al sistema nervoso e la periferia attua in maniera intelligente questi segnali. Tutti i componenti del sistema devono essere intelligenti in quanto devono poter funzionare anche senza comunicazione continuando il loro lavoro. La comunicazione è fondamentale per evitare gli sprechi coordinando i sottosistemi che sono indipendenti, ma che devono essere armonici come in una orchestra che esegue un accordo. Un accordo musicale è composto da singole note suonate da sezioni dell’orchestra separate che però devono eseguire la medesima nota, ognuno con il proprio strumento, con il proprio volume, con la propria espressione.

Facciamo un esempio: un sistema di riscaldamento classico con termovettore acqua, generatore di calore, distribuzione idronica e valvole termostatiche ai terminali di emissione, tipo radiatori.

Se le valvole comunicano, come richiede la classe B della ISO 52120-1, è possibile utilizzare un controllore che regola la velocità delle pompa tenendo conto dell’apertura delle singole valvole e in caso spegnere la distribuzione quando non è richiesta. Questo consente un notevole risparmio in energia elettrica delle pompe (si ricorda che il consumo elettrico dei circolatori è proporzionale al cubo della portata). Infatti dimezzando la portata, il consumo diminuisce di oltre il 70%. Ma soprattutto se si spegne del tutto la distribuzione, si limitano molto le dispersioni termiche della rete, anche se ben coibentata. Quindi abbiamo un doppio risparmio energetico sia elettrico, sia termico.

E’ chiaro che un’intelligenza distribuita e connessa non solo risponde agli obblighi di legge, ma consente un’efficienza altrimenti impossibile. In questo esempio abbiamo addirittura utilizzato un’intelligenza inserita in un organo convenzionalmente “stupido” come un attuatore per valvole ideroniche. Questo attuatore intelligente si chiama ACE 008/P, uno dei prodotti unici sviluppati da Coster Group per ampliare la propria offerta dedicata agli Smart Building.

L’intelligenza all’interno di un motore per valvole, l’ACE 008/P

Alla base dell’automazione di un impianto idronico c’è il motore delle valvole di intercettazione e regolazione della portata. Tutti conoscono le valvole termostatiche classiche in cui la temperatura ambiente di un locale viene regolata tramite la regolazione di portata in un corpo emittente, come un radiatore per esempio. L’emissione di questo corpo dipende dalla sua temperatura media e la regolazione della portata consente di limitare l’emissione di energia.

Quando però si parla di decine di corpi emittenti in un impianto anche solo moderatamente esteso, il coordinamento dell’emissione con la distribuzione e la generazione viene tipicamente fatta con programmatori orari. La centrale termica ha dei tempi di funzionamento che devono coprire il massimo teorico del fabbisogno della emissione e questo implica spesso una attivazione continua della rete di distribuzione. Sono sprechi assurdi che oggi nessuno può permettersi, sia per questioni energetiche che economiche, che di impatto ambientale.

Oggi è disponibile sul mercato un attuatore che ha dell’elettronica a bordo in grado di realizzare molte funzioni quali:

• attuatore puro:
  • regolazione posizione valvola con ingresso 0-10V
  • regolazione posizione valvola con due ingressi digitali, apre e chiude con tempo di corsa programmabile da 20 a 120 secondi, con direzioni di apertura in senso sia orario che antiorario,
  • regolazione posizione valvola tramite BUS ModBus RS485 standard e completamente documentato
• i suoi 3 ingressi sono programmabili come:
  • temperatura (NTC 1k e 10k, PT1000 anche estesa, NI1000)
  • variatore di setpoint di temperatura con limiti
  • 0-10V (per apertura motore 0-100%)
  • ingresso digitale (per apertura e chiusura motore)
• due uscite digitali come segnali di fine corsa del motore;
• connettività ModBus tramite la quale è possibile:
  • cambiare la posizione del motore
  • programmare il motore e cambiarne tutti i parametri
  • aggiornare il firmware del motore
  • telegestire tutti suoi parametri remotizzando 
  • ricevere allarmi di stato e funzionali come ritardi, eccesso di coppia del motore, surriscaldamento, blocco.
  • monitorare la temperatura interna, tempo di accensione, degli ingressi ed uscite e gli stati, tra cui anche lo sgancio manuale

In questa schermata di esempio vediamo questo apparente attuatore che in realtà è un regolatore completo di tutte le possibili regolazioni. Il regolatore è PI (proporzionale, integrale) in cui si possono monitorare e ri-configurare tutti i parametri di un regolatore classico:

• azione diretta ed inversa per caldo e freddo
• banda morta di regolazione, il range di insensibilità’ in gradi
• banda proporzionale e tempo integrale,
• il setpoint ovviamente,
• posizione del motore in caso di allarmi vari,
• configurazione del limitatore attivato dal secondo ingresso analogico
• tempo di corsa del motore
• direzioni di apertura
• frequenza della funzionalità’ di antibloccaggio (antigrip)
• configurazioni molto avanzate come:
  • banda morta della posizione ( evitando così continue pendolazioni anche a valle del regolatore)
  • soglia di allarme della coppia
  • soglia limite consumo di corrente (per evitare sovraccarichi)
  • altri parametri che consiglio di leggere sul manuale.

Siamo quindi davanti ad una intelligenza distribuita, implementata tramite microprocessori oramai molto potenti che possono gestire molteplici funzioni e rendere un motore meccanico un gioiello di tecnologia davvero IoT.

Il “motore” non ha display, ma hai dei LED che segnalano il suo stato, gli allarmi e la loro natura. Ovviamente avendo un BUS di comunicazione è fortemente consigliato inserirlo in una rete ModBus per il controllo remoto totale.

Per la documentazione completa si rimanda il lettore al manuale ufficiale a questa pagina web. Per un breve tutorial si può vedere questo video.

Come si diceva questo è un motore, un attuatore per valvole idroniche. La peculiarità è che ha un attacco di accoppiamento con valvole di regolazione a sfera equipercentuale a due o tre vie, con attacco ISO 5211:2017 – F03, quindi standard. Inoltre è accoppiabile con diverse valvole COSTER sia a 2 che a 3 vie con diversi DN, da 15 a 100 e quindi diversi Kvs. La coppia è programmabile, dunque, con un solo motore e si possono accoppiare tutte queste valvole estremamente diverse.

ACE 008/P è apparentemente “solo” un motore ma in realtà è la perfetta integrazione tra:

• meccanica,
• elettronica,
• elettrotecnica,
• comunicazione digitale ed analogica,
• logiche di termoregolazione avanzate,
• connettività.

Come tutti i prodotti di COSTER è in grado di attuare la classe A di automazione di qualsiasi edificio.

Chi è COSTER?

Dal 1967 Coster Group offre il meglio per la gestione efficiente degli impianti di edificio: dai regolatori per la centrale termica fino ai Building Management System sviluppati “su misura”.

Il nostro approccio è da sempre volto ad integrare le tecnologie e la gestione dell’edificio per garantire un ambiente abitativo efficiente e al tempo stesso salutare. Senza mai sacrificare la semplicità d’uso dei sistemi.

Siamo orgogliosi di dedicare da sempre grandi energie alla ricerca allo sviluppo di nuove soluzioni. Il team di R&D è tutto interno alla nostra azienda e consente di recepire tempestivamente la domanda di innovazione che giunge dal mercato. Possiamo orgogliosamente affermare di essere tra le aziende che più attivamente sostengono la transizione verso edifici sostenibili e rispettosi dell’ambiente, in conformità con l’Agenda 2030.

“Disegnare” infiniti schemi di regolazione con un unico dispositivo, personalizzabile e aggiornabile da remoto senza necessariamente ricorrere a complesse tecniche di programmazione. E’ questa l’unicità dell’approccio Coster Group, resa possibile grazie al tool CosterCad e alla piattaforma WebGarage. Nessuna inutile complessità, nessuna barriera alla diffusione dell’automazione.