In questo articolo parliamo di efficienza energetica con un’attenzione particolare alla domotica.

I sistemi di domotica in casa, più propriamente BACS – Building & Automation Control System, rappresentano validi alleati nella riduzione dei consumi energetici degli edifici. A differenza di sistemi passivi come l’isolamento dell’involucro o le finestre ad alte prestazioni, l’automazione degli edifici rappresenta una misura di efficienza energetica “attiva”.

Il decreto legislativo n.48/2020 definisce un sistema di automazione e controllo dell’edificio (BACS) come: “un sistema comprendente tutti i prodotti, i software e i servizi tecnici che contribuiscono al funzionamento sicuro, economico ed efficiente sotto il profilo dell’energia dei sistemi tecnici per l’edilizia tramite controlli automatici e facilitando la gestione manuale di tali sistemi”.

Vediamo più nel dettaglio di cosa si tratta.

BACS – Sistemi di automazione e controllo degli edifici

Fig.1_Funzioni della domotica per il risparmio energetico ©Luisa Daraio

Un sistema BACS ha infatti il compito di utilizzare e regolare al meglio gli impianti tecnologici in risposta al mutare delle condizioni ambientali esterne, per assicurare sempre il massimo comfort possibile agli occupanti dell’edificio. Oltre che per il comfort, i sistemi di regolazione e controllo vengono sempre più usati per migliorare l’efficienza energetica negli edifici, sia quelli di nuova costruzione ma soprattutto nelle ristrutturazioni importanti. Infatti si può ottenere una riduzione dei consumi energetici in generale e principalmente dei più importanti: riscaldamento, raffrescamento, ventilazione, illuminazione, ACS.

La norma UNI EN 15232 stabilisce una classificazione di efficienza energetica dei sistemi di controllo degli impianti, da un minimo di “D” – nessuna automazione, nessuna misura di efficienza energetica – ad un massimo di “A” – automazione e controllo utilizzando lo stato dell’arte disponibile.

Le “classi” di questa norma non sono confrontabili con le classiche classi di efficienza energetica degli edifici (quelle da “A4” a “G” per intenderci) in quanto non sono misurate in kWh/m³a (oppure kWh/m²a) ma sono assegnate sulla base del comportamento e della regolazione degli impianti tecnologici.

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Come è possibile stimare la classe di efficienza “attiva” a cui appartiene un edificio?

La norma sopra citata ci aiuta nel dare una risposta a questa domanda. La stessa infatti, per ogni classe elenca la presenza o meno di particolari comportamenti o sistemi di domotica. Indicativamente, possiamo aspettarci che un edificio con classe di efficienza attiva pari a “D” non abbia nessun metodo di controllo clima, salvo forse un termostato centralizzato per caldo e freddo, una regolazione manuale dell’aria e nessun controllo dell’illuminazione (accensione e spegnimento manuali) o delle schermature solari etc.

Salendo di classe, avremo:

• Classe C: tipicamente sarà possibile regolare automaticamente l’emissione in ciascun ambiente, sia per il caldo che per il freddo, ad esempio tramite valvole termostatiche o regolatori elettronici in caso di ventilconvettori. Inoltre possiamo aspettarci una regolazione della temperatura dell’acqua della rete di distribuzione in funzione della temperatura esterna e tipicamente il generatore di calore opererà in regime intermittente. L’illuminazione sarà probabilmente controllata da sensori di presenza, un piccolo passo avanti rispetto all’accensione e spegnimento totalmente manuale.
• Classe B: le soluzioni cominciano a farsi interessanti e tecnologicamente avanzate. Un edificio “attivamente” efficiente sarà in grado di rispondere efficacemente ai suoi occupanti e all’uso che questi faranno dei locali. Tipicamente la regolazione del clima sarà completamente integrata, con ciascun ambiente e ciascun sottosistema in grado di comunicare il proprio stato ad un sistema BAC centrale. Questa integrazione è utile per evitare condizioni di interblocco, quando sistemi differenti funzionano in opposizione. Il classico esempio di interblocco si ha ad esempio quando l’unità di trattamento aria cerca furiosamente di scaldare la stessa aria che il condizionatore sta altrettanto furiosamente raffreddando (condizione che si verifica più spesso di quanto non si creda). L’impianto di illuminazione a questi livelli è in grado di reagire alla luminosità ambiente e modula l’apporto di luce artificiale per mantenere valori di illuminamento adeguati.
• Classe A: lo stato dell’arte, tutti gli impianti tecnologici funzionano in sinergia per migliorare la qualità ambientale interna, reagendo attivamente alle condizioni esterne. L’illuminazione è anche in grado di attivare automaticamente le schermature solari alle vetrate per ottimizzare la luce naturale, l’impianto di ventilazione è in grado di sfruttare il free cooling notturno per raffrescare gli ambienti e tutti i componenti e i sensori sono collegati in un unico sistema di Technical Building Management o TBM, in grado di adattarsi alle condizioni ambientali. Un sistema di questo tipo è anche in grado di operare come strumento di diagnostica precoce (cosiddetto early warning) e di rilevamento guasti.

Fig.2_Le classi di efficienza energetica identificate dalla UNI EN 15232-1:2017

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BACS – Domotica e risparmio energetico

La norma non si limita a definire e qualificare gli impianti in classi di efficienza crescenti, ma aiuta anche a stimare il risparmio ottenibile salendo di classe mediante l’utilizzo dei fattori di BACS per l’energia termica per riscaldamento, ACS e raffrescamento; per l’energia elettrica, per l’illuminazione etc.

Fig.3_Fattori di efficienza BACS per l’energia termica per riscaldamento e raffrescamento negli edifici non residenziale_©Guida Schneider Electric alla EN15232

Migliorare l’automazione e il controllo degli impianti con un sistema di domotica in casa porta a risparmi consistenti sui consumi e permette di ammortizzare rapidamente gli investimenti. In particolare, dalle diverse tabelle presenti nella norma, si evince che numerosi risparmi sono ottenibili con minimi investimenti di capitale, specialmente negli edifici non residenziali.

Queste opportunità sono chiamate in gergo low hanging fruit, cioè “frutti bassi”, perché più facili da cogliere. Tipicamente sono low hanging fruit tutte le misure con un risparmio atteso del 15% e più, oppure le misure con un tempo di payback dell’investimento inferiore a due anni.

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L’automazione delle abitazioni e degli edifici si basa sul’implementazione di 4 concetti: Monitoraggio (dell’energia consumata, ma anche della presenza di gas, fumo …), Attuazione, Controllo e Comunicazione. Per questi scopi STMicroelectronics fornisce una vasta gamma di circuiti integrati che coniugano elevate performance a ridotti consumi energetici (¹)

Un esempio di integrazione di questi 4 concetti, realizzato a scopo dimostrativo da STMicroelectronics, è la “smart plug” o “presa intelligente”, un sistema che permette di monitorare e visualizzare il consumo energetico di un carico – e disconnetterlo qualora il consumo totale superi una certa soglia – di comunicare con un’unità centrale e di comandare l’accensione e lo spegnimento di differenti attuatori per l’automazione domestica e di edifici.
Ciò è utile ad esempio in ambito domestico per evitare che un guasto su un elettrodomestico faccia scattare la protezione del contatore e l’intero appartamento rimanga senza energia elettrica.

Il sistema è gestito da un microcontrollore a 32 bit con alta potenza computazionale (famiglia STM32, basata su core Cortex M3) che si occupa di ricevere l’informazione dal sensore collegato – in questo caso la potenza consumata – di elaborare le informazioni per visualizzarle su un display e comandare l’accensione o spegnimento di un interruttore per scollegare il carico.

Sempre nell’ambito del controllo nell’automazione di edifici, aspetti importanti sono anche la riduzione dei consumi nella sensoristica, specie se alimentata a batteria (ad esempio 350nA in standby per la famiglia STM8L), o la possibilità di gestire immagini e filmati (sicurezza, videosorveglianza) grazie alla famiglia SPEAR.
Sono disponibili anche funzioni ausiliarie per realizzare tastiere capacitive e rimuovere pulsanti meccanici standard in applicazioni quali citofoni, ascensori, interruttori, dimmer e pannelli di controllo o librerie per costruire reti intelligenti di illuminazione basate sul protocollo DALI.

Per quanto riguarda la comunicazione, accanto alle interfacce standard per comunicazione attraverso doppino telefonico (RS485x), attualmente STMicroelectronics fornisce la famiglia di power line modem ST75x (con differenti tecniche di modulazione), supporta il protocollo di comunicazione ZigBee grazie a STM32W (che integra un microcontrollore ed una radio ZigBee) e offre prodotti per comunicare e alimentare dispositivi via ethernet (ad esempio videocamere per la sorveglianza).

di Luca Salati, STMicroelectronics

Note
1. Il presente contributo è un approfondimento dell’intervento della STMelectronics tenuto il 19 novembre scorso in occasione della Giornata della Ricerca Anie, dedicata alle tecnologie più innovative del Sistema Edificio