Smart building: cos’è. Esempi e vantaggi dell’edificio intelligente

L’edificio è intelligente quando è in grado di gestire in modo ottimale l’energia e fornire il miglior comfort possibile a chi vi abita, rendendo i residenti quanto più consapevoli dei consumi e del modo migliore per ridurli. La nascita e lo sviluppo dello smart building parte dalla necessità di efficientare i consumi energetici e la sua storia lo spiega bene ed è più antica di quanto si pensi.

Smart building, un po’ di storia

Spesso, infatti, si pensa alla smartness come a una prerogativa che ha a che fare con il nuovo millennio o, ancor più, con il suo sviluppo nel futuro prossimo. Invece le prime tecnologie legate a efficienza e comfort nell’edificio risalgono addirittura al XVII secolo con Cornelis Drebbel. Questo ingegnere e inventore olandese fu uno dei primi ideatori e promotori della creazione e sviluppo dei sistemi di controllo, ovvero sistemi capaci di gestire, comandare, dirigere o regolare il comportamento di altri dispositivi. Drebbel creò un termostato a mercurio in grado di mantenere automaticamente uno spazio a temperatura costante. La sua invenzione fu uno dei primi dispositivi di feedback-controllati noti alla storia, una sorta di antesignano della tecnologia HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning).

Di certo, la storia e l’evoluzione degli edifici intelligenti è stata più significativa e ricca negli ultimi quarant’anni. Anzi proprio agli anni Ottanta risale la nascita del termine “intelligent building” negli Stati Uniti per indicare un edificio con sofisticati servizi di telecomunicazioni, gestione degli edifici e servizi di rete dati che fornivano servizi condivisi ai residenti. La definizione di intelligenza applicata all’edificio in questo periodo si focalizza su sistemi di building automation. Col tempo, e con l’avvento sempre più forte dei computer e della loro evoluzione, cominciano a prendere piede tali soluzioni, conosciuti anche con il termine di Building Management System (BMS). I sistemi di controllo informatizzato installati negli edifici cominciano a monitorare apparecchiature meccaniche ed elettriche dell’edificio. Solo che i vari sottosistemi risultano scollegati o a compartimenti stagni, automatizzati a livello di funzionamento individuale.

Negli ultimi tre decenni il progresso è stata notevole, grazie alla significativa evoluzione della tecnologia, dell’avvento e dell’importanza sempre più ampia di Internet, delle soluzioni hardware e software. Così lo smart building assume un significato sempre più ricco e complesso. Pensiamo al BMS e alla sua integrazione e connessione al web: facilitati da software analitici avanzati, i proprietari degli edifici si trovano ad avere accesso a grandi quantità di informazioni da poter utilizzare per prendere decisioni intelligenti capaci di migliorare le prestazioni dell’edificio.

L’introduzione di protocolli aperti, il passaggio al wireless e l’incombente ubiquità dell’Internet of Things permette sempre nuove opportunità. Il passaggio al BMS da sistema chiuso a integrato si deve, infatti, all’Internet delle Cose che ha spalancato le porte a nuove opportunità, permettendo ai sistemi di building management di essere informati di tutta una serie di eventi esterni, contando anche sulla presenza di sensori negli ambienti indoor in grado di controllare dinamicamente molteplici informazioni, aspetti, variabili.

Smart building, una definizione? Più definizioni

Dalle sue prime forme, gli edifici intelligenti – che vengono denominati in modo indifferente come smart building o intelligent building – hanno conosciuto una moltitudine di definizioni.

Già nel 1981 la United Technology Building Systems Corporation of the USA usò forse per prima il termine “edificio intelligente” e due anni dopo sorse il City Place Building di Hartford, nel Connecticut, divenuto noto al mondo come il primo edificio intelligente a essere completato. Lo ricorda Osama Omar, docente universitario in architettura in un articolo scientifico dedicato, segnalando che circa vent’anni dopo due esperti del settore, Michael Wigginton e Jude Harris nel libro “Intelligent skins” segnalarono più di trenta definizioni applicabili riguardanti l’intelligenza applicata al costruito.

Secondo lo statunitense Intelligent Building Institute (IBI) e la European Intelligent Building Group (EIBG) la definizione più propria di smart building è quella di edificio “che fornisce un ambiente produttivo e conveniente attraverso l’ottimizzazione dei suoi quattro elementi base (strutture, sistemi, servizi, gestione) e la loro interrelazione”. Entrambe, con lievi differenze, sono concordi anche nell’evidenziare non solo i vantaggi per i residenti ma anche per chi deve gestirli (energy e facility manager), oltre che per l’ambiente.

Anche la Commissione Europea ha fornito una definizione ad hoc, parlando di smart building come di

“un insieme di tecnologie di comunicazione che consentono a diversi oggetti, sensori e funzioni all’interno di un edificio di comunicare e interagire tra loro e anche di essere gestiti, controllati e automatizzati in modo remoto. Nello smart building le tecnologie aiutano a collegare una varietà di sottosistemi che originariamente operavano in modo indipendente. I processi automatizzati consentono il controllo delle operazioni dell’edificio, compresi riscaldamento, ventilazione, condizionamento, illuminazione, sicurezza e altri sistemi”.

Nel report dedicato, si segnala inoltre come il campo di applicazione dello smart building sia molto ampio e comprenda vari oggetti all’interno del sistema di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria, da finestre o ascensori alla ricarica dei veicoli. Tuttavia lo smart building è un concetto strettamente legato all’efficienza energetica e per riuscire a metterla in atto può basarsi principalmente su due sistemi: smart lighting, in grado di regolare i livelli di luce in base ai tempi ma anche in base ad altri elementi intelligenti; sistema HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning, ovvero riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria). In tutto questo un ruolo fondamentale lo assumono i sensori (specie quelli IoT) in grado di permettere l’interconnessione di oggetti e impianti.

Integrazione e interconnessione tecnologica sono parti integranti anche della definizione contenuta nell’Intelligent Building Report, a cura dell’Energy & Strategy Group del Politecnico di Milano, secondo cui lo smart building è:

“un edificio in cui gli impianti in esso presenti sono gestiti in maniera integrata ed automatizzata, attraverso l’adozione di una infrastruttura di supervisione e controllo degli impianti stessi, al fine di massimizzare il risparmio energetico, il comfort e la sicurezza degli occupanti, e garantendone inoltre l’integrazione con il sistema elettrico di cui il building fa parte”.

La priorità cui rispondono gli intelligent building è legata alla gestione dell’energia, alla possibilità di fare efficienza energetica negli edifici. Si parte dalla necessità di ridurre notevolmente l’impatto degli immobili, responsabili di circa il 40% dei consumi energetici, sia che si guardi in Europa che negli Stati Uniti. Edifici energivori significano anche grandi generatori di emissioni climalteranti. Quanto sta avvenendo nel mondo, con il climate change, ormai è noto e la necessità di trovare alternative più green è fondamentale anche nel comparto edilizio. Da qui si arriva alla volontà di contare non solo su una riduzione dei consumi, utilizzando materiali e soluzioni costruttive che puntino all’efficienza energetica, ma anche gestire e generare energia da fonti energetiche rinnovabili.

Fare un uso intelligente dell’energia è forse il punto centrale, quello che più incentiva alla realizzazione di smart building specie per uso commerciale, in modo che l’efficientamento energetico si riesca a gestire pienamente, grazie anche alla digitalizzazione degli edifici.

Secondo stime di Research for Markets il mercato globale dedicato agli edifici intelligenti crescerà da quasi 8,5 miliardi di dollari (2016) a 57,8 miliardi entro il 2023, evidenziando un tasso annuo di crescita composto del 31.5%.

Sono diversi i vantaggi assicurati dagli edifici intelligenti. Ecco, di seguito quali benefici possono apportare.

Efficienza energetica negli edifici

Come detto, il primo motivo per cui nascono gli smart building è legato all’efficienza energetica. Servono edifici a basso consumo e l’Italia ha introdotto per legge l’obbligo di realizzare edifici a energia quasi zero, ovvero gli nZEB (near Zero Energy Building) come richiesto a suo tempo dalla Direttiva 31/2010/UE, recepita in Italia dal Decreto legislativo 192/2005. A partire dal 2021 tutti gli edifici, pubblici e privati, dovranno rispondere a questo criterio.

L’obiettivo è diminuire il più possibile i consumi in edilizia. L’Efficient World Scenario della International Energy Agency evidenzia il potenziale di riduzione della domanda globale di energia per gli edifici entro il 2040: in media, entro tale data gli edifici potrebbero essere quasi il 40% più efficienti rispetto a oggi. Il risparmio energetico conseguente al riscaldamento fornisce già più di un quarto del potenziale. Si aggiungano poi i consumi per il raffrescamento degli ambienti e i decrementi ottenibili da una migliore gestione.

Grazie a edifici intelligenti, capaci di controllare l’energia utilizzata per l’illuminazione, per i sistemi HVAC e per qualsiasi apparecchio grazie alla possibilità di metterli in comunicazione, per esempio con smart window (vetrate intelligenti) e adottando sensori di presenza è possibile fare efficienza proprio grazie a un indicatore che riveli quando interrompere o attivare l’erogazione dell’energia in uno spazio utilizzato o meno.

Secondo alcuni calcoli della Commissione Europea si potrebbe arrivare a una riduzione almeno del 5-6% di consumo nell’UE grazie all’efficienza energetica degli edifici.

Vantaggi economici

Gli investimenti dedicati stimolano anche l’economia, in particolare l’industria delle costruzioni, che genera circa il 9% del PIL europeo e rappresenta direttamente 18 milioni di posti di lavoro diretti. Le Pmi, in particolare, beneficiano di un mercato delle ristrutturazioni, in quanto contribuiscono per oltre il 70% del valore aggiunto nel settore edilizio dell’UE. Rigenerare edifici, rendendoli efficienti grazie alla tecnologia potrebbe innescare potenzialità di business considerevoli, pensando che solo in Italia ci sono oltre 14 milioni di edifici pluridecennali, che hanno bisogno di elevare le proprie prestazioni.

Grazie alle potenzialità offerte da un mercato dell’energia più flessibile, sarà possibile che gli edifici non solo assicurino costi energetici più bassi, ma anche permettano di generare ricavi vendendo alla rete le riduzioni di carico.

Già oggi grazie al sistema di BMS (Building Management System) collegato a quello di illuminazione, opportunamente abbinati in rete, è possibile accendere e spegnere le luci in orari ottimali e variare i livelli di luce, potendo fare un’analisi comparativa per stabilire se l’impatto sull’uso dell’energia HVAC che risulta dalla regolazione delle “finestre intelligenti” per far entrare la luce solare sarà minore o maggiore rispetto all’oscuramento delle finestre e all’accensione delle luci. Secondo quanto riporta un report della California Energy Commission vengono evidenziati risparmi del 19-26% sul riscaldamento/raffrescamento e del 48-67% sull’illuminazione se si contempla l’adozione di smart window.

In tutto questo l’Internet of Things ha un ruolo determinante nel rendere interconnessi tutti i sistemi. Inoltre grazie ai sensori IoT è possibile raccogliere dati utili a comprendere l’effettiva presenza di persone negli ambienti, regolando di conseguenza luci e clima. L’importanza dell’Internet delle Cose è confermata anche dalle stime di ABI Research secondo cui il valore derivante dalla tecnologia IoT per gli edifici intelligenti supererà gli 8 miliardi di dollari nel 2020.

La sensoristica applicata negli edifici fornisce la possibilità di gestire, risparmiando, energia e consumi, ma permette anche di monitorare le prestazioni di un impianto e attivare adeguati interventi in caso di malfunzionamento delle apparecchiature anche prima che scatti un allarme. Significa poter fare manutenzione predittiva. Nel caso in cui venga inviato un messaggio di errore, il sistema raccoglie dati in grado di determinare le cause del problema. A seconda della piattaforma installata, il sistema può anche essere programmato per adattarsi automaticamente a qualsiasi problema.

Un edificio intelligente, che riesca a gestire al meglio le informazioni grazie alla possibilità di analizzare dati strutturati, tali da fornire opportunità economiche davvero importanti.

Un esempio è “The Edge”, ad Amsterdam, riconosciuto a livello globale come l’edificio più intelligente al mondo. In principio era stato progettato per contare su una superficie di 100mila metri quadri. Grazie a soluzioni smart per la gestione dello spazio è stato ridotto a soli 60mila mq, risparmiando quasi la metà dei costi di produzione. Grazie agli oltre 28mila sensori e attuatori presenti nell’edificio per gestire il flusso di energia e di dati, il sistema di climatizzazione e il funzionamento degli altri impianti possono essere monitorati e controllati facilmente mediante display. Anche l’illuminazione è intelligente e grazie all’utilizzodi sensori IoT viene applicato un sistema di Light-as-a-Service. La Deloitte, principale inquilino, ha messo a frutto la gran mole di dati generati per trasformarli in informazioni e servizi. Per esempio, viene analizzata la capacità di interazione dei dipendenti, la presenza o meno di persone negli ambienti, traducendo il tutto in una ottimizzazione dei consumi.

Edifici che siano caratterizzati da performance energetiche certe hanno un valore più elevato rispetto al mercato tradizionale. Da quanto emerge dalla ricerca sul valore degli immobili certificati LEED, realizzata da REbuild in collaborazione con CBRE e GBCI Europe, si attesta un aumento di valore tra il 7 e l’11% in più rispetto agli immobili privi di certificazione ambientale.

Comfort e salute: l’edificio smart e human centric

Smart building significa avere la possibilità di contare su edifici di qualità, in grado di assicurare comfort e qualità di vita, anche in termini di salute, decisamente migliori. Ambienti ottimizzati aumentano il benessere e riducono sensibilmente problemi di salute, negli ambienti residenziali o di lavoro. È ormai accertata la rilevanza della sindrome dell’edificio malato (sick building syndrome). Come segnala il Ministero della Salute, riportando alcuni studi condotti su uffici e altri edifici ad uso pubblico in diversi paesi, è stata rilevata una frequenza di disturbi tra gli occupanti compresa tra il 15% e il 50%. Le cause sono diverse e i fattori legati agli edifici, ai sistemi di condizionamento e di ventilazione, ai programmi di manutenzione sono contemplati.

Edifici dotati di un sistema HVAC predittivo e proattivo che impiegano IoT e cloud computing per il monitoraggio e il funzionamento della qualità dell’aria possono garantire ambienti salubri. Inoltre, mediante i sensori wireless installati nell’edificio è possibile monitorare in tempo reale la qualità dell’aria e i livelli di anidride carbonica e di altri inquinanti presenti.

BEMS sta per Building Energy Management System e indica un sistema di gestione dell’energia di un edificio, che ha l’obiettivo di ridurre i consumi e ottimizzare le performance lungo tutto il ciclo di vita di un building.

Si tratta di piattaforme basate sulle nuove tecnologie digitali in grado di integrare hardware, software e servizi ICT per garantire la raccolta e l’elaborazione dei dati, il monitoraggio energetico, l’automazione e il controllo dei diversi dispositivi e sistemi (apparecchiature elettriche, macchinari, sistemi di HVAC per il condizionamento o riscaldamento, dispositivi per la building automation, illuminazione ecc.).

Una piattaforma che diventa il cuore di ogni smart building e che serve a controllare in modo centralizzato e in tempo reale funzionamento e accensione o spegnimento dei vari impianti, nonché controllo dei livelli di temperatura, umidità e microclima interno agli ambienti. Questo per garantire, oltre al risparmio energetico, il massimo comfort e benessere a chi vive gli ambienti.

Il BEMS si integra ad altre piattaforme come il BMS (sistema di gestione degli edifici) e il BAS (sistema di automazione degli edifici), usati per il funzionamento dei moderni Smart building, e fornisce il controllo totale sullo stato di salute di tutto l’edificio basandosi su IoT e Big Data.

Benefici di un BEMS efficace

Un BEMS efficace e ottimale deve garantire il raggiungimento di 5 obiettivi principali:

• Il controllo e il monitoraggio dei consumi energetici, al fine di ridurre gli sprechi e ottimizzare l’efficienza energetica in funzione delle esigenze di utilizzo di ogni ambiente e ogni impianto;
• Migliorare il benessere e la vivibilità degli ambienti;
• Il monitoraggio degli impianti per garantire interventi tempestivi in caso di malfunzionamento o guasti, migliorando così la produttività dei sistemi;
• Ridurre l’impatto ambientale dell’edificio in termini di emissioni di CO2;
• Allungare la vita degli edifici, andando ad agire su tutto il loro LCA.

Gli edifici cognitivi rappresentano l’evoluzione degli smart building. Un’ideale di spazi intelligenti e responsivi che porterà ad avere ambienti su misura in base alle specifiche esigenze delle persone. Secondo il Prof. Angelo Ciribini dell’Università degli Studi di Brescia, esperto in materia, un edificio cognitivo è una struttura capace, attraverso l’uso delle nuove tecnologie e di sensori sofisticati, di interagire e dialogare con i suoi abitanti e di provvedere al loro benessere abitativo e lavorativo.

In uno scenario futuro di responsive o cognitive building, si parla addirittura di utilizzare pareti e superfici per rilevare l’umore di chi vive gli ambienti. Come tecnologia, IoT e intelligenza artificiale, in grado di interpretare i dati e di apprendere nel tempo, diventano cruciali.