Sostenibilità ed energia

Sistema HEART: come trasformare casa in una smart building ad alta efficienza

Il sistema HEART è una piattaforma web che supporta la riqualificazione energetica degli edifici: date le caratteristiche, i vincoli e gli obiettivi, il toolkit seleziona gli interventi più adeguati. Come funziona, le fasi prima e dopo la progettazione, il monitoraggio e l’ottimizzazione dei consumi

21 Giu 2022
Niccolò Aste

Politecnico di Milano

Claudio Del Pero

Politecnico di Milano

IoT - sistema heart

Sviluppato nell’ambito del Programma Europeo per la Ricerca Horizon 2020, il sistema HEART – Holistic Energy and Architectural Retrofit Toolkit è un pacchetto multifunzionale destinato alla riqualificazione energetica degli edifici.

In Heart, tecnologie di involucro innovative, componenti impiantistici avanzati e sistemi di controllo adattivo-predittivi interagiscono in maniera organica e sinergica, al fine di conseguire elevati livelli di efficienza energetica e di consentire un efficace interfacciamento con le Smart Grid.

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Sistema HEART: come funziona la piattaforma web

Il campo di applicazione ottimale è rappresentato dagli edifici residenziali esistenti, che grazie al sistema HEART possono essere sottoposti ad uno Smart Building upgrade, ma può essere efficacemente impiegato anche nelle nuove costruzioni.

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Il nucleo centrale del sistema è rappresentato da una piattaforma web, capace di supportare le scelte tecniche nella fase di progetto e, successivamente, di ottimizzare, gestire e controllare la prestazione energetica dell’edificio nella fase operativa, ricavando informazioni di tipo diagnostico dalle componenti tecnologiche installate ed aiutando l’utente a migliorare il proprio comportamento, nonché le pratiche progettuali stesse e le tecnologie installate, tramite l’analisi delle prestazioni reali.

Nel dettaglio, si tratta di una cloud-based platform con capacità computazionali, in cui è concentrata tutta la logica gestionale ed operativa.

Attivando uno specifico account, l’utente accede ad un’area dedicata della piattaforma, relativa all’edificio in oggetto.

Tramite un’interfaccia user friendly, vengono quindi inseriti i dati di input relativi alle specifiche caratteristiche dell’edificio ed alle condizioni al contorno (dati geometrici e costruttivi dell’edificio esistente, clima, costi energetici, profili di utilizzo), ai vincoli da rispettare (costi sostenibili, regolamenti edilizi) e agli obiettivi prefissati (risparmio energetico, ritorno economico). Per l’inserimento di questi dati si può far riferimento alla documentazione specifica in possesso dell’utente oppure si può ricorrere ad appositi database disponibili sulla piattaforma.

Dopo un primo check automatico delle effettive possibilità d’intervento, vengono poi selezionate, tra quelle che compongono il toolkit, le specifiche tecnologie impiantistiche e d’involucro da applicare nel retrofit dell’edificio. Tutti i dati tecnici relativi a queste tecnologie sono già contenuti nella piattaforma, ma possono comunque essere ulteriormente integrati ed aggiornati, in funzione delle evoluzioni di carattere tecnologico, normativo e legislativo.

In questo modo si costruisce un modello virtuale dell’edificio e si definiscono, in via preliminare, gli interventi architettonici ed impiantistici possibili.

Il modello dell’edificio diviene la base per una procedura di valutazione iterativa, che simula differenti abbinamenti possibili (ad esempio: spessore del cappotto termico, capacità del sistema di accumulo energetico, taglia dell’impianto fotovoltaico) e, attraverso una funzione obiettivo, individua la soluzione ottimale dal punto di vista energetico, economico, gestionale, a seconda delle priorità indicate dall’utente stesso.

Questa soluzione rappresenta la base di riferimento per il progetto e la realizzazione dell’intervento di retrofit. Eventuali modifiche in fase di progetto o in corso d’opera vengono inserite successivamente nel modello, che viene progressivamente aggiornato e consente di verificare l’effettiva efficacia delle variazioni apportate.

Sistema HEART: le tecnologie impiantistiche e d’involucro nel toolkit

Le tecnologie impiantistiche e d’involucro comprese nel toolkit sono appositamente strutturate in funzione della loro azione sinergica e della praticità, velocità e non invasività d’installazione, e consistono in:

  • sistema a cappotto termico modulare e componibile, con possibilità di inserimento di cablaggi, prese d’aria e sensori;
  • componenti serramentistici per la sostituzione parziale o totale delle finestre esistenti (vetro, telaio mobile, intera finestra);
  • tegole fotovoltaiche per l’applicazione su tetti a falda, appositamente conformate per la compatibilità con i comuni manti di rivestimento;
  • inverter multi-input/multi-output per la razionalizzazione e l’ottimizzazione dell’interconnessione dei vari dispositivi di produzione, stoccaggio e consumo;
  • pompa di calore idronica in corrente continua;
  • serbatoi di accumulo con materiali a cambiamento di fase, per lo stoccaggio termico dell’energia prodotta da fotovoltaico;
  • smart fan-coil, con funzione di riscaldamento/raffrescamento, installabili al posto dei radiatori esistenti e funzionanti in corrente continua;
  • sistema di accumulo elettrochimico (facoltativo);
  • sistema di comunicazione e controllo (BACS) basato su protocolli wireless;
  • piattaforma cloud integrata con il sistema BACS.

L’applicazione delle tecnologie d’involucro (cappotto e serramenti) assicura l’abbattimento dei carichi per climatizzazione, mentre quelle impiantistiche (fotovoltaico, pompa di calore, fan-coils ed accumuli elettrici e termici) garantiscono l’efficienza energetica e lo sfruttamento delle rinnovabili.

Il sistema di controllo ottimizza la prestazione energetica dell’edificio, esaltando le sinergie tra i vari subsistemi impiantistici e tecnologici e facendolo operare secondo una logica integrata.

Lo stesso sistema, inoltre, gestisce efficacemente i vari flussi di energia, prodotta in loco dal fotovoltaico e/o prelevata dalla rete, che può essere consumata direttamente, accumulata termicamente o elettricamente o immessa in rete (solo quella da FV), a seconda di tempi, convenienza ed opportunità, trasformando l’utente in prosumer (produttore e consumatore al tempo stesso).

La funzione di ottimizzazione della gestione energetica e di interfacciamento con la rete, o preferibilmente la Smart Grid, è svolta dalla piattaforma web, che sfrutta informazioni provenienti dall’esterno (previsioni meteo, fluttuazioni delle tariffe energetiche, ecc.) e dall’interno (input forniti dagli utenti) per impiegare il modello virtuale, precedentemente elaborato, secondo una logica predittiva-adattiva che guida l’operatività del sistema-edificio.

Il protocollo che opera sul modello è dotato di una funzione di apprendimento automatico, cosicché ne migliora nel tempo la precisione, confrontando i risultati di simulazioni e previsioni con i riscontri derivanti dal monitoraggio costante dell’edificio e con i feedback forniti dall’utenza e calibrando i parametri di calcolo. Il monitoraggio è garantito da un serie di sensori (temperatura, umidità relativa), posizionati all’interno dei fan-coil in modo da garantire una rilevazione costante dei parametri in ciascun locale.

Le informazioni ottenute dal monitoraggio servono anche per elaborare e fornire indicazioni relative a condizioni di funzionamento, consumi energetici, modalità di utilizzo, malfunzionamenti, necessità di manutenzione. Queste informazioni, opportunamente elaborate, possono permettere di migliorare le pratiche progettuali, la gestione operativa ed i componenti tecnologici stessi, fornendo a loro volta un feed-back ai soggetti coinvolti nel miglioramento dell’efficienza energetica.

Il sistema BACS, infine, consente l’interfacciamento diretto con l’utente, che può essere informato sulla prestazione dell’edificio, ma anche intervenire direttamente su di essa tramite apps dedicate e dispositivi di uso comune (smartphone, tablet, ecc.).

La trasmissione dei dati tra i dispositivi ed all’interno dell’edificio è assicurata da sistemi non invasivi (che non necessitano di opere murarie e cablaggi) e utilizzano protocolli WiFi e Narrowband IoT.

Conclusioni

In definitiva, HEART consente di trasformare un edificio esistente in uno Smart Building ad alta efficienza, sfruttando sinergicamente le tecnologie impiantistiche e tecnologico-costruttive di cui è composto.

L’applicazione del sistema HEART, infine, permette non solo di ottimizzare la prestazione energetica dell’edificio, ma anche di renderla estremamente affidabile, documentata e trasparente. Quest’ultimo fattore si rivela uno dei maggiori punti di forza, in quanto costituisce uno strumento di controllo e garanzia, capace di stimolare, supportare e favorire incentivi ed investimenti finanziari di vario tipo (pubblici e privati) nell’efficientamento energetico degli edifici.

Dalle analisi effettuate, supportate dai dati sperimentali sui primi due progetti pilota, si stima che l’applicazione di HEART consenta di risparmiare fino al 90% dei consumi energetici per climatizzazione dell’edificio.

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