La casa intelligente: Smart House

La casa intelligente è basata sul concetto di gestire il sistema edificio da un unico “cervello” che ottimizzi l’uso di energia dell’edificio. Molte applicazioni sono già in essere, in cui, in funzione di alcuni parametri, impianti e/o sistemi dell’edificio sono automatizzati, in modo da rispondere alla richiesta, evitando inutili sprechi e con modelli sempre più rispondenti alle necessità dell’utente . Quello che, spesso manca in moltissimi casi è la possibilità di controllare localmente/centralmente tutti gli impianti e apparecchiature in modo da ottimizzare il sistema edificio.
L’automazione, pertanto deve integrare e ottimizzare il sistema, in modo che ogni dispositivo possa svolgere più funzioni contemporaneamente, portando a un risparmio sul numero di apparecchi necessari, nella implementazione del sistema, nella facilità del cabling del sistema, nella sua riduzione dei costi di realizzazione e nella riduzione dei costi di esercizio. In sintesi non deve rispondere a una logica di sommatoria dell’automazione dei singoli impianti, riducendone così il reale impatto, bensì in una integrazione di sistema in grado di controllare in modo ottimizzato il sistema edificio impianto: la vera sfida della Smart House.
La casa intelligente, nella visione della Smart City e della risposta alla domanda del mercato in tema di efficienza e qualità, presenta delle specificità che stanno modificando non solo il concetto tradizionale di residenza ma anche l’approccio progettuale della casa del futuro. La Smart House la possiamo riferire ad un complesso sistema in cui, una rete “neuronale “ di sensori ed attuatori quasi invisibile perché “sotto traccia”, intervengono nella gestione della funzionalità della casa garantendo il massimo del confort con il minimo dei consumi energetici, a parità di benessere non solo fisico  ma anche economico.
Il telelavoro, il tele studio, la tele medicina l’e-learning, le reti globali e locali di accesso ai servizi, nuovi prodotti e tecnologie, richiedono una nuova progettualità e l’integrazione di sistemi di controllo e gestione complessi.
Una casa moderna è, o dovrà essere, dotata di una serie di impianti e sistemi, il cui controllo è fondamentale per la gestione ottimizzata della stessa che garantisca il confort e l’efficienza energetica. Il controllo e la gestione investirà i sistemi di condizionamento invernale ed estivo, l’illuminazione artificiale, la ventilazione, la produzione di acqua calda sanitaria, la gestione dei carichi elettrici, con il controllo gerarchizzato degli elettrodomestici, gli allarmi tecnici e la logistica della casa. Ad esempio gli impianti di illuminazione artificiale stanno subendo processi innovativi molto rapidi, sia per la realizzazione di lampade e corpi illuminanti ad elevata efficienza luminosa, sia per la gestione dell’impianto stesso. L’integrazione con la luce naturale e la >dimmerizzazione sono alcune innovazioni che possono trovare la migliore applicazione proprio con sistemi intelligenti. I consumi elettrici sono pesantemente influenzati anche dagli elettrodomestici e apparecchiature di cui le nuove abitazioni sono piene. Sé è difficile pensare a una riduzione degli elettrodomestici, è possibile ottimizzarne la loro utilizzazione, riducendo i picchi di carico grazie a programmi di lavoro sfalsati temporalmente in funzione della fascia multi oraria del costo del kWh elettrico. Gli elettrodomestici, che andranno gestiti in funzione delle loro priorità di attivazione degli assorbimenti dei singoli apparecchi e del tempo di funzionamento, la potenza assorbita da ciascun apparecchio, è il parametro di controllo principale. Evidentemente in questo caso è fondamentale lo sfasamento temporale per il funzionamento degli apparecchi in funzione dei carichi di picco, delle tariffe elettriche e che, nella maggior parte delle abitazioni la potenza del contatore è di 3kW.
Infine da non sottovalutare la gestione dell’involucro edilizio, che si propone non solo come regolatore efficiente dei flussi termici dell’edificio, ma anche come fonte di energia (è il caso del fotovoltaico integrato nell’edificio). La gestione riguarda essenzialmente le superfici trasparenti e la loro possibilità di adeguarsi alle condizioni ambientali, i sistemi per raggiungere tale obiettivo sono diversi, ad esempio tapparelle automatizzate, elementi schermanti fissi e mobili, infissi integrati con le rinnovabili ecc.
Da quanto descritto emerge l’importanza del controllo dei vari impianti del sistema edificio, ma, al tempo stesso, anche il fatto che tali sistemi non possono essere gestiti separatamente, se si vogliono massimizzare i benefici derivanti dall’installazione di un sistema intelligente. L’integrazione tra le varie parti si propone quale nodo cruciale della questione e richiede l’analisi dei fattori fisici che intervengono nei vari fenomeni.
In questa ottica la Smart House è importante conoscere i diversi sistemi e saper individuare quello che dal punto di vista costo –beneficio risulti essere il migliore con cui si deve dotare l’edificio, per un controllo adeguato dei vari sistemi. Risulta determinante definire il tempo in cui la casa è abitata: il profilo di utenza, infatti, è diverso da famiglia a famiglia (singola, anziani, giovane coppia, con figli ecc.) . Infatti, in funzione dell’assenza o del livello di occupazione dell’ambiente interno, alcuni sistemi dovranno essere attrezzati e configurati in modo da poter ricevere input specifici (ad esempio: set-point di riscaldamento (o raffrescamento o ventilazione) meno gravosi dal punto di vista energetico, spegnimento dell’impianto di illuminazione artificiale, oscuramento dell’involucro in estate per ridurre gli apporti solari, spegnimento degli elettrodomestici non controllabili a distanza per ridurre i consumi degli stand-by, eccetera) e saper rispondere e gestire i sistemi nel modo più efficiente per il confort e la riduzione dei consumi, rispettando come minimo la parità di confort. Ne discende che sarà necessario esaminare singolarmente le tipologie e le caratteristiche dei singoli impianti per individuare i parametri da considerare e metterli a “sistema” per la Smart House.

Attivazione degli impianti e individuazione dei parametri fisici per gli algoritmi di controllo
La presenza di un sistema intelligente e di sensori per il controllo dei vari impianti ed apparecchiature non sono sufficienti a fare operare il sistema in modo integrato. Il vantaggio di soluzioni tecnologiche di questi tipo, consiste nell’individuare il modo in cui le varie componenti del sistema interagiscono tra di loro ed individuare la configurazione di minimo consumo energetico, garantendo le condizioni di comfort ambientale. La linea di ricerca è dunque individuare le variabili (in senso fisico ed analitico) dei vari impianti e trovare degli algoritmi generali, controllati dal sistema centrale, che ottimizzino la resa energetica dell’edificio.
Come esempio di procedura di ricerca, si analizza il caso dell’impianto di climatizzazione estiva nell’edificio sperimentale “Casa Intelligente” realizzata da ENEA nel Centro Ricerche di Roma- Casaccia. Come detto il parametro ambientale di controllo è la temperatura dell’aria interna, tuttavia i fenomeni che influiscono su tale temperatura e, quindi sul controllo, sono numerosi:

• condizioni ambientali esterne (temperatura, umidità, radiazione solare);
• apporti solari ed illuminazione naturale (fattore solare e trasmittanza luminosa dei vetri elettrocromici);
• ricambio d’aria esterna di ventilazione (portata e condizioni termoigrometriche dell’aria esterna);
• illuminazione artificiale (contributo di illuminazione naturale, dimming delle lampade);
• altri carichi elettrici (energia elettrica assorbita, energia termica ceduta, tempo di funzionamento);
• comportamento dell’utente.

I punti precedenti evidenziano l’esistenza di un sistema non lineare di difficile gestione. Gli algoritmi di controllo devono essere ben calibrati per non vanificare i possibili benefici ottenibili. Ad esempio, scurire i vetri elettrocromici consentirà di ridurre i carichi di condizionamento, ma probabilmente causerà l’accensione della luce artificiale, con un doppio effetto negativo: maggiori carichi elettrici e contributo al carico di condizionamento per la dispersione termica delle lampade. L’algoritmo dovrà quindi assicurare un vantaggio energetico con la nuova configurazione degli impianti definita dal sistema intelligente.
Da queste considerazioni può immaginarsi una matrice parametri fisici/impianti, che, sebbene allo stato embrionale, possa dare un quadro sulla complessità del sistema da risolvere.
Gli ulteriori vantaggi del sistema di una Smart House si possono sintetizzare nella grande flessibilità in quanto è possibile modificare facilmente la configurazione del sistema sia in corso d’opera sia a installazione finita e nella multifunzionalità a cui il sistema può rispondere in funzione delle nuove esigenze richieste dall’utente e di quelle offerte dal mercato.

Di Gaetano Fasano

Laureato in  architettura nel 1977 all’Università La Sapienza di Roma, Gaetano Fasano lavora presso l’Unità Tecnica per l’Efficienza Energetica dell’ENEA. Esperto di tecnologie e tecniche nel settore civile per l’efficienza energetica e la sostenibilità negli edifici: specialista di sistemi tecnologici per  lo SMART BUILDING, NEZb, e sistemi impiantistico energetici avanzati, per il recupero energetico-ambientale del parco edilizio.
Ha progettato il Laboratorio “Casa Intelligente” nel CR ENEA Casaccia-Roma. Dal 2010 è responsabile del servizio UTEE-ERT settore civile. Partecipa a gruppi di Lavoro per il MiSE e MATTM ed in progetti nazionali e internazionali. Ha sostenuto decenze presso l’Università di Roma 3 nella facoltà di architettura per il corso di Fisica Tecnica.