Smart building e decarbonizzazione tra nuove tecnologie e progettazione

Il ripensamento dell'edilizia in termini di "smart building" è un trend in evoluzione in ottica di sostenibilità ambientale: vediamo come potranno modificare gli scenari di vita urbana e quali tecnologie ne favoriranno lo sviluppo

Lo sviluppo umano passa da secoli oramai attraverso lo sviluppo urbano e le città rappresentano il cuore pulsante delle società e delle economie di ogni paese del mondo. Tuttavia, in una logica di sostenibilità, anche le città vedono da decenni l’attenzione degli esperti di più settori focalizzata sul loro contributo all’effetto serra e sul loro impatto in generale sugli ecosistemi ambientali.

Oggi più che mai, però, è il “mix” di tecnologie innovative e la convergenza di differenti expertise a guidare questa trasformazione urbana in un’ottica di sostenibilità ambientale. In particolare, oltre ai fenomeni di ripensamento delle città in termini urbanistici come “smart cities”, oggi ci si sta sempre più focalizzando sul ripensamento dell’edilizia in senso stretto in termini di “smart building”.

Ma cosa sono gli smart building e come cambieranno gli scenari di vita urbana?

Volendone dare una definizione, possiamo dire che un “edificio intelligente” è altamente efficiente dal punto di vista energetico e copre il suo bassissimo fabbisogno energetico in larga misura grazie a fonti di energia rinnovabile “prelevate” in loco (impianti fotovoltaici e micro-eolici) oppure attraverso un sistema di distribuzione di distrettuale (smart energy grids).

In altri termini, uno smart building è il fulcro di un progetto di convergenza basato sull’integrazione di edifici, tecnologia e sistemi energetici. Questi sistemi convergenti possono essere declinati secondo differenti prospettive a seconda di ciò che includono nel proprio sistema di controlli. I sistemi di smart building, infatti, possono includere l’automazione degli edifici, oppure la sicurezza della vita, le telecomunicazioni, i sistemi e device degli utenti ed i sistemi di gestione degli impianti, o tutti questi aspetti assieme.

In sintesi, quindi, uno smart building si basa su tre fattori convergenti:

  • stabilizza e guida una più veloce decarbonizzazione del sistema energetico attraverso lo stoccaggio dell’energia e la conseguente flessibilità sul lato della domanda;
  • consente ai suoi utenti ed agli occupanti il controllo dei flussi di energia;
  • riconosce e reagisce agli utenti ed alle esigenze degli occupanti in termini di comfort, salute, qualità dell’aria interna, sicurezza ed esigenze operative.

Da questo punto di vista è interessante comprendere quali tecnologie hanno ed avranno maggiore incidenza in futuro, quali tra esse fungeranno da driver per la diffusione degli smart building e come fulcro per riprogettare e gestire i livelli di consumo degli edifici già esistenti. In particolare, i trend suggeriscono che sarà la convergenza tra Internet of Things, Artificial Intelligence e Digital Twin a portare ad un punto di svolta nell’efficentamento energetico e nella decarbonizzazione legata al settore dell’edilizia.

Tre tecnologie portanti per lo sviluppo degli smart building

Come si è detto, un ruolo centrale è dato dalla sensoristica, l’IoT rappresenta l’insieme dei sistemi di rilevazione che consentono ad un edificio “smart” di acquisire i dati in tempo reale e di estrarne informazioni per la loro gestione. L’insieme dei dati provenienti da differenti reti e differenti device, coniugati con i dati provenienti dalle reti energetiche, consentirà in modo sempre più efficiente di bilanciare i consumi degli edifici in base all’effettiva domanda da parte dei residenti e degli utenti in generale della struttura (sia che si tratti dunque di spazi residenziali oppure di uffici e spazi pubblici). Come efficacemente descritto dal BPIE, “gli edifici intelligenti sono auto-consapevoli e grid-aware, interagendo con una smart grid essi si concentrano sulla risposta in tempo reale alla domanda dei consumi e dispongono di su una maggiore granularità dei controlli”.

Accanto, dunque, all’Internet of Things occorre un sistema centralizzato di Intelligenza Artificiale, in grado di stabilire una correlazione tra i dati provenienti dalle differenti reti di sensori, e quindi capace di restituire da un lato output automatici di risposta e dall’altro di fornire informazioni in tempo reale agli operatori. Sono molte oramai le soluzioni che vanno in questa direzione, ma il risultato ottimale si potrà ottenere soltanto giungendo ai più efficaci livelli predittivi offerti dall’Intelligenza Artificiale. A tale esigenza rispondono i sistemi Digital Twin, che possono avere una duplice funzione: una durante la gestione ordinaria dello smart building, ed una in fase di progettazione o riconversione degli edifici.

  • Nel primo caso i Digital Twin possono essere usati a scopo predittivo, ovvero, consentendo all’intelligenza artificiale di impiegare il modello virtuale dell’edificio (aggiornato in tempo reale con i dati provenienti dalla sensoristica IoT) per sviluppare simulazioni sull’andamento dei consumi e sulle esigenze legate ai flussi dell’utenza.
  • Nel secondo caso, la tecnologia dei Digital Twin consente di riprogettare i sistemi energetici degli edifici preesistenti attraverso una serie di simulazioni precedenti agli interventi reali; ottimizzando così le risorse e rendendo più efficaci gli interventi.

La tecnologia Digital Twin, infatti, prende i dati reali dall’edificio reale, colmando le lacune con l’IA e il Machine Learning, e li usa per alimentare un accurato modello basato sulla fisica che può essere utilizzato come modello operativo, cioè una rappresentazione accurata dell’edificio in qualsiasi momento. Questo modello può poi essere utilizzato per progettare la soluzione di ristrutturazione, facendo previsioni molto più accurate di quanto non si faccia oggi. Questo perché, al momento i progettisti sono costretti a fare ipotesi, affidandosi solo ai valori di riferimento di conformità. Ciò influisce sul grado di realismo del progetto e porta al cosiddetto “gap prestazionale”, in cui le stime di progetto per il consumo energetico sono spesso molto più basse del consumo effettivo dell’edificio.

Per quanto riguarda la produzione energetica autonoma, soprattutto per i grandi edifici caratterizzati da elevati consumi, la potenziale produzione di energia elettrica è vincolata al numero di pannelli solari installati sul tetto, che in quanto a dimensione potrebbe non essere sufficiente. Per far fronte al problema, il Centro Ricerche Eni per le Energie Rinnovabili e l’Ambiente ha ideato e sperimentato due tecnologie in particolare: le Organic PhotoVoltaics (OPV), celle solari prive di silicio caratterizzate da una versatilità che ne permette il funzionamento anche in condizioni di luce diffusa – all’alba, al tramonto, in condizioni di nuvolosità – oltre che la possibilità di essere installate in ogni zona dell’edificio e non soltanto esposte al Sud; le Luminescent Solar Concentrators (LSC), invece, sono finestre trasparenti e colorate in grado di regolare la luminosità e la temperatura dell’ambiente, permettendo ad un tempo di generare elettricità e risparmiare sulle spese di riscaldamento o condizionamento.

I trend di crescita e diffusione dei sistemi di “smart building” nel mercato italiano

In Italia l’impegno nella direzione di una edilizia sostenibile è sempre più ampio e, come emerge dal primo Smart Building Report 2019 del Energy & Strategy Group del Politecnico di Milano, nel solo anno precedente gli investimenti in “edilizia smart” sono stati pari a 3,6 miliardi di euro, con una prospettiva di crescita del 30% negli anni successivi. Gli investimenti sono stati distribuiti in maniera quasi omogenea tra i tre principali segmenti tecnologici legati al settore: “building devices & solutions” (41%, pari a 1,47 miliardi di euro), “automation technologies” (31%, 1,1 miliardi) e “piattaforme di gestione e controllo” (28%, 1,02 miliardi) “dove gli investimenti in hardware e software l’hanno fatta da padrone – si legge nel rapporto – a riprova della sempre maggior importanza della componente digital”.

La tendenza è in crescita in tutta Europa nel prossimo quinquennio, e si stima che gli investimenti dell’area europea in efficienza energetica e digitalizzazione daranno grande spinta all’economia ed in particolare nell’edilizia, che contribuisce per il 9% al PIL europeo e garantisce oltre 18 milioni di posti di lavoro,  soprattutto attraverso le PMI, che da sole coprono circa il 70% del volume d’affari.

Il progetto come leva per coniugare “digital” e “green” allo scopo di moltiplicare l’effetto di decarbonizzazione: il caso italiano

In una logica più avanzata, si può anche guardare agli smart building come edifici “abilitatori” di progetti in grado di integrare al proprio interno anche ecosistemi naturali, come nel caso più celebre in Italia del “Bosco verticale” di Milano; sviluppato dallo studio Stefano Boeri Architetti che ha portato nel 2014 alla realizzazione di una coppia di grattaceli nel cuore di Milano in grado di coniugare attraverso un innovativo progetto architettonico, tecnologie innovative ed inserimento urbano di più di mille specie arboree lungo la struttura stessa dell’edificio.

In merito alla filosofia che si sottende al progetto e riguardo alle sue peculiarità architettoniche, Tech Economy 2030 ha sentito l’architetto Francesca Cesa Bianchi, partner di Stefano Boeri Architetti, che ha dichiarato: “Bloccare il consumo di suolo, restituire il mondo agli animali selvatici, gli spazi che restano al di fuori del controllo umano e della pianificazione urbana, limitare la mobilità a combustione fossile, demineralizzare le superfici minerali che sono alla base dell’effetto “isola di calore” e moltiplicare le aree destinate alle essenze arboree all’interno delle città, sono esigenze ormai improrogabili – ed ha aggiunto – Attraverso la combinazione di Nature Based Solutions e di interventi strategici, la progettazione ha l’obiettivo di migliorare le prestazioni energetiche dell’involucro edilizio, che sia nuovo o esistente, aumentandone il comfort. Allo stesso modo si incrementano la qualità dell’aria interna ed esterna degli edifici, contribuendo all’abbattimento delle particelle inquinanti. Ventilazione naturale, facciate verdi, demineralizzazione, sono solo alcune delle azioni possibili a contrasto dell’emergenza climatica attuale.”

In quest’ottica, il progetto del Bosco Verticale, vincitore del Gold Leed (Leadership in Energy and Enviromental Design), ed oggi replicato con soluzioni simili in altre città del mondo, ha un cuore (ed una superficie) green ma anche un’anima altamente tecnologica. Le torri del Bosco Verticale, infatti, si caratterizzano per l’adozione di soluzioni tecnologiche ecosostenibili: impiego di fonti rinnovabili, utilizzo di pannelli fotovoltaici, isolamento termico e acustico, scelta di materiali edili ecocompatibili e non inquinanti, raccolta delle acque piovane per l’irrigazione delle aree pubbliche. L’irrigazione delle piante avviene per larga parte attraverso il filtraggio, la depurazione e il riutilizzo delle acque grigie prodotte dall’edificio. Una soluzione resa possibile dai sistemi di IoT e data management realizzati all’interno dell’edificio grazie al know-how tecnologico della Schneider Electric. Tutte le operazioni di manutenzione e cura del verde, sono gestite in modo centralizzato a livello condominiale, allo scopo di mantenere il controllo dell’equilibrio antropico-vegetale, ed i fabbisogni delle piante sono monitorati da un impianto a sonde controllato digitalmente in remoto, mentre l’acqua necessaria è attinta in larga misura dal filtraggio degli scarichi grigi delle torri. Occorre in ultimo sottolineare che, i sistemi interni di smart home ed i sistemi comuni dello smart building, sono in costante dialogo per regolare i flussi energetici e di consumo in funzione dell’effettiva domanda complessiva della struttura.

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