Appunti Gestione energetica e automazione negli edifici

Trascrizione degli appunti del corso "Gestione energetica e automazione negli edifici"

Indice

Prima lezione - 28/09/2020 - (1 ora e mezza).....................................................................................2
Seconda lezione - 02/10/2020 - (3 ore)..............................................................................................10
Terza lezione - 05/10/2020 - (1 ora e mezza).....................................................................................23
Quarta lezione - 09/10/2020 - (3 ore).................................................................................................33
Quinta lezione - 12/10/2020 - (1 ora e mezza)...................................................................................48
Sesta lezione - 16/10/2020 - (2 ore)...................................................................................................62
Settima lezione - 16/10/2020 - (1 ora)................................................................................................76
Ottava lezione - 19/10/2020 - (1 ora e mezza)...................................................................................84
Nona lezione - 23/10/2020 - (45 minuti)............................................................................................92
Decima lezione - 23/10/2020 - (45 minuti)........................................................................................98
Undicesima lezione - 23/10/2020 - (1 ora e mezza).........................................................................102
Dodicesima lezione - 26/10/2020 - (1 ora e mezza).........................................................................113
Tredicesima lezione - 30/10/2020 - (3 ore)......................................................................................123
Quattordicesima lezione - 02/11/2020 - (1 ora e mezza)..................................................................129
Quindicesima lezione - 06/11/2020 - (1 ora e mezza)......................................................................138
Sedicesima lezione - 06/11/2020 - (1 ora e mezza)..........................................................................143
Diciassettesima lezione - 09/11/2020 - (1 ora e mezza)...................................................................148
Diciottesima lezione - 13/11/2020 - (3 ore)......................................................................................157
Diciannovesima lezione - 16/11/2020 - (1 ora)................................................................................160
Ventesima lezione - 16/11/2020 - (mezz'ora)...................................................................................165
Ventunesima lezione - 20/11/2020 - (3 ore).....................................................................................169
Ventiduesima lezione - 23/11/2020 - (45 minuti).............................................................................177
Ventitreesima lezione - 23/11/2020 - (45 minuti).............................................................................183
Ventiquattresima lezione - 27/11/2020 - (3 ore)...............................................................................189
Venticinquesima lezione - 30/11/2020 - (1 ora e mezza).................................................................200
Ventiseiesima lezione - 04/12/2020 - (3 ore)....................................................................................213
Ventisettesima lezione - 07/12/2020 - (1 ora e mezza).....................................................................214
Ventottesima lezione - 11/12/2020 - (3 ore).....................................................................................226
Ventinovesima lezione - 14/12/2020 - (1 ora e mezza)....................................................................227
Trentesima lezione - 18/12/2020 - (3 ore)........................................................................................228
Trentunesima lezione - 21/12/2020 - (1 ora e mezza)......................................................................232
Trentaduesima lezione - 08/01/2020 - (1 ora e 45 minuti)...............................................................245
Trentatreesima lezione - 08/01/2020 - (1 ora e 15 minuti)...............................................................256
Trentaquattresima lezione - 11/01/2020 - (1 ora e mezza)...............................................................264
Trentacinquesima lezione - 15/01/2020 - (1 ora e mezza)...............................................................276

Le immagini presenti sono state tratte dalle diapositive presentate durante le lezioni dal professore.

Introduzione al corso: quadro generale e motivazioni

Prima lezione - 28/09/2020 - (1 ora e mezza) tenuta da A. Capozzoli

Questo corso va oltre le esigenze di oggi connesse alla ottimizzazione della prestazione energetica, concentrandosi soprattutto sull'aspetto della gestione e della automazione negli edifici. In questi anni di corso (laurea triennale e primo anno di magistrale) ci si è occupati di aspetti riguardanti il progetto di un edificio rispetto all'opportunità di andare a migliorare quella che è la prestazione dell'involucro e dell'impianto. In questo corso ci si occuperà di tutto quello che ha a che fare con l'esercizio di un sistema energetico e cercheremo di capire come è possibile oggi riuscire a ottimizzare la prestazione di un sistema edificio-impianto senza andare a introdurre processi e componenti impiantistici nuovi. Il sistema è già stato progettato così come i vari componenti impiantistici e i componenti di involucro che lo caratterizzano. L'obiettivo sarà quello di capire come poter ottimizzare l'uso di quella energia nel tempo. Cioè si vuole capire dove l'energia viene sprecata (dove non c'è un uso ottimale di quella energia) e quali sono le cause che sono connesse a questo non uso ottimale dell'energia durante l'esercizio dell'edificio stesso.

In questo caso sarà punto chiave la possibilità di avere a disposizione dati che vadano a rappresentare e che siano la rappresentazione di quella che è la prestazione dell'edificio durante il suo funzionamento. Si capirà che utilizzare i dati della prestazione energetica dell'edificio oggi (dati sempre più disponibili e facili da misurare anche con costi accessibili) significa anche dover imparare a trattare come analizzare questi dati. In gergo si dice "come estrarre conoscenza da questi dati" perché se quei dati rappresentano effettivamente quello che è stato il funzionamento reale dell'edificio, anche rispetto alla opportunità che anomalie energetiche, uso non ottimale, sprechi energetici si siano verificati nel tempo, queste informazioni sono tutte conservate nel dato che noi andiamo a leggere.

Quindi affinché si possa andare a ottimizzare la gestione dei sistemi energetici che servono l'edificio si ha la necessità di andare a analizzare quei dati. Essendo i dati tanti in termini di volume (immaginiamo un campionamento di dati ogni 10 minuti per le numerose variabili che caratterizzano la prestazione energetica dell'edificio) ecco che si vede l'esigenza di andare a capire quali tecniche di analisi dati possono effettivamente essere utili per estrarre quella conoscenza. Le tecniche statistiche più classiche a cui siamo abituati non sono sempre sufficienti quando abbiamo basi di dati così complesse ed eterogenee. In questo corso si impareranno i rudimenti di tecniche di intelligenza artificiale che oggi sono alla base di un processo moderno e innovativo di gestione energetica e anche di automazione negli edifici.

L'approccio deve essere multidisciplinare (servono anche ingegneri informatici e matematici), servono tutte le conoscenze che vanno ad afferire all'ingegneria dell'informazione e all'ingegneria matematica. L'obiettivo è creare un ponte tra la scienza dei dati e la fisica dell'edificio. Ebbene questi due mondi in passato non si parlavano perché gli ingegneri dell'informazione avevano il dominio della scienza dei dati mentre l'ingegnere energetico aveva il dominio dei fenomeni fisici alla base della prestazione energetica dell'edificio. Queste competenze devono essere legate perché la modellizzazione energetica dell'edificio può essere operata anche attraverso i dati che misurano la sua prestazione.

Quindi il dato deve essere visto come una fonte preziosissima attraverso cui estrarre la conoscenza per capire l'edificio come si è comportato ma anche per sviluppare e creare modelli che possano descrivere la sua prestazione. Cioè anche rispetto alla modellazione energetica sempre di più l'approccio sta diventando quello guidato dai dati. Infatti in letteratura si parla di "building data driven energy modelling". Evidentemente la nostra esperienza di prestazione energetica dell'edificio ha a che fare con la modellazione più classica ingegneristica per esempio attraverso l'utilizzo di software di simulazione energetica tipo Energy Plus. Nel momento in cui si hanno disponibili dati anche con un alta frequenza che dicono sia qual è la prestazione dell'edificio in termini di consumi energetici sia quali siano tutte le variabili al contorno che vanno ad influenzare tale prestazione energetica, ad esempio temperatura esterna, radiazione solare esterna, temperatura interna, occupazione. Allora in quel caso si ha disponibile attraverso il dato quella che è la prestazione reale (mediante il dato si tengono in conto anche tutti quei fenomeni difficilmente modellizzabili col metodo diretto) ma anche tutte quelle che sono le variabili influenzanti di input di quella energia consumata che si misura.

Allora si ha l'opportunità di sviluppare un modello completamente guidato dai dati, cioè un modello che sappia imparare (detto "processo di training") come l'edificio si comporti in termini energetici al variare di tutte le variabili influenzanti che si vanno a misurare. Il problema allora diventa quello di descrivere e individuare la relazione matematica che possa legare l'input all'output e quindi ci possa restituire un modello capace di permetterci di fare la modellazione della prestazione energetica di quell'edificio. Quest'approccio fa uso di tecniche cosiddette di intelligenza artificiale o anche dette "tecniche di data analytics". Utilizzare tecniche di data analytics significa utilizzare tecniche che attraverso un approccio guidato di dati consentono di fare anche una modellazione energetica dell'edificio.

Quindi si è capita una prima cosa importante: la gestione energetica e l'automazione degli edifici sicuramente si fondano sull'opportunità di misurare la prestazione di un sistema e alla luce del fatto che queste misure sono sempre più disponibili, sempre più frequenti in termini di frequenza di campionamento e sempre più voluminose in termini di variabili che si vanno a misurare allora si ha la necessità di utilizzare tecniche di analisi sempre più complesse che permettano di estrarre sempre maggiore conoscenza da quei dati, quindi che permettano di trattare quei database così complessi. Il data analytics può avere molteplici funzioni: descrivere, analizzare, esplorare il dato e anche permettere di sviluppare modelli alternativi ai modelli diretti ai quali gli ingegneri sono più abituati. Questi ragionamenti sono stati fatti per sensibilizzare rispetto al tema.

Si è capita una cosa importante: la progettazione di un involucro particolarmente ad alta prestazione, impianti caratterizzati da elevate efficienze, l'utilizzo di tecnologie particolarmente versatili al garantire una buona prestazione dell'edificio, non sono completamente sufficienti per ottenere l'obiettivo finale di un'ottimizzazione della prestazione e quindi risparmio energetico. Esiste un'altra via su cui ci si focalizzerà durante il corso, cioè quella di andare a migliorare la gestione energetica dell'edificio, cioè non ci si occuperà del design (vale a dire del progetto dell'involucro e dell'impianto di climatizzazione) ma ci si occuperà di come questi sistemi durante l'esercizio ("in operation") andranno a funzionare e come questi in qualche modo si andranno ad adattare a quelle che sono le condizioni al contorno che nel tempo cambiano e quindi come è possibile fare in modo che essi possano funzionare sempre al massimo della loro prestazione.

Energy performance gap rappresenta quello che è il risultato delle cause che si vogliono andare a ricercare attraverso la gestione energetica, a migliorare e eliminare attraverso l'automazione. L'energy performance gap rappresenta esattamente lo scostamento tra la prestazione reale di un edificio rispetto alla prestazione attesa. Infatti accade sempre che l'edificio nella realtà tende ad avere una prestazione diversa rispetto a quella che è attesa. Le cause di questa prestazione diversa sono il fatto che i sistemi quando sono messi in esercizio hanno bisogno di essere settati, il fatto che i sistemi tendono a degradarsi e a malfunzionare nel tempo, il comportamento dell'occupante (è di natura stocastica, difficilmente determinabile con processi deterministici) (si fanno delle ipotesi sul comportamento riguardo l'apertura e chiusura delle finestre, riguardo l'impostazione del set point del termostato, riguardo ai volumi di acqua calda utilizzata), gli errori che ci possono essere nell'installazione, le problematiche connesse al controllo (sistema che attua in seguito ad un segnale inviato allo scopo di variare il livello di una grandezza es. portata o temperatura) se non segue logiche ottimali.

Questo gap si può ridurre grazie al monitoraggio. Il monitoraggio rappresenta la base su cui si può costruire un processo di gestione energetica avanzata che ha lo scopo di andare a ridurre il performance gap. Oltre a ridurlo si vuole fare di più: si vuole migliorare la prestazione energetica rispetto a quella attesa. Quindi di fatto l'opportunità offerta dall'analisi e sviluppo di modelli basati sui dati di monitoraggio (che sono la fonte primaria) consente di andare a ridurre il gap e anche di operare un processo di ottimizzazione energetica dell'edificio.

D'altra parte oggi l'edificio non può più essere visto come un sistema isolato perché esso è immerso in una rete. La rete è spesso una rete sempre più intelligente ("smart"), cioè una rete capace di comunicare con l'edificio in maniera bidirezionale. Cioè l'edificio può inviare informazioni alla rete e la rete può inviare informazioni all'edificio. Si pensi al prezzo dell'energia variabile, alla possibilità di poter autoconsumare o cedere alla rete la quota parte di energia rinnovabile che viene generata localmente, alla gestione che si può fare oggi di un sistema di storage sulla base di queste condizioni al contorno cioè accumulare energia quando costa poco e non richiedere energia dalla rete quando il suo costo è più alto o prevedere che un sistema la cui prestazione dipende dalle condizioni climatiche per esempio una pompa di calore che ha come sorgente l'aria esterna possa funzionare soltanto quando le condizioni climatiche sono tali da garantire una alta prestazione di questa pompa di calore e nel mentre usare l'energia dello storage o far funzionare un sistema ausiliario o complementare. Si pensi ancora a tutto quello che concerne la cosiddetta gestione della domanda, cioè fare in modo che la domanda di energia dell'edificio possa essere in qualche modo modificata nel tempo in relazione a quelle che sono le esigenze della rete (per esempio quella di evitare un picco sulla rete, evitare che tutti gli edifici che appartengono ad una certa comunità di aggregazione possano richiedere energia nello stesso tempo).

Ebbene l'informazione che ci può consentire di evitare che ci sia questa creazione del picco sulla rete, è un'informazione che ancora una volta la si può ricavare attraverso il dato monitorato e che però implica da parte di chi può modificare quella domanda (cioè l'occupante) una risposta all'esigenza. Tutto ciò che è shiftabile (lavatrice, lavastoviglie, acqua calda in alcuni casi), lo si shifta in funzione delle esigenze che ha la rete avendo dei vantaggi ad esempio il costo dell'energia, gli incentivi economici. Si pensi anche alla possibilità che oggi un edificio ha di poter essere classificato in virtù dell'uso che fa dell'energia nel tempo e quindi la particolare forma della curva di carico giornaliera tipica che caratterizza l'edificio. Ciò potrebbe rappresentare per i provider un'opportunità di andare a customizzare offerte finanziarie dell'energia sulla base della particolare forma della domanda energetica di quell'edificio.

Tutti questi aspetti hanno a che fare con la gestione energetica e verranno trattati nel corso. Nell'illustrazione 1 si parla sia di energy flow che di action (azioni): un primo concetto che bisogna fissare è che il risultato di un processo di gestione energetica può essere sia un'informazione (attraverso un processo che ha visto l'analisi della prestazione dell'edificio per mezzo dell'esplorazione dei dati di monitoraggio, si sta informando l'utente rispetto al tipico profilo di carico, rispetto al fatto che la qualità di energia in un determinato giorno e in determinate condizioni al contorno è stata anomala rispetto a ciò che era stato storicamente, rispetto al fatto che l'edificio sta avendo una prestazione...