La presentazione di Gianluca Gatto (Università di Cagliari) in occasione dell'evento finale del progetto PRELuDE che si è tenuto online il 26 marzo 2021.

1. Progetto finanziato con fondi POR FESR 2014/2020 - ASSE
PRIORITARIO I “RICERCA SCIENTIFICA, SVILUPPO
TECNOLOGICO E INNOVAZIONE.

2. • Edifici e consumi di energia primaria
• Interazione dell’edificio nella rete energetica
• Paradigma del cognitive building
• Controllo avanzato dell’edificio.
• Inquadramento normativo e standard internazionali.
• Sensori low power low cost
• Standard radio (ZigBee, Z-Wave Bluetooth Low Energy)
• Protocolli impiegati
• Tecnologie Energy Harvesting per la riduzione dei consumi

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Edifici e Consumi Energetici Situazione Mondiale

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L’incidenza delle FER sui
consumi energetici finali è
stimata intorno al 18%.
Produzione Energia- Mondiale
11% associato alle
rinnovabili di ultima
generazione
7% alle biomasse
tradizionali.

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Nel 2018 la produzione globale di
elettricità da FER ha raggiunto quota
6.700 TWh (+5,3% rispetto all’anno
precedente), un valore pari ad un quarto
circa della generazione elettrica globale;
Reti Energetiche Produzione elettrica mondiale
Il contributo principale a questa
produzione deriva dal comparto
idroelettrico (41.268.203 TWh), seguito
da quello eolico (TWh) e fotovoltaico
(585 TWh).

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Reti Energetiche Situazione mondiale e nazionale

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Reti Energetiche Energia da FER (IT)

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Obiettivi strategici per la riduzione dei
consumi di energia e emissioni climalteranti
Accelerare il percorso di decarbonizzazione, considerando il 2030
come una tappa intermedia verso una decarbonizzazione
profonda del settore energetico entro il 2050
Transizione del sistema energetico
attuale verso un sistema basato sulle
fonti rinnovabili;
Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il
Clima – PNIEC- dicembre 2019
Promozione dell’elettrificazione dei consumi,
in particolare nel settore civile e nei trasporti.
Edifici

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Prestazione energetica degli edifici Normative- UNI EN 15232-1-2017
La Norma Europea pone in evidenza come l'inserimento negli edifici (residenziale e
terziario) di Sistemi di Controllo ed Automazione comporta una riduzione dei consumi
energetici in generale e principalmente dei più importanti.

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Prestazione energetica degli edifici Normative- UNI EN 15232-1-2017
Definisce quattro diverse classi di efficienza energetica per la classificazione
dei sistemi di automazione di edificio, valide sia per le applicazioni di tipo
residenziale che per le applicazioni di tipo non residenziale.

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Evoluzione della gestione degli
edifici ipotizzata da IBM (2006)
Analizza i consumatori di energia
+ Determina i consumi dei diversi
ambienti e le attività centrali.
-
Solo i punti principali sono
analizzati.
Apprende il comportamento
+
tiene in conto delle preferenze di
comfort degli utenti
-
colleziona contesti come meeting
e meteo
utilizza tecniche di controllo
predittivo
determina i flussi di energia e
l’occupazione degli edifici
+
+
Struttura complessa e una mole
enorme di dati da analizzare
+
Visualizza KPI
(key performnce indicator)
+ Consente di visualizzare
problemi generali
- Inadatto a identificare e gestire
i possibili sprechi di energia
+ Consente di fare delle
classificazioni

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Edifici-Abitazioni
Edifici
Nuove costruzioni
Patrimonio esistente
PNIEC- dicembre 2019

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Edifici
In Italia sono presenti 12.187.698 edifici e oltre 31
milioni di abitazioni (ISTAT 2018).
Condizione Nazionale
Il 15% degli edifici è stato realizzato prima del 1918.
Il 65% è stato costruito precedentemente
alla prima legge che introduceva criteri per
il risparmio energetico (1976).

14. Edificio Cognitivo
un’architettura di Cognitive IoT dovrà integrerà le
informazioni di migliaia di sensori presenti negli
edifici e dovrà essere in grado di apprendere i
comportamenti
Dovranno essere in grado di analizzare l’utilizzo
dello spazio, monitorare il comfort degli occupanti e
generare sistemi intelligenti per la gestione degli
edifici.

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Edifici
Un sistema completo di gestione energetica
degli edifici integra soluzioni di monitoraggio
e automazione in un unico sistema
Grazie all’ utilizzo di modelli matematici dinamici e
sulla base di varie misure e previsioni in tempo reale
sarà possibile sintetizzare un controllo ottimale al fine
di massimizzare il comfort ambientale e minimizzare
nel contempo i consumi energetici degli edifici.
Edificio cognitivo

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Sensori - Sistema monitoraggio
Parametri ambientali
Consumi elettrici
Consumi termici
Consumi acqua

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Sensori- Sistema di monitoraggio
Ridotta
invasività
Semplice
installazione.
Scalabilità ed
economicità
Ridotti consumi
energetici per unità di
informazione
Caratteristiche
Precisione e ripetibilità
della misura.
Robustezza e
affidabilità.
Ridotta
manutenzione .

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Tecnologia reti di sensori
Alimentazione a rete e
linea dati indipendente
Reti
Cablate
Alimentazione a rete e
linea dati comune (PLC) Necessità di
interventi strutturali
Costi elevati
Poco flessibile
Tecnologie Svantaggi
Caratteristiche

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Wi-Fi
Bluetooth LE
Z-wave
Rete
Wireless
Zig BEE
Flessibilità
impiego
Frequenze
operative
Banda passante
latenza
Robustezza
Consumi energia
Reti Mesh
Tecnologia reti di sensori

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Rete mesh ZigBee e Z-wave
Queste sono i due protocolli di trasmissione più
utilizzati nel campo della dell’automazione di edificio
ZigBee è uno standard Open molto
economico ma non garantisce la
perfetta compatibilità tra diversi
dispositivi.
Z-wave invece è uno standard Closed non
modificabile più costoso ma garantisce una
quasi totale compatibilità tra i dispositivi
realizzati da differenti costruttori.

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Reti mesh ZigBee e Z-wave

22. Reti di sensori Harvesting
Ricavare energia per la loro alimentazione
direttamente dall'ambiente in cui operano. Utile per alimentare dispositivi installati in siti non facilmente
raggiungibili e privi di fonti di alimentazione convenzionali.
Le applicazioni di energy harvesting sono progettate per essere
autosufficienti, riducendo sensibilmente i costi di manutenzione

23. Harvesting
Reti di sensori

24. Harvesting
Reti di sensori

25. Harvesting

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Densità di potenza media raccolta per unità di superficie
Fonte Densità [µW/cm²] Tecnologia
Vibrazioni 3.8
4
500
elettrostatica
elettromagnetica
piezoelettrica
Termoelettrica
Seebeck
60 5°C differenza di temperatura
Luce ambientale 3700
10
solare diretta
luce interna
Radio frequenza 0,10
0,85
GSM 900 MHz
LTE 2600 MHz
Rumore
acustico
0.003
0,96
a 75 dB
a 100 dB
Energy Harvesting Fonti Energetiche

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Progetto di ricerca sviluppato da Enea e INFM-CNR
Sensori - Biodegradabili Prospettive Future