2.3. Efficienza energetica. L efficienza energetica negli edifici CASE HISTORY 01 EFFICIENZA ENERGETICA. di Cristiano Binasco

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1 EFFICIENZA ENERGETICA L efficienza energetica negli edifici di Cristiano Binasco 2.3 Efficienza energetica CASE HISTORY 01 LA RISTRUTTURAZIONE DEL SISTEMA DI CONTROLLO DELL IMPIANTO DI CLIMATIZZAZIONE DEI MAGAZZINI DEL COTONE NELL AREA DEL PORTO ANTICO DI GENOVA Lo spreco è peggiore della perdita. Presto arriverà il momento in cui ogni persona che vanti una qualche abilità terrà sempre dinanzi agli occhi il problema dello spreco: la parsimonia ha un campo d azione illimitato. Thomas Alva Edison 58 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 59

2 Premessa Porto Antico e Magazzini del Cotone Se ci si ferma un attimo a riflettere può risultare curioso riscontrare come la tendenza al risparmio sia da sempre connaturata all uomo e alla sua necessità di sopravvivere sul pianeta dove abita. Quest indole parsimoniosa è però diventata obsoleta in seguito alla scoperta e all utilizzo dei combustibili fossili, tanto da diventare, addirittura, indice di indigenza ed inferiorità. Inoltre la continua disponibilità di energia, ci ha reso insensibili alle problematiche legate alla sua generazione e, se da un lato ha migliorato le condizioni di vita di una parte del genere umano, dall altro ha peggiorato quelle del pianeta sulla cui superficie la totalità di noi cerca di vivere. Ma negli ultimi tempi qualcosa sta cominciando a cambiare, deve cambiare. Oggi i moderni sistemi elettronici e software sono in grado di razionalizzare al meglio l utilizzo dell energia in ogni campo della nostra esistenza. In un parco immobiliare come quello italiano, costituito per la maggior parte da edifici storici o impossibili da demolire, l opportunità di razionalizzare l utilizzo dell energia, senza interventi invasivi su strutture o impianti, è una capacità che dobbiamo assolutamente sfruttare. È possibile dotare qualsiasi impianto di un corpo funzionante, con estremità in grado di muoversi e compiere azioni, e di un cervello capace di impartire ordini. Ma serve la nostra intelligenza per farlo funzionare. Serve la nostra intelligenza per decidere di usarlo. L utilizzo delle energie primarie è un costo che l umanità paga ogni giorno non più solo in termini meramente economici. Oggi il Porto Antico si estende sull area una volta occupata dal vecchio porto commerciale della città. Il porto comincia la sua attività intorno all anno mille e prosegue aumentando man mano le proprie dimensioni fino al 1900 quando, a causa del progressivo spostamento dei traffici commerciali verso le coste del ponente cittadino, la vecchia area rimane inutilizzata fino alla totale ristrutturazione avvenuta nel 92 in occasione delle Colombiadi. La progettazione dell intervento viene affidata all architetto genovese Renzo Piano il quale si propone, da subito, di restituire l area alla città realizzando qualcosa di fruibile dalla cittadinanza anche dopo le celebrazioni. Oggi l area comprende m 2 di superficie, di cui coperti e all aperto, ed è costituita da una pluralità di edifici a loro volta suddivisi in ambienti con destinazioni d uso totalmente differenti. Come molte delle costruzioni presenti nell area, i Magazzini del Cotone mantengono il nome che un tempo ne indicava la funzione. Si estendono per una lunghezza di 600 metri fronte mare e sono composti da nove moduli identici fra loro di quattro piani ciascuno, più l ultimo edificio architettonicamente indistinguibile ma non modulare. I primi quattro moduli ospitano ambienti differenti con destinazioni d uso che vanno dal commerciale al terziario, i moduli 5 e 6 ospitano prevalentemente sale cinematografiche e ambienti a esse asserviti, i moduli 7, 8, 9 ospitano auditorium e sale conferenze. Tutti i locali sono in concessione alla Porto Antico di Genova Spa e vengono affittati permanentemente, nel caso delle attività commerciali, o saltuariamente, nel caso delle sale conferenze. Descrizione dell impianto originale Per questo motivo dovremo necessariamente ricorrere a quelle capacità di cui parla Thomas Edison, quell indole che ci ha permesso di uscire da alcuni dei periodi più difficili della nostra storia, perché ancora una volta, ora come allora, è questione di sopravvivenza. Sostanzialmente l impianto si puo dividere in tre parti distinte, i generatori di calore (caldaie o gruppi frigoriferi), le CTA (Centrale di Trattamento Aria) e i terminali di impianto in ambiente (VAV o CAV). Gli scambiatori di calore posti all interno delle CTA ricevono i fluidi, caldi o freddi, direttamente dai generatori di calore, mentre l aria, movimentata dai ventilatori di ripresa e mandata, investe tali scambiatori e viene da essi pretrattata. 60 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 61

3 Poi, attraverso la rete di canali, l aria giunge fino ai terminali ambiente che, sempre grazie a scambiatori collegati ai generatori di calore, si occupano di affinarne ancora la temperatura prima di riversarla in ambiente. L impianto originale del 92 è un impianto a portata di aria variabile, (VAV), che sta a significare che la quantità di aria immessa in ambiente non è sempre costante, ma varia in base alle necessità di energia del locale. È composto da nove centrali di trattamento aria ubicate sulla copertura dei moduli e realizzate in maniera da risultare integrate nella copertura. Delle nove centrali, otto servono l impianto VAV costituito da 512 cassette terminali divise fra CAV (Constant Air Volume) VAV (Variable Air Volume) di ripresa e VAV di mandata. Le CTA in copertura prevedono i seguenti trattamenti: ripresa dagli ambienti tramite ventilatore centrifugo a doppia aspirazione a pale rovesce da m 3 /h; sistema a tre serrande con serranda aggiuntiva in modo da garantire la minima aria esterna; scambiatore in rame-alluminio di preriscaldo, alimentato con acqua calda proveniente dalla centrale termica; sezione di umidificazione; scambiatore in rame-alluminio di raffreddamento e deumidifica alimentato con acqua refrigerata proveniente dalla centrale frigorifera; mandata agli ambienti tramite ventilatore centrifugo a doppia aspirazione a pale rovesce da m 3 /h. Le cassette CAV sono terminali di impianto costituiti da una batteria di postriscaldo e da una serranda regolata da una molla precaricata che ha lo scopo di mantenere costante la portata di aria variabile fornita dalla CTA. L aria trattata dai CAV è utilizzata dai diffusori lineari per abbattere il carico termico delle vetrate. Le cassette VAV sono di due tipologie differenti: di ripresa e di mandata. I terminali di ripresa sono composti da una serranda di regolazione azionata da un servocomando modulante e presentano una sonda per la lettura della temperatura ambiente nei locali. I VAV di mandata oltre alla serranda di regolazione, montano una batteria di postriscaldo e sono collegati a diffusori in grado di modificare l orientamento del lancio dell aria trattata a seconda della stagione. Si occupano del condizionamento degli ambienti interni e ogni VAV è dotato di una sonda di P dinamico collegata a un trasduttore di pressione. Tutto l edificio era già in origine regolato e supervisionato da un sistema apposito. Al momento del nostro sopraluogo, le CTA erano controllate da un sistema a moduli componibili, ognuno con una funzione specifica e separata, in grado di gestire tutte le funzioni proprie della centrale. La regolazione degli ambienti avveniva tramite la sonda di temperatura che, azionando la serranda del VAV, innalzava o diminuiva la pressione sulla condotta di mandata. Tale innalzamento di pressione provocava la proporzionale chiusura della serranda sulla bocca aspirante del ventilatore e la conseguente diminuzione della portata d aria principale. Il loop di regolazione dei terminali VAV era gestito da un regolatore accentratore che raggruppava più controllori e che, interpretando la lettura della sonda, comandava i motori modulanti delle serrande e delle valvole a tre vie poste su ciascuna batteria. Le valvole a tre vie erano del tipo con attuatore elettrotermico. Gli interventi Nel 2006 comincia la ristrutturazione che riguarda i primi otto moduli, lasciando per il momento da parte il modulo 9 e l ultimo edificio non modulare. La nostra prima osservazione ha avuto come oggetto il funzionamento delle serrande montate sulla bocca aspirante dei ventilatori di mandata delle CTA poste in copertura. Tali organi erano in grado di agire solamente sulla portata di aria in mandata restringendo o aumentando la sezione della bocca di aspirazione. Questo tipo di regolazione meccanica, che si traduce nei fatti in una semplice strozzatura, non aveva però alcun effetto sul motore del ventilatore che continuava a girare alla velocità preimpostata e conseguentemente ad assorbire la medesima quantità di energia indipendentemente dalla quantità di aria mandata agli ambienti. In definitiva il regolatore poteva modulare la quantità di energia inviata agli ambienti ma non la quantità di energia utilizzata per produrla, che rimaneva costante per tutto il periodo di condizionamento. Per ovviare a tale problema il primo intervento effettuato ha eliminato le serrande di regolazione delle CTA dei primi otto moduli e le ha sostituite con convertitori di frequenza (inverter) in grado di variare i giri del motore del ventilatore. Gli inverter sono quindi stati messi in comunicazione con i regolatori e con il sistema di supervisione originale. 62 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 63

4 Così facendo si è potuta legare la richiesta di energia dei locali alla quantità di energia prelevata dalla rete. Terminata la sostituzione delle serrande, ci si è occupati della rete dati e degli organi componenti il vecchio sistema di regolazione. La lavorazione ha coinvolto due moduli per volta, partendo dai primi due che la proprietà indicava come i più energivori. La rete di comunicazione originaria è stata interamente eliminata e sostituita con nuove linee. I vecchi quadri di regolazione sono stati modificati inserendo al loro interno un router dedicato al singolo modulo e un regolatore per ogni UTA. Il collegamento orizzontale tra il server e i quadri delle CTA è stato realizzato in fibra ottica, mentre i VAV sono stati legati al router tramite un tratto verticale realizzato con cavo schermato di rame. I vecchi regolatori erano separati dal motore della serranda e, come detto in precedenza, raggruppavano più terminali, cosicché il guasto di un accentratore causava l interruzione del servizio di tutti i terminali a esso collegato, privando del comfort intere zone del fabbricato. Specifiche software e logica di funzionamento Il sistema di regolazione, progettato per garantire specifiche condizioni ambientali in abbinamento a un basso consumo energetico e a un sistema di gestione e supervisione di semplice utilizzo, è basato sui seguenti componenti fondamentali: controllore per terminali: appositamente progettato per controllare unità VAV (Variable Air Volume) e CAV (Constant Air Volume). Ne viene installato 1 su ciascuna cassetta VAV o CAV controllore quadro UTA: è un controllore di utilizzo generico. Ne viene installato 1 per ciascuna UTA (Unità Trattamento Aria); router: si tratta di un dispositivo BACnet che permette la comunicazione tra i vari componenti dell impianto; server: è un calcolatore sul quale è installato il software di supervisione e controllo. Se collegato a Internet permette l accesso al sistema da un qualunque PC dotato di browser. Tutti questi componenti sono tra loro collegati in rete, ma sono operativamente indipendenti. Questa particolarità garantisce una serie di vantaggi come: lo scambio di dati tra i vari controllori con conseguente ottimizzazione dei dispositivi di I/O. Il caso tipico è quello del valore della temperatura esterna, utilizzato da una moltitudine di programmi, ma letto in un unico punto e successivamente espanso in rete; la gestione centralizzata del sistema tramite il programma di supervisione, l indipendenza funzionale di ogni dispositivo in caso di guasto. Ogni edificio è asservito a una UTA, installata sul tetto dell edificio, che provvede a fornire aria calda / fredda ai terminali che si trovano in ciascuno dei 4 piani dell edificio. Fig. 1. Panoramica dei Magazzini del Cotone, Porto Antico 64 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 65

5 Ciascun piano è idealmente formato da sei zone climatiche. In ogni zona climatica la temperatura ambiente viene rilevata da una sonda, collegata con uno dei controllori installati sulle singole cassette CAV o VAV. Le due zone laterali, corrispondenti alle vetrate, sono servite da una coppia di CAV. Le quattro zone interne sono climatizzate da due VAV ciascuna, e fra di essi è posto un VAV di ripresa. Il server è invece unico per gli otto edifici e per quanti altri eventualmente si decidesse di includere nello stesso sistema di supervisione. L impostazione di programmi orari per ogni singola zona permette di definire i momenti nei quali l impianto è in piena efficienza (in stato di occupazione ) e al di fuori dei quali esso si preoccupa di garantire una temperatura di mantenimento. Cassette VAV di mandata Ciascuna cassetta VAV di mandata riceve l aria pretrattata direttamente dalla UTA in copertura e si occupa di regolarne temperatura e quantità. Il software, tramite algoritmo PID, controlla la valvola di regolazione della batteria e il servomotore della serranda in modo da arrivare al setpoint utlizzando la minor quantità di energia possibile, ma mantiene sempre costante la minima quantità di aria esterna necessaria al ricambio. Nella stagione estiva, non essendo dotato di una batteria fredda, il VAV utilizza, per regolare la temperatura ambiente, le sole serrande, e riceve aria fresca direttamente dalla UTA. Il software provvede inoltre a orientare le bocchette che immettono aria in ambiente in posizione invernale / estiva a seconda che la UTA stia fornendo aria calda / fredda. Cassette CAV Funzionano esattamente come le cassette VAV di mandata, con la sola differenza che forniscono un flusso d aria costante e non modificabile dai vari algoritmi operanti sui controllori. Gli attuatori delle serrande sono quindi del tipo ON/OFF. Unità di trattamento aria L Unità Trattamento Aria (UTA), invia ed estrae aria attraverso i terminali di mandata e ripresa, sempre nella corretta quantità, e preoccupandosi di riutilizzare tale aria nel caso le caratteristiche lo permettano. La logica di funzionamento della UTA è basata sulla raccolta delle richieste, tanto in termini di temperatura quanto di quantità d aria, inviate tramite la rete dalle singole cassette di mandata. Il software riceve e somma i singoli valori di portata d aria provenienti dalle cassette di mandata e determina di conseguenza un proprio setpoint espresso in termini di pressione statica rilevata all interno del plenum. Tramite un algoritmo PID, il programma cercherà di raggiungere il setpoint aumentando poco alla volta la frequenza dell inverter che gestisce il ventilatore di mandata e farà in modo di garantire l arrivo dell aria anche al diffusore più lontano. La velocità del ventilatore di ripresa, controllato anch esso da un inverter, è gestita con gli stessi meccanismi appena descritti, con l unica differenza che qui il setpoint, espresso in termini di pressione statica rilevata all interno del plenum di ripresa, è fornito dall amministratore di sistema come percentuale rispetto al setpoint di mandata. Il funzionamento in free cooling viene abilitato quando concorrono determinate condizioni impostate. Un apposito algoritmo PID fornisce la percentuale di attività alla quale l economizer deve attenersi. La procedura di deumidifica viene automaticamente attivata nel caso l umidità relativa rilevata nel plenum di ripresa superi una soglia inizialmente impostata al 60%. La serranda denominata minima aria esterna viene aperta al momento dell entrata in funzione della UTA. La percentuale di apertura è fornita da un parametro modificabile dall utente. I ventilatori di espulsione dei servizi igienici si attivano a seguito dell entrata in funzione del ventilatori di mandata: l utente può comunque forzare il funzionamento manuale di questi ventilatori. Cassette VAV di ripresa Questo tipo di dispositivo ha il compito di riprendere dall ambiente l aria immessa dalle cassette CAV e VAV di mandata, inviandola al plenum di ritorno della UTA. Il software somma la quantità di aria immessa dalle mandate e modula di conseguenza la serranda di ripresa. 66 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 67

6 Conclusioni L introduzione dei nuovi regolatori elettronici, dei convertitori di frequenza e sopratutto delle nuove logiche, pensate per una totale integrazione dei componenti di impianto, ha permesso il passaggio da un sistema inefficiente a uno efficiente, senza la sostituzione delle CTA e dei terminali VAV. L utilizzo del BACnet come protocollo di comunicazione ha garantito l interoperabilità tra elementi diversi, trasformando un insieme di elementi in un organismo completo e funzionante, gestito da un cervello centrale in grado di apprendere dalle proprie esperienze. Il comfort deve essere una conseguenza della corretta gestione dell energia e non un fine da perseguire indipendentemente da ogni altro aspetto, perché così facendo si ottiene esattamente l effetto contrario. Il diagramma di Figura 2 rappresenta l andamento dei consumi elettrici dei Magazzini del Cotone, dove la linea continua è relativa ai moduli 1-2. Il grafico mostra chiaramente un primo crollo dei consumi che fa riferimento all inserimento degli inverter, e una seconda forte diminuzione riconducibile alla messa in rete del nuovo sistema di supervisione e controllo. In definitiva, se da una parte la notevole e progressiva diminuzione delle lamentele da parte degli inquilini evidenziava un aumento del comfort, dall altra i dati delle assorbite elettriche dimostravano come il nuovo sistema avesse prodotto un risparmio di energia del 66%. Fig. 2. Andamento dei consumi elettrici 68 LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica LA SFIDA DELL EFFICIENZA > 2. Efficienza energetica 69