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Sistemi di misura e controllo per migliorare la qualità degli edifici energeticamente efficienti

Il maggior isolamento delle abitazioni può portare a un aumento dell’umidità ambientale, favorendo il proliferare di batteri e muffe. Possibili soluzioni per garantire la qualità degli ambienti

E’ ormai noto che la riqualificazione e la costruzione degli edifici portano ad ambienti sempre più sigillati per rispettare le attuali normative in merito al risparmio energetico. Questo comporta una riduzione del consumo energetico grazie alla ridotta dispersione verso l’esterno, ma il prezzo che molto spesso si deve pagare è la riduzione della qualità dell’aria interna.


Uno studio recente della University of Exeter Medical School ha rivelato una relazione tra le abitazioni ad alta efficienza energetica e l’insorgere di malattie allergeniche ed asmatiche. La ragione alla base di questo fenomeno sta nelle ridotte infiltrazioni e la scarsa ventilazione che portano ad aumentare la concentrazione di contaminanti biologici, chimici e fisici. Oltre a questo, il maggior isolamento ed abitudini scorrette comportano un aumento dell’umidità ambientale, favorendo il proliferare di batteri e muffe. I problemi per gli occupanti possono essere vari e di diversa entità, dalla riduzione di produttività fino all’insorgere di malattie respiratorie. La letteratura scientifica ha identificato il problema, ma le tecnologie presenti sul mercato non sono ancora in grado di fornirne una soluzione efficace. La sfida maggiore risiede nel garantire la qualità degli ambienti pur rispettando le sempre più stringenti normative energetiche, senza gravare sui costi di costruzione o riqualificazione. Molti progetti hanno accolto questa sfida per raggiungere il compromesso tra risparmio energetico e qualità degli ambienti vissuti. Tra questi, il progetto Europeo CETIEB (Cost Effective Tools for Better Indoor Environment in Retrofitted Energy Efficient Buildings), che ha sviluppato sistemi per il monitoraggio e controllo della qualità degli ambienti in edifici ad alta efficienza energetica. Il progetto ha visto la collaborazione di partner Europei (tra cui l’Università Politecnica delle Marche) per superare le barriere tecnologiche ed economiche di questo settore. In particolare, sono stati sviluppati sistemi a basso costo per il monitoraggio e controllo efficiente della qualità dall’aria in ambienti indoor.

 

I sensori sviluppati sono in grado di misurare la CO2, i TVOC (componenti organici volatili totali), l’Illuminazione RGB ed il Comfort termico con prestazioni migliori e costi competitivi rispetto allo stato dell’arte. I sensori sono stati integrati in una rete ad-hoc per fornire i dati acquisti al sistema di controllo o per renderli disponibili da remoto. I sistemi di controllo sviluppati sono sia di tipo attivo, come il controllo degli HVAC o i Biofiltri, che passivo, come i materiali a cambiamento di fase o fotocatalitici. 


 

Figura 1: Il sensore di TVOC a sinistra, di comfort termico al centro ed il biofiltro a destra

 

Ognuno dei dispositivi è stato testato e validato singolarmente in una fase iniziale per verificarne le prestazioni, dopodiché sono stati fatti dei test in dimostratori reali per validare le prestazioni come soluzione integrata. Tra i dimostratori, uno dei più interessanti è stato sviluppato presso l’lnstitut National de l’Energie Solaire (INES) in Francia per validare l’efficacia dell’integrazione dei sistemi di monitoraggio e controllo della qualità dell’aria interna e del comfort termico sviluppati nel progetto. L’edificio usato è stato costruito secondo lo standard della Passive House e quindi caratterizzato da alta efficienza energetica. All’interno dell’edificio sono state allestite due stanze identiche: una, denominata Test Room, equipaggiata con il sensore di comfort termico Comfort Eye, sviluppato dall’Università Politecnica delle Marche, i sensori di CO2 e TVOC interna ed esterna, connessi con un sistema di controllo in grado di regolare il riscaldamento, la ventilazione, l’apertura della finestra e della serranda. La seconda, denominata Reference Room, equipaggiata dal classico controllo ambientale basato su termostato e considerata il riferimento rappresentativo dei sistemi tipicamente utilizzati nella maggior parte degli edifici, soprattutto in campo residenziale.

 

Figura 2: L'edificio dimostratore in cui è stato installato il sistema di misura e controllo

 

Il sistema innovativo installato nella Test Room è in grado di regolare gli organi di controllo ambientale tenendo conto del comfort termico distribuito all’interno della stanza grazie al sistema di scansione del Comfort Eye. Questo permette di stimare continuamente l’effetto della radiazione solare in ingresso dalla finestra. Per quanto riguarda la qualità dell’aria, i livelli di CO2 e TVOC interni ed esterni sono costantemente misurati per permettere al sistema di controllo di immettere aria esterna solo quando questa è effettivamente migliore ed evitare di immettere nell’ambiente aria di qualità peggiore rispetto a quella interna. L’algoritmo di controllo sviluppato e implementato nel dimostratore è in grado di acquisire tutti i dati dai sensori installati ed applicare logiche intelligenti di controllo (apertura/chiusura finestre, regolazione flusso di aria interno e tapparelle per ridurre l’effetto della radiazione solare). L’algoritmo dà la priorità alla qualità dell’aria interna ed il comfort termico. Una volta raggiunte le condizioni ottimali, vengono attuate regolazioni per ridurre il consumo energetico. L’idea è di ottimizzare le azioni di regolazioni grazie alla informazioni acquisite dal sistema di monitoraggio, cosa che non può essere fatta con la tipica misura di temperatura dell’aria effettuata dal termostato.

 

Le due stanze hanno funzionato con i rispettivi sistemi di controllo per due settimane, dal 3 al 17 Aprile 2014. Una volta concluso il test, l’analisi dei risultati ha dimostrato un miglioramento su tutti i fronti nella Test Room rispetto alla Reference Room. CO2 mantenuta intorno ai 400ppm contro i 600ppm della Reference Room, comfort termico mantenuto costante e non affetto dalle oscillazioni dovute alla radiazione solare in ingresso, ma soprattutto si è registrato un risparmio energetico del 15%. 

 

Figura 3: Confronto tra i livelli di CO2 nella Test Room e nella Reference Room

 

Questi risultati dimostrano come, oltre alla componente architettonica, anche la componente impiantistica è fondamentale per raggiungere il compromesso tra qualità degli ambienti vissuti e consumo di energia. Per fare ciò è necessario misurare tutti i parametri coinvolti per poter permettere ai sistemi di controllo di attuare logiche raffinate. Lo scopo del test era di dimostrare l’efficacia del sistema integrato ed i risultati possono essere considerati come indicatori della strada da seguire. I sensori ed il sistema di controllo sono stati costruiti come prototipi di laboratorio con l’intento di contenere i costi e superare una della maggiori barriere per la loro diffusione. Il passo successivo sarà quello di testare il sistema in ambienti vissuti per poi passare dal prototipo ad una soluzione commerciale.

 

A cura di:

Prof. Gian Marco Revel, Dr. Marco Arnesano, Dr. Filippo Pietroni

Riferimenti:

Prof. Ing. Gian Marco Revel
Università Politecnica delle Marche
Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche
Via Brecce Bianche, 60131 Ancona, ITALY.

Email: gm.revel@univpm.it
tel. +39 071 2204518
fax +39 071 2204801

 

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