SCHEDA TECNICA PROGETTO SCUOLA - Campus as Urban Open LAbs

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1 SCHEDA TECNICA PROGETTO SCUOLA - Campus as Urban Open LAbs La questione energetica e l integrazione di tecnologie intelligenti all interno delle realtà urbane sono aspetti fondamentali nella pianificazione delle città e del territorio. Gran parte dei consumi energetici avvengono nei centri urbani, principalmente in connessione ai settori residenziale, terziario e dei trasporti; gli obiettivi europei di efficienza energetica, l aumento della quota di rinnovabili e la riduzione delle emissioni climalteranti sono quindi, in parte consistente, declinati a questa scala. Ad oggi, le richieste di energia per la climatizzazione e la gestione degli edifici superano quelle per i trasporti e gli usi industriali. È evidente quindi come la questione energetica riferita al territorio e alla città abbia un ruolo per nulla trascurabile. Il progetto SCUOLA - Smart Campus as Urban Open LAbs ha come fine la sperimentazione di un sistema evoluto in grado di integrare in modo intelligente e coordinato vari aspetti afferenti al tema delle Smart Grid, della generazione innovativa da fonti rinnovabili e non, dell efficienza energetica degli involucri e degli impianti degli edifici, dell integrazione di tecnologie di comunicazione avanzate per fornire servizi al cittadino nella direzione della maggior vivibilità e partecipazione alla città. Il cuore del progetto (come testimoniato dalla capofila A2A) è certamente la rete elettrica, che mira ad accrescere la sua intelligenza mediante l introduzione di innovativi sistemi di comunicazione, di controllo e gestione, di sensoristica/automazione/protezione, e di moderni meccanismi di attuazione capaci di garantire lo sviluppo di tecnologie di produzione di energia elettrica e calore (soprattutto tramite generazione diffusa, GD), oltre che di avanzate tecnologie di accumulo, con l obiettivo di supportare il funzionamento efficiente e coordinato del complessivo sistema e di fornire vantaggi diretti ai cittadini (Figura 1 e Figura 2). Il sistema concepito nel Progetto diventa il motore per lo sviluppo di una vasta struttura produttiva in cui una molteplicità di attori possono implementare servizi smart real time per la gestione ottimale delle reti urbane, degli edifici e dei servizi al cittadino; il tutto a costi contenuti grazie all infrastruttura digitale e sensoristica urbana condivisa tra le applicazioni. L insieme delle applicazioni che saranno sviluppate durante il progetto è stato selezionato considerando i servizi più importanti per le Smart Grid: monitoraggio delle grandezze di rete e delle risorse di rete (GD; carico; accumulo) sulle reti MT e BT; controllo e gestione dei flussi di potenza della rete BT; automazione avanzata (selettività logica) e telescatto per la rete MT; controllo e gestione della GD e dell accumulo sulla rete MT e BT per fornire servizi di rete; controllo e gestione delle infrastrutture di ricarica smart dei VE per fornire servizi di rete; sviluppo di strategie di demand response. Per quanto riguarda, invece, le città e gli edifici, i servizi sono: impiego di sistemi PV con accumulo per autoconsumo, servizi di rete e recupero di calore; integrazione di pompa di calore (aria, acqua) per il condizionamento degli ambienti;

2 sistema termico multi-sorgente (caldaia, teleriscaldamento, geotermico, sistemi PV); integrazione sensori e attuatori per la gestione ottimale delle condizioni di comfort negli edifici (nella direzione di NZEB secondo la Direttiva 2010/31/EU sulla Prestazione Energetica degli Edifici) e per la gestione impiantistica; monitoraggio e controllo da remoto di sistemi efficienti di illuminazione di edificio; integrazione della infrastrutture di ricarica per i veicoli elettrici; integrazione piattaforme di ricarica smart per i dispositivi mobili degli studenti; sviluppo di un osservatorio e di modelli per analisi impiantistiche, economiche, ambientali; sviluppo visori e applicazioni smartphone. Figura 1. Schema generale di sistema.

3 Figura 2. Interfacce di comunicazione e moduli funzionali. I risultati attesi dal progetto consentiranno di migliorare la gestione della rete elettrica nel suo complesso, di aumentare la quantità di GD con elevati livelli di sicurezza e affidabilità dell intero sistema, di far fronte alle nuove problematiche di gestione e interazione di rete, carico, e GD, e di aumentare l efficienza energetica e il coinvolgimento degli utenti finali, attivi e passivi (anche mobili, come i veicoli elettrici), nella vita della città tramite servizi e sistemi pubblici di connettività. Il progetto prevedrà lo sviluppo a livello prototipale di tutti gli elementi innovativi descritti che saranno installati e testati in realtà fortemente ricettive, come quelle del territorio Milanese e Bresciano; i campus delle rispettive città saranno il principale luogo in cui effettuare i test e sviluppare i dimostratori finali; un edificio della Pubblica Amministrazione (come la scuola in zona 4 a Milano) e alcune abitazioni private chiuderanno il cerchio virtuoso permettendo di ottenere risultati che tengano in considerazione profili di consumo, necessità e servizi estremamente diversi e per questo di importante valore non solo scientifico ma anche sociale. Gli sviluppi del dimostratore PoliMI Le soluzioni tecnologiche del progetto SCUOLA saranno sperimentate nell Edificio 25, in via Golgi 40. Gli interventi proposti per la modifica e la riqualificazione dell impianto esistente dell Edificio 25 si possono riassumere nei seguenti punti: 1. realizzazione di impianto con pompa di calore ad acqua di falda; 2. riqualificazione degli impianti esistenti in copertura con installazione di una pompa di calore acqua-aria e di pannelli ibridi fotovoltaici termici (PTV) con sistema di accumulo; 3. utilizzo della riserva idrica antincendio come accumulo; 4. sostituzione delle UTA esistenti; 5. modifica degli impianti ad aria e ad acqua a portata variabile.

4 Pompa di calore ad acqua di falda L intervento consiste nell installazione di una pompa di calore avente potenza termica pari a 429 kw che scambia calore con l acqua di falda. La pompa di calore sarà ubicata al piano terra, nell area verde a fianco dell edificio 23, precedentemente occupata da un gruppo frigorifero. Sarà realizzato un locale prefabbricato per contenere la pompa di calore, le elettropompe del circuito di smaltimento e di quello lato impianto, il serbatoio del circuito condensazione, lo scambiatore di calore a piastre, le tubazioni di collegamento e tutti i componenti di intercettazione e controllo necessari (Figura 3). Figura 3. Installazione della pompa di calore ad acqua. L acqua sarà aspirata dalla falda sotterranea alla temperatura costante di 15 C tramite un pozzo di emungimento realizzato a fianco della pompa di calore. La stessa acqua, dopo aver attraversato lo scambiatore di calore, sarà reimmessa in falda tramite il pozzo di resa (Figura 4). Figura 4. Pozzi per la pompa di calore ad acqua.

5 La pompa sarà utilizzata per la produzione invernale di acqua calda a 40 C ed estiva di acqua refrigerata a 7 C, diventerà quindi il generatore principale a servizio dell edificio durante tutto l anno (i picchi di richiesta termica calore verranno integrati dalle caldaie esistenti). Riqualificazione degli impianti esistenti in copertura In copertura si procederà allo smantellamento del Gruppo frigorifero esistente e delle apparecchiature a servizio dello stesso. Al suo posto sarà installata una pompa di calore condensata ad aria, con potenza termica pari a 100 kw. La macchina funzionerà in parallelo alla pompa di calore acqua-acqua e sarà dotata di circuito di recupero termico (desurriscaldatore). In generale la pompa di calore acqua acqua che utilizza acqua di falda verrà utilizzata in precedenza rispetto alla pompa di calore acqua aria e rispetto alle caldaie in quanto dotata di migliore efficienza. Le caldaie saranno collegate in serie alle pompe di calore, inserite sulla mandata alle utenze in modo da poter svolgere le funzioni di integrazione e soccorso. In copertura saranno posate e collegate anche le elettropompe a servizio dei circuiti della pompa di calore, dei circuiti caldaia e quelle a servizio dei circuiti di recupero termico dell impianto fotovoltaico. In copertura, sulla falda esposta a sud saranno installati i pannelli che costituiranno l impianto fotovoltaico termico. Si tratta di moduli ibridi in grado di produrre energia elettrica mediante l irraggiamento delle celle fotovoltaiche ed energia termica tramite lo scambiatore di calore sulla superficie posteriore nel quale scorre un fluido che si riscalda per effetto del calore che la radiazione solare trasmette alle celle fotovoltaiche e che non viene trasformata in energia elettrica. Dal punto di vista termico i 40 moduli saranno suddivisi in quattro gruppi da 10 collegati in parallelo, di cui due faranno capo al circuito a servizio dell UTA1 e i rimanenti due faranno capo al circuito dell UTA2. In ogni caso tra il circuito solare e il circuito a servizio dell UTA sarà posto un serbatoio di accumulo sia per stabilizzare la temperatura, sia per separare idraulicamente i circuiti. L energia termica fornita dai pannelli fotovoltaici sarà utilizzata per le batterie di riscaldamento delle UTA durante l inverno (insieme al recupero termico degli estrattori) e per quelle di post-riscaldo durante l estate. L energia elettrica fornita dai pannelli fotovoltaici sarà utilizzata per coprire una parte del fabbisogno dell edificio; per massimizzare l autoconsumo, sarà installato un sistema di accumulo con batteria al sale. Utilizzo riserva idrica antincendio L impianto idrico antincendio presente a servizio dell Edificio 25 è dotato di una riserva idrica di capacità pari a 23 m 3. Tale vasca è ubicata in locale interrato nel cortile esterno tra l edificio 25 e l edificio 24 (Figura 5).

6 Figura 5. Vasca antincendio. L intervento permetterà di utilizzare la riserva idrica come accumulo di acqua refrigerata durante la stagione estiva. Per questo si procederà alla sistemazione della vasca mediante svuotamento, pulizia, sabbiatura e lavaggio. Per poter caricare la vasca con acqua refrigerata durante le ore notturne e poter utilizzare l accumulo durante le ore diurne, saranno installati una pompa sommersa, uno scambiatore di calore a piastre e un elettropompa sul circuito secondario. Tali apparecchiature saranno ubicate nel locale contatore, sovrastante la vasca stessa, che sarà opportunamente ampliato per poterle contenere. Le fasi di riempimento e di utilizzo della vasca saranno gestite in base a logiche di funzionamento precedentemente impostate nel sistema di supervisione. Sostituzione delle unità di trattamento aria esistenti Le Unità di Trattamento Aria (UTA) attualmente installate in copertura saranno smantellate e sostituite con gruppi di trattamento aria aventi la medesima architettura di quelle esistenti (sia per motivi di ingombro, sia per rispettare la posizione delle canalizzazioni esistenti) ma con caratteristiche migliori dal punto di vista dell efficienza e della funzionalità (Figura 6). In particolare i ventilatori saranno equipaggiati con motori con possibilità di funzionamento tramite inverter e la sezione di umidificazione sarà del tipo con pacco evaporante e acqua a perdere. Saranno inoltre sostituiti i circolatori a servizio dei circuiti di recupero. Le due unità di trattamento aria, aventi portata rispettivamente pari a m 3 /h e m 3 /h, saranno del tipo per installazione esterna, a struttura autoportante con pannelli modulari, telaio di base integrato e profili in alluminio sui lati superiori dell unità. Le UTA saranno composte dalle seguenti sezioni: sezione di aspirazione aria esterna con plenum aspirante e serranda in acciaio zincato; filtri a tasche con filtro piano su un telaio; sistema a batterie a circuito chiuso; batteria di raffreddamento;

7 umidificatore a pacco evaporante con acqua a perdere; batteria di riscaldamento; sezione ventilante. Le cassette di estrazione, aventi le medesime caratteristiche strutturali delle UTA, saranno composte dalle seguenti sezioni: sezione di estrazione aria con plenum aspirante e serranda in acciaio zincato; filtro piano con silenziatore; sistema a batterie a circuito chiuso; seziona ventilante. Figura 6. Installazione della nuova UTA. Modifica degli impianti ad aria e ad acqua a portata variabile L impianto aeraulico ad aria primaria e l impianto ad acqua calda/refrigerata del circuito ventilconvettori funzionano entrambi a portata costante. L intervento proposto modificherà gli impianti in modo da permettere il loro funzionamento a portata variabile. In particolare, la portata necessaria ai vari locali sarà regolata dalle sonde di CO 2 installate in ogni ambiente interno, le quali, sotto la supervisione del sistema di controllo, saranno in grado di aprire/chiudere le serrande poste in ciascuno spazio climatizzato; in base alla posizione delle serrande, il sistema di supervisione sarà in grado di regolare la velocità dei ventilatori di mandata e di ripresa installati in copertura. Per quanto riguarda l impianto aeraulico, le attività necessarie sono l equipaggiamento delle sezioni ventilanti di UTA e di cassonetti di estrazione con inverter e l installazione di regolatori di portata d aria (cassette VAV) sui canali di mandata e di ripresa. Le unità terminali VAV sono regolatori di portata d aria rettangolari per sistemi a portata variabile, per mandata e ripresa, con doppio isolamento interno fonoassorbente, costituite da un involucro a tenuta classe II, da una serranda con alette accoppiate, da una sonda di pressione differenziale e dal servocomando. In particolare, per ogni aula e per ogni area comune, si procederà al taglio del canale installato nel controsoffitto,

8 alla realizzazione delle controflange, all inserimento della serranda flangiata e al collegamento del servocomando. Il comando di regolazione della serranda sarà dato dal sistema di telecontrollo in base ai dati forniti dalla sonda di CO 2 presente negli ambienti (Figura 7). I ventilconvettori presenti nell edificio sono prevalentemente di marca Sabiana con elettrovalvola a due vie, solo all interno di un aula ci sono i mobiletti originali marca Aermec con elettrovalvola a tre vie che saranno quindi sostituiti. Verrà realizzato il controllo delle valvole in base alle grandezze rilevate in ambiente in modo da ridurre la portata del circuito, quando necessario. In aggiunta, gli studenti, tramite applicazione web, possono esprimere il proprio grado di comfort rispetto alla situazione impostata tramite la regolazione basata sui valori letti dalle sonde; le indicazioni raccolte dal sistema di supervisione potranno essere utilizzate per modificare i parametri di funzionamento degli impianti così da migliorare la vivibilità degli ambienti. Figura 7. Dettaglio dell installazione delle sonde di CO 2 e delle cassette VAV. Per rendere possibile la corretta regolazione degli impianti si procederà all implementazione del sistema di telecontrollo e supervisione (Figura 8).

9 Figura 8. Quadro di regolazione. Modalità di funzionamento La logica di controllo e regolazione delle UTA sarà mantenuta e ampliata con le funzionalità di nuova installazione. In inverno, con condizioni interne desiderate di 20 C e il 50% di umidità relativa, il trattamento prevede una fase di preriscaldamento dell aria dalla temperatura esterna (minima ipotizzata -5 C) alla temperatura di 22 C, seguita da una fase di umidicazione adiabatica con temperatura finale dell aria di 13 C e umidità relativa 85% e una successiva fase di post riscaldamento per portare l aria in uscita dalle UTA a circa 32 C. L umidificazione è effettuata mediante acqua riversata su pacco evaporante. La misura dell umidità è effettuata nel canale di ripresa generale attraverso una sonda. Se l umidità relativa si discosta dal valore desiderato in ambiente, pari al 50%, la valvola viene comandata in apertura per un tempo necessario a ristabilire il valore desiderato. La temperatura finale dell aria sarà regolata attraverso la batteria di postriscaldo, leggendo una sonda e comandando la valvola miscelatrice a tre vie. In estate, con condizioni interne desiderate di 26 C temperatura bulbo secco e 50% umidità relativa, il trattamento prevede una fase di raffreddamento con deumidificazione dell aria dalla temperatura esterna (massima ipotizzata 32 C) fino alla temperatura di 13 C e una successiva fase di post riscaldamento per portare l aria in uscita dalle UTA a circa 18 C. Si opererà il controllo e la regolazione della temperatura d aria in uscita dalla batteria di raffreddamento attraverso una sonda installata a bordo UTA a valle della batteria stessa e il comando della valvola miscelatrice a tre vie. La temperatura a bulbo secco della sonda nella stagione invernale è fissata a 13 C. La temperatura finale dell aria verrà regolata attraverso la batteria di postriscaldo leggendo una sonda

10 e comandando una valvola miscelatrice a tre vie. La batteria di raffreddamento sarà comandata anche da un regolatore di umidità per la deumidificazione estiva. In estate, in situazione di carico parziale, la quota di post riscaldamento sarà regolata in modo da risparmiare energia. Con i fan coil a temperatura alta (12 13 C), una quota del carico termico potrà essere coperta dall immissione di aria primaria, non riscaldata o riscaldata solo parzialmente a valle della deumidificazione. La regolazione terrà conto dell umidità dell aria esterna, dell umidità dell aria ambiente e del grado di occupazione degli ambienti. La regolazione consentirà di mantenere il comfort interno, senza dover abbassare la temperatura del fluido termovettore che alimenta il circuito ventilconvettori. Il sistema implementato potrà anche interagire con la rete elettrica in modo diverso a seconda del periodo. Nella stagione invernale sarà possibile modulare il carico fino a azzerarlo. Dal punto di vista del comfort ambientale si può agire con un rilassamento dei vincoli oppure con si può procedere all accensione delle caldaie ausiliarie per garantire il fabbisogno totale anche in condizioni di richiesta massima con pompe di calore spente. In quest ultimo caso, al fine di contenere i consumi energetici legati al mantenimento in temperatura delle caldaie, è necessario che la richiesta abbia un preavviso sufficiente a portare le caldaie in temperatura e abbia una durata significativa (> 1h). È possibile anche aumentare la richiesta elettrica rilassando i vincoli di comfort ambientale (si riscalda di più l ambiente o si produce calore in condizioni di minor efficienza per le macchine, incrementando la temperatura di mandata); ovviamente questi peggioramenti dell efficienza del sistema, sono possibilità teoriche, che potranno essere simulate, eventualmente sperimentare, ma che non costituiranno la prassi. Nella stagione invernale sarà possibile modulare il carico fino a azzerarlo per periodi molto limitati di tempo (<30 min.). È comunque possibile modulare la potenza, anche per durate di tempo dell ordine dell ora, peggiorando le condizioni di comfort interno (aumento della temperatura e dell umidità relativa, mantenendo però la qualità dell aria, misurata dalla sonda di CO 2 ). Principali vantaggi del progetto L obiettivo principale da sviluppare nel progetto è ridurre l impatto energetico mediante un azione diretta di controllo sugli edifici e sugli spazi. Sarà infatti previsto il coinvolgimento degli utenti finali nella gestione delle reti smart: la possibilità di consultare i propri consumi in modo agevole aiuterà i clienti finali ad acquisire maggiore consapevolezza e a perseguire comportamenti virtuosi, finalizzati ad un uso più efficiente dell energia elettrica anche su comando/impulso del distributore. In particolare, sarà sviluppato un sistema di Energy Management System (EMS) capace di definire i set point di funzionamento delle apparecchiature elettriche e di condizionamento in diverse logiche di esercizio. Nella logica massimo comfort l EMS definirà i set point di regolazione dell impianto utente in modo da garantire la massima disponibilità e funzionalità di tutte le apparecchiature in accordo con le esigenze dell utente, ottenute sia attraverso l elaborazione dei dati storici di utilizzo, sia sui comandi in tempo reale provenienti dall utente stesso. In questo scenario, non saranno forniti servizi alla rete e non saranno considerati gli eventuali segnali economici provenienti dal mercato.

11 Nella logica maggiore beneficio economico l EMS definirà i set point di regolazione dell impianto utente in modo da massimizzare i guadagni dell utente attraverso la partecipazione attiva ai mercati; il carico dell utente sarà opportunamente modulato in modo da rispondere ai segnali economici provenienti dal mercato elettrico (MGP) e offrire servizi di rete sul mercato dei servizi di dispacciamento, sia in fase di programmazione, sia in tempo reale. In questo scenario, non saranno considerate le richieste dell utente, ciò significa che le apparecchiature potrebbero non essere disponibili al cliente o potrebbero essere regolate senza considerare le richieste di variazione in tempo reale dell utente stesso. La logica mista sarà invece un insieme delle due precedenti; ciò significa che, in fase di programmazione, l EMS elaborerà sulla base dei dati storici di consumo e dei prezzi dei mercati elettrici (MGP, MSD) dei set point di regolazione capaci di ottimizzare l utilizzo degli impianti sia rispetto alle richieste dell utente (massimo confort) sia rispetto alla possibilità di partecipare attivamente al mercato (massimizzando i guadagni attraverso la variazione dei consumi e la fornitura di servizi di rete). Nella fase in tempo reale, invece, la fornitura di servizi di rete e la demand response saranno abilitate valutando la disponibilità del cliente a variare i propri consumi (e la relativa quantità di variazione) in funzione di un guadagno economico. Per garantire la reale applicabilità delle diverse logiche, sono stati previsti sistemi di regolazione, dotati di sensori in grado di monitorare i parametri ambientali negli edifici (temperatura, umidità CO 2 ) e di attuatori sui sistemi di condizionamento, connessi tramite tecnologia di comunicazione dati ibrida. I sensori e gli attuatori, alimentati via cavo o a batteria, comunicheranno con un controllore con anche funzioni di gateway. Attraverso questo sistema si potrà monitorare e comandare ogni singolo ambiente, sia da locale, sia da remoto, impostando set-point differenziati per orari e condizioni di occupazione. Il sistema di monitoraggio sarà in grado di auto apprendere l'inerzia termica dell'edificio e, in funzione dei calendari di funzionamento, gestire l'accensione/spegnimento intelligente dei sistemi di emissione o dei circolatori diminuendo i consumi e garantendo un maggior comfort ambientale. Analoghi sistemi di automazione permetteranno una gestione smart dell illuminazione. La presenza di gateway garantirà la gestione energetica complessiva (elettrica e termica) degli ambienti. I livelli di comfort saranno analizzati utilizzando gli indicatori di lungo termine (standard EN15251). Inoltre il progetto prevedrà l analisi degli effetti positivi sulla rete elettrica ottenuti da un intervento di ristrutturazione verso alte prestazioni energetiche di involucri e sistemi. Dati del progetto SCUOLA Il Progetto SCUOLA è stato selezionato all interno del bando del 29 marzo 2013 (chiuso il 13 giugno 2013) AVVISO PUBBLICO PER LA REALIZZAZIONE DI PROGETTI DI RICERCA INDUSTRIALE E SVILUPPO SPERIMENTALE NEL SETTORE DELLE SMART CITIES AND COMMUNITIES promosso da Regione Lombardia. Il progetto (ID ) si inserisce nell ambito sostenibilità ambientale, settore smart grids.

12 I partner di progetto sono di seguito elencati: 1. A2A (capofila) - GI 2. ADB BROADBAND SpA - GI 3. CPL CONCORDIA SOC. COOP. - GI 4. LU-VE SPA - GI 5. ITALDATA SPA - PMI 6. THYTRONICS SPA - PMI 7. SIEL SPA - PMI 8. CEL SPA - PMI 9. GFM-NET SRL - PMI 10. ECLIPSE ITALIA SRL - PMI 11. COSTER TECNOLOGIE ELETTRONICHE SPA - PMI 12. POLITECNICO DI MILANO - EPR 13. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BRESCIA - EPR Il progetto è risultato primo in classifica con un punteggio pari a 98/100 (79/100 di valutazione + 19/20 di premialità). Il progetto è partito il 1 marzo 2014 e si concluderà il 30 novembre Il costo complessivo ammesso del progetto è pari a ,36, il contributo complessivo concesso attualizzato è di ,64. Le pubbliche amministrazioni coinvolte sono i comuni di Brescia e Milano.

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