L’uso dei sensori negli Smart Building 2.0

Le stime indicano che gli edifici consumano circa il 40% di tutta l’energia fornita dalle utility. È noto che gran parte di questa energia viene sprecata a causa dello scarso controllo sugli impianti di riscaldamento e di ventilazione nonché dall’illuminazione inutile di locali vuoti o già rischiarati dalla luce ambiente naturale. Le preoccupazioni circa le emissioni di gas a effetto serra e l’aumento dei costi dell’energia stanno convincendo i proprietari e gli utenti degli immobili a ridurre gli oneri legati alle bollette e a migliorare le credenziali ambientali, evitando inutili sprechi di energia. Il desiderio di risparmiare energia è sempre più evidente in tutti gli aspetti della progettazione edilizia, dalle questioni fondamentali come la scelta dei materiali, all’ottimizzazione dell’orientamento dell’edificio e del layout interno per conseguire il miglior uso della luce naturale, spingendosi fino all’integrazione di controlli intelligenti per il riscaldamento, la ventilazione, il condizionamento (HVAC) e l’illuminazione. I controlli intelligenti che permettono di ottimizzare su base continua HVAC e illuminazione, spegnendo le apparecchiature nelle aree non occupate, possono essere efficaci sia negli edifici di nuova costruzione sia negli edifici esistenti. Per un edificio intelligente, la capacità di percepire le condizioni dell’ambiente e le attività degli occupanti, associate alla possibilità di regolare le impostazioni secondo target prefissati o variabili, rappresentano delle caratteristiche ormai fondamentali. Il sistema di automazione di un edificio (Automation Building System – BAS), deve essere in grado di coordinare più sistemi. Il BAS può essere utilizzato per raccogliere dati per vari scopi. Un esempio è il calcolo delle emissioni di gas serra, utile per generare i report di sostenibilità aziendale o per allertare le squadre di manutenzione su guasti imminenti, aiutandole a coordinare gli orari di lavoro e a minimizzare i disagi e i tempi di fuori servizio. Inoltre, un BAS capace di ottimizzare su base continua la temperatura, la qualità dell’aria e l’illuminazione può anche migliorare il comfort per gli occupanti dell’edificio. Le funzioni chiave, quali appunto il rilevamento dell’occupazione di uno spazio, il monitoraggio della qualità dell’aria e la misurazione della temperatura, garantiscono ai vari tipi di sensore delle interessanti opportunità di sviluppo. I ricercatori ritengono che il mercato globale per i sensori utilizzati in applicazioni edili abbia attualmente raggiunto un valore di circa 2 miliardi di dollari. Le prospettive di crescita aumenteranno man mano che le aziende capiranno che le tecnologie di smart-building sono in grado di fornire un ritorno sugli investimenti più rapido rispetto quanto si possa credere. Una relazione del 2012 dell’Economist Intelligence Unit ha rivelato che due terzi dei costruttori edili intervistati ritiene di avere significativamente sovrastimato il costo di costruzione degli edifici energeticamente efficienti.

Le tecnologie intelligenti disponibili

La capacità di rilevare se una stanza o un’area sia occupata o meno costituisce un requisito ovvio e piuttosto essenziale per un edificio intelligente. In passato, nei bagni, venivano appesi dei cartelli che chiedendo agli utenti di assicurarsi di spegnere le luci prima di uscire dalla stanza. Il rilevamento di occupazione consente ora all’edificio di verificare automaticamente l’uso di qualsiasi area, spegnendo o abbassando le luci o rallentando il riscaldamento per risparmiare energia e quindi ridurre le bollette. Le informazioni dai sensori di presenza della stanza possono essere utilizzate anche per migliorare la sicurezza. Se i sensori sono distribuiti in tutto l’edificio, il BAS può implementare algoritmi di sicurezza per individuare modelli anomali che derivano da accessi non autorizzati. Rispetto ai tradizionali sensori passivi a infrarossi (PIR), i più recenti sensori a infrarossi basati su MEMS (come i modelli Omron D6T di figura 1 e Panasonic serie Grid-EYE), sono in grado di fornire una base più affidabile per il rilevamento di presenza. A differenza di un sensore PIR, che si basa sul movimento per rilevare una presenza, questi nuovi sensori MEMS-based sono in grado di determinare l’occupazione valutando il calore del corpo, trasmettendo attraverso un’interfaccia a due fili i valori di temperatura misurati. Il sensore può valutare variazioni di temperatura di soli 0,15° con una risposta estremamente veloce. Un’unità centrale a plafoniera contenente un sensore D6T con un array da 16 x 16 pixel è in grado di coprire una zona di 6m x 6m e di individuare con precisione una persona all’interno dell’area. I prodotti della serie Grid-EYE AMG88xx prevedono un array di sensori da 64 pixel (8 x 8), e possono operare da 3,3V a 5V, con opzioni di amplificazione ad alto guadagno o basso guadagno. Inoltre, sia il D6T sia il Grid-EYE possono essere utilizzati per monitorare la temperatura di una stanza, controllando quindi il livello degli impianti di riscaldamento e di raffrescamento per mantenere livelli ottimali di temperatura senza sprechi di energia. Utilizzando i dati provenienti dai sensori di luce ambientale, nei locali occupati è possibile risparmiare energia regolando le luci ad un livello ottimale. Questo sistema è particolarmente efficace se l’edificio è concepito per fare il miglior uso possibile della luce naturale attraverso, ad esempio, un’attenta distribuzione e un accurato posizionamento dei divisori interni, o attraverso l’uso di tubi solari per dirigere la luce supplementare in aree specifiche. Degli opportuni controlli autonomi di oscuramento permettono di utilizzare con parsimonia l’illuminazione elettrica, giusto per compensare i livelli di luce naturale solo se necessario. I prodotti NaPiCa di Panasonic sono sensori di tipo photo-IC altamente sensibili e calibrati per una risposta simile a quella dell’occhio umano. Questi sensori hanno un’uscita lineare, e sono ideali per il rilevamento dell’illuminazione ambientale o dell’illuminazione di sicurezza. Il rilevamento delle temperature dell’aria e la conseguente regolazione delle impostazioni del radiatore in ogni singola stanza, può contribuire a ridurre i costi di gestione delle apparecchiature di riscaldamento a gas o elettriche. Questo è un approccio più intelligente rispetto all’uso di un termostato centralizzato, che può causare l’attivazione di sezioni dell’impianto di riscaldamento per mantenere la temperatura ambiente a livelli superiori rispetto a quella che gli occupanti effettivamente desiderano. Il rilevamento della temperatura può essere effettuato utilizzando dei sensori a infrarossi, come ad esempio i sensori Panasonic Grid-EYE o Omron D6T citati in precedenza, o utilizzando una tecnologia alternativa come il termistore. I termistori sono disponibili secondo un’ampia varietà di forme, come ad esempio il chip in versione a montaggio superficiale Vishay NTCS0402E3, mostrato in figura 2, o i dispositivi incapsulati e dotati di terminali. Questi possono essere integrati nell’ambito di una unità, per esempio un modulo dedicato di rilevamento locale o un interruttore a parete. I termistori a montaggio superficiale, proposti da produttori quali TDK-EPC, AVX, Murata, Amphenol Advanced Sensors, Measurement Specialties e Vishay, occupano solo una piccola area sul circuito. Tali prodotti, offerti secondo una varietà di formati chip standard a partire dalla versione miniaturizzata 0201, mettono a disposizione un range di temperature operative che va da circa -40 °C/-55 °C a 125 °C/150 °C. Non è raro il caso in cui un sistema di riscaldamento giri a vuoto per mantenere una temperatura target in una zona in cui le finestre sono state lasciate aperte, o la ventilazione sia stata regolata manualmente per tenere l’aria dell’ambiente più pulita. Per evitare questi tipi di sprechi di energia, la tecnologia degli edifici intelligenti può fare uso di sensori di CO₂ che permettono di regolare automaticamente la ventilazione in modo da garantire una qualità dell’aria ottimale in ogni momento. Il controllo della ventilazione basato su CO₂ sta diventando sempre più comune nei sistemi HVAC commerciali. Amphenol offre una famiglia di sensori avanzati di CO₂ comprendente i moduli T6613 e T6615 (figura 3), progettati per i produttori OEM di apparecchiature smart-building. Per determinare la concentrazione di CO₂, i sensori utilizzano un rilevamento non dispersivo a raggi infrarossi. Il TT613 adotta la funzione brevettata di auto-calibrazione ABC Logic™ di Amphenol, mentre il TT6615 prevede un funzionamento dual-channel privo di calibrazione. La stessa tecnologia è presente anche nella serie di sensori T8000 per montaggio a parete. Questi vengono forniti pronti per l’uso in un contenitore con pannello LCD montabile a parete, e dispongono anche di un termistore integrato da 10kΩ per misurare la temperatura. Questa piccola selezione di dispositivi illustra solo alcuni dei tipi di sensori e attuatori che sono già disponibili per l’uso in apparecchiature per l’edificio intelligente. In prospettiva, le opportunità per utilizzare tali dispositivi all’interno di moduli di moduli intelligenti capaci di prendere decisioni in modo autonomo e di dialogare con il BAS senza bisogno di istruzioni saranno sempre maggiori. Navigant Research prevede che il volume di sensori avanzati crescerà dagli 1,8 milioni di unità del 2013 ai 28,4 milioni entro il 2020, con un fatturato annuo di 3,7 miliardi di dollari.

Prospettive per il futuro

Man mano che le soluzioni di building automation diventano sempre più intelligenti e sofisticate, e via via che gli utenti acquisiscono familiarità e chiedono funzionalità e prestazioni superiori, maturano i tempi per la Smart Building 2.0. Gli innovatori stanno lavorando per sviluppare tecnologie più avanzate. Queste permetteranno a reti differenti di entrare a far parte di un unico sistema connesso e coordinato, capace di supportare dei nuovi servizi per ottenere risparmi energetici ancora maggiori e migliorare il comfort. La crescita delle reti IP-based e delle applicazioni Internet of Things (IoT) sono due fattori che permetteranno alle reti di convergere, aiutando la crescita di servizi avanzati quali la gestione di strutture intelligenti basate su cloud. Laddove non sia giustificato un investimento in BAS sofisticati (specialmente per le realtà più piccole), i fornitori di servizi di smart-building possono sostituirsi e gestire i dati generati da più edifici, anche al di fuori dei confini regionali e nazionali. Tali economie di scala dovrebbero contribuire a ridurre il prezzo pagato dai singoli proprietari di immobili e dalle aziende per procurarsi il software, i servizi e il personale necessari per gestire un edificio intelligente, rendendo finanziariamente appetibili, anche alle imprese più piccole, soluzioni BAS e applicazioni di gestione energetica sofisticate. Pike Research ha previsto che entro il 2020, il mercato globale per i sistemi di gestione energetica per edifici crescerà dai meno di 2 miliardi di dollari del 2011 agli oltre 6 miliardi di dollari. Secondo il “Global Smart Buildings 2012–2017 Forecast” di IDC Energy Insights, questo costituirà solo una parte del mercato globale legato agli edifici intelligenti, settore che sta crescendo con un CAGR superiore al 27% e che entro il 2017 passerà dai 5,5 miliardi dollari del 2012 ai 18,1 miliardi dollari.

Conclusione

La crescente accessibilità e la continua domanda di controlli di efficienza dovrebbe sostenere la crescita nei mercati collegati alle varie tecnologie di building automation. Ciò favorirà l’avvento di ulteriori miglioramenti e innovazioni dei componenti – quali rilevatori di infrarossi, di luce ambiente, di CO₂ e di temperatura – utilizzati nelle prossime generazioni di sensori di base e di sensori intelligenti autonomi.

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