I Sistemi di Home & Building Automation per l'efficienza Energetica

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1 I Sistemi di Home & Building Automation per l'efficienza Energetica

2 La Mission di Schneider electric Produzione Energia Gestione Energia Utilizzo Energia Schneider Electric prodotti, soluzioni, servizi per rendere l energia Sicura Affidabile Efficiente Produttiva

3 Operiamo dove si concentra il consumo di energia Energia e Infrastrutture Industria Data center Edifici del consumo mondiale di energia Residenziale

4 Siamo lo specialista globale nella gestione dell energia Presenza geografica bilanciata (2011) miliardi nel 2012 % fatturato Nuove Economie Nord America 23% Resto Mondo 18% Europa 32% Asia Pacifico 27% Persone in 100+ paesi Fatturato in R&S4 Mercati finali diversificati (2011) Utility & Infrastrutture 24% Industria & macchine 22% Data centre 16% Edifici del Terziario 29% Residenziale 9%

5 R&S stimolata delle necessità dell EE Componenti Carburo di Silicio (SiC): componenti elettronici ad alte prestazioni energetica Micro & Nano Tecnologie per i sensori LED Sistemi Sistemi di comunicazione a bassi costi Algoritmi software adattivi: nuove applicazioni per ottimizzare i consumi di energia Componentistica per le autovetture elettriche Comunicazione Convergenza sulle reti e sulle tecnologie Web Standardizzazione per ridurre i costi Cristallo di Carburo di Silicio Integrazione di sensori multifunzione Micro Batterie & comunicazioni wireless

6 The Commitment International Polar Foundation - Princess Elisabeth, Antarctica Schneider Electric sostiene la prima stazione di ricerca a Emissione Zero nell Antartico

7 Contenuti del corso 1. Il dilemma energetico 2. Applicazioni di gestione dell energia nella Home Automation (Domotica) 3. Applicazioni di gestione dell energia nella Building Automation 4. Il monitoraggio e l analisi dei consumi 5. Cenni normativi

8 I Sistemi di Home & Building Automation per l'efficienza Energetica IL DILEMMA ENERGETICO

9 La sfida energetica è questa I fatti La necessità vs Domanda di Energia Previsione per il 2050 Fonte: IEA 2007 Emissioni di CO 2 Per evitare drammatici cambiamenti climatici Fonte: IPCC 2007, figure (vs level)

10 Il miglior modo per risparmiare energia è quello di ridurre il consumo Gas 100 unità 35 unità 33 unità 1 unità risparmiata come utilizzo finale 3 unità non generate negli impianti di produzione

11 Tre leve per l Efficienza Energetica EE Passiva Strutture, Materiali & Componenti Materiali isolanti, finestre, esposizione, ecc. Componenti di impianto più efficienti (motori, lampade a risparmio energetico, ecc.) Edifici esistenti Zero Energie rinnovabili Obiettivo EE Attiva Sistemi & Apparecchiature Regolazione del clima & microclima Controllo e comando motori Apparecchiature di controllo & misura Operatività & Utilizzo Report dei consumi Controllo delle performance attese Cambiamento dei comportamenti

12 Ciclo di vita delle soluzioni EE Controllare & analizzare i consumi Monitoraggio dei consumi Analisi energetica (audit) Individuazione aree di intervento Controllo dei risultati Fissare gli elementi di base Isolamento degli edifici Revisione / sostituzione elementi di impianto (con componenti a minore consumo) Misura dell Efficienza Energetica Efficienza Energetica Passiva Regolazione del clima e microclima Controllo e comando motori Gestione dell illuminazione Efficienza Energetica Attiva Ottimizzare con automazione e regolazione

13 I Sistemi di Home & Building Automation per l'efficienza Energetica HOME AUTOMATION ED EFFICIENZA ENERGETICA

14 I consumi energetici in ambito residenziale Il 68% dell energia per il riscaldamento e il 15% per gli usi elettrici Per un abitazione di circa 100mq,, in un fabbricato multipiano, il costo energetico di costruzione è di 5.5 tep, mentre il costo annuale del riscaldamento è circa di 1 tep/anno

15 I bisogni espressi Intrattenimento Sicurezza Comfort Automazione Gestione elettrodomestici

16 Dall impianto tradizionale all automazione Sistema di Home Automation accessi clima sicurezza automatismi irrigazione carichi elettrici illuminazione

17 Dall impianto tradizionale all automazione Dispositivi riceventi Dispositivi trasmittenti

18 L approccio tradizionale all impianto illuminazione sensore di luminosità pulsantiera infrarosso 1 circuito di comando e controllo per ogni funzione cablaggio complesso limitata flessibilità scarsa o nulla integrazione tra gli impianti... quadro

19 Esempio di automazione Una nuova classe di dispositivi a microprocessore in grado di scambiarsi informazioni utilizzando un linguaggio ed un supporto trasmissivo comune Linea dati (bus) Occupazione Occupazione Set point Occupazione Set point

20 Trasmissione dati bus filare dedicato Circuito di potenza (230Vac, 50Hz) Linea dati (bus) Sicurezza dei dati trasmessi (immunità disturbi) Velocità trasmissione Cavo aggiuntivo e quindi maggiori costi In caso di ristrutturazione possibili difficoltà di installazione Ottima soluzione per nuove realizzazioni

21 Trasmissione dati onde convogliate Circuito di potenza (230Vac, 50Hz) e linea dati Minore sicurezza dei dati trasmessi (disturbi su linee elettriche) Velocità trasmissione basse su tecnologie già attive (buoni risultati per sperimentazioni con nuove tecnologie) Nessun cavo aggiuntivo e quindi costi ridotti Buona applicabilità In caso di ristrutturazione (bassa invasività)

22 Trasmissione dati wireless Circuito di potenza (230Vac, 50Hz) Buona sicurezza dei dati trasmessi (protocolli a recupero di errore) Velocità trasmissione elevate con tecnologie consolidate Bassi costi di installazione, ma costi della tecnologia ancora superiori rispetto alle soluzioni cablate Ottima applicabilità In caso di ristrutturazione (bassa invasività) Necessità di manutenzione (batterie) per dispositivi non raggiunti dal circuito di potenza

23 Cos è un applicazione Un applicazione è un raggruppamento logico di dispositivi che sono dedicati principalmente ad uno scopo. Lo scopo delle applicazioni è agevolare la progettazione. Nessun dispositivo fa parte esclusivamente di un applicazione, perché può sempre interagire, magari in via secondaria, coi dispositivi di tutte le altre applicazioni. Tutti i dispositivi, indipendentemente dall applicazione di riferimento, fanno parte dello stesso sistema d automazione.

24 La tecnologia bus e le applicazioni attuatori sensori illuminazione tapparelle riscaldamento condizionamento ventilazione motori termostato infrarosso anemometro sensore di luminosità 1 solo cablaggio per trasferire informazioni per tutti le applicazioni sistema decentralizzato: unità centrale di controllo non necessaria scambio informazioni rapido flessibilità, riconfigurabilità, ampliabilità

25 Illuminazione luci orario luminosità luminosità centralizzato trasmettitore IR comandi individuali o centralizzati, wireless [EE] in funzione della luminosità [EE] in funzione dell orario, con spegnimento a tempo

26 Oscuranti tapparelle vento centralizzato Luminosità ed inclinaz. raggi solari trasmettitore IR comandi individuali o centralizzati, wireless, in funzione delle condizioni meteorologiche [EE] in funzione della posizione geografica per favorire illuminamento [EE] in funzione della posizione geografica per gestire irraggiamento solare

27 Climatizzazione Riscaldamento/ condizionamento orario regolazione individuale regolazione individuale per singoli ambienti [EE] con programmazione oraria/giornaliera/settimanale/ stagionale [EE] in funzione delle effettive esigenze, con comandi anche da remoto (p.e. tramite telefono cellulare comando la climatizzazione solo se sono certo di tornare a casa, o andare nella casa al mare)

28 Carichi elettrici Centralina Linea 220 da contatore lavastoviglie altri carichi elettrici frigorifero lavatrice televisore Riduzione rischi (sgancio prese camere bambini, sgancio carichi entertainment ore notturne) [EE] Possibilità di stacco alimentazione per evitare consumi di stand-by. [EE] comandi anche da remoto (p.e. tramite telefono cellulare) [EE] eliminazione sovraccarichi di utilizzo mediante sgancio automatico dei carichi in base alla priorità (successivo ripristino automatico in funzione dell andamento dei consumi)

29 Altre applicazioni [EE] Irrigazione notturna programmata solo se il terreno non è già bagnato (SENSORE DI PIOGGIA) [EE] Scenari luminosi legati alla effettiva presenza di persone o al passaggio di persone da un ambiente all altro (SENSORE DI PRESENZA) [EE] Regolazione intensità luminosa (DIMMER) in base legata al livello di illuminazione naturale (MISURATORE DI LUMINOSITA ) e alla modalità di utilizzo dell ambiente (INTEGRAZIONE CON INTRATTENIMENTO

30 I Sistemi di Home & Building Automation per l'efficienza Energetica BUILDING AUTOMATION ED EFFICIENZA ENERGETICA

31 Impatto sui consumi globali di energia

32 Forme di utilizzo dell energia Nei Buildings oltre il 60% dell energia viene utilizzata per: Illuminazione Riscaldamento Condizionamento Ventilazione

33 I costi nel ciclo di vita di un edificio Operativi 50% Costruzione 11% Finanziari 14% Ristrutturazioni 25% Fonte - American Society for Heating, Refrigeration & Air Conditioning Engineers

34 Driver di mercato & Agenti di cambiamento GESTIONE DELL ENERGIA Normative sull efficienza energetica degli edifici (sanzioni) Accesso al trading dei certificati di efficienza energetica Liberalizzazione del mercato dell energia Dinamicità delle formule contrattuali introduzione di formule che premiano la previsione dei consumi e l eliminazione dei picchi

35 Driver di mercato & Agenti di cambiamento PROPRIETA E GESTIONE DEGLI EDIFICI La proprietà degli edifici è sempre più raramente dell utilizzatore In sede di realizzazione questo significa dover predisporre delle aree delle quali non si conosce l utilizzo preciso Le infrastrutture devono essere realizzate in modo da poter ospitare soluzioni modulari e scalabili In sede di gestione questo significa la presenza di un soggetto terzo che prende in carico le attività di manutenzione Le applicazioni devono essere in grado di rendere accessibili e comunicare in modo aperto le informazioni relative al funzionamento degli impianti (cicli macchina, ore funzionamento, eventi, allarmi, ecc.)

36 Cos è un sistema di Building Automation L insieme di più sottosistemi dello stesso o di diverso tipo / produttore, per consentire la gestione dell edificio e realizzare una interfaccia aziendale, con l obiettivo di aiutare il cliente a: Ridurre il CAPEX (costi di realizzazione) Ridurre l OPEX (costi operativi = energia, personale, manutenzione) Aumentare il comfort e la produttività Ridurre i rischi Building Services Management Application Network Management HVAC Distrib. Energia Luci Contr. accessi Antiintrusione TVCC Safety (incendi, Gas, Evacuaz. Altre Applicaz. Voice and data Fragmented Integrated Approach Network Infrastructure to

37 CEN/CT 247 modello di riferimento Informazioni Comandi Integrazione a livello di gestione Gestione Automazione Notifica Analizza, Decide, archivia GUIDA Valutazione Segnalazione Controlla, coordina, interazioni Ottimizza, comanda, controlla ALLARME Campo RIVELA ATTUA Integrazione a livello di bus di campo Integrazione a livello automazione (centrali) Integrazione a livello dei dispositivi Integrazione a livello di rete di automazione

38 Protocolli standard normati 1986 Mike Markkula, socio fondatore della Apple, fonda Echelon Corporation 1994 viene fondata l associazione LonMark Conformità ISO/IEC EN14908 BACnet Konnex Fondata nel 1987 dall ASHRAE (American Society for Heating Refrigeration and Air condition Engineer Nel 1995 rilasciato lo Standard BACnet Conformità ISO EN16484 Associazione costituita nel 1999 come termine del processo di convergenza tra EIB, Batibus ed EHSA Conformità ISO/IEC

39 Convergenza tecnologica ICT (Information & Communication Technology Frontiera della convergenza Applicazioni Trasporto LAN /WAN ADSL Telefonia VoIP ERP Comunicazioni Hardware PCs PDAs SmartPhones INTERNET Intrattenimento Media Software MS Windows MS Office MS SQL Server Finanza Building Automation Convergenza: L unione di un grande numero di industrie formalmente distinte

40 Convergenza tecnologica Infrastruttura di rete integrata Switch di piano Switch principale Presa di rete universale HVAC Control Card Reader CCTV

41 Ottimizzazione HVAC Programmi di avviamento e arresto ottimizzato Ventilazione notturna Free cooling con algoritmo di controllo entalpico Banda ad energia zero Gestione dei carichi (avviamento/arresto ottimizzato, arresto ciclico) Condizionatore Gruppo Frigo Temperatura ambiente ( C) Estrattore Sistema Supervisore Sonda di Temperatura Controllo Ambiente Unità Trattamento Aria Cassetta VAV Controllori DDC Caldaia 20 Basso Carico Alto carico Possibile risparmio se si usa aria di ricircolo Limite antigelo A Possibile risparmio se si usa aria esterna ENTALPIA ARIA RICIRCOLO Istante di avviamento Non occupazione 8.30 Occupazione t Taratura termostato aria esterna B

42 Ottimizzazione Datacenter I problemi di Efficienza Energetica derivano dalla sempre maggiore concentrazione della capacità di elaborazione, che crea una distribuzione asimmetrica dell assorbimento di energia: Sono necessari UPS che siano efficienti anche con bassi carichi E necessario un raffrescamento puntuale in prossimità degli Hot Spot (in grado di adattarsi all energia assorbita) Row CRACs sense elevated temperature and increase fan speed to remove extra heat from hot aisle CRAC CRAC Hot spot Hot spot When temperature decreases, row CRACs decrease fan speed to conserve energy CRAC CRAC 2 3

43 Ottimizzazione illuminazione Gestione Dimmer [Regolazione] degli apparecchi di illuminazione Controllo On/Off/ da pulsanti e telecomandi On/Off tramite presenza persona Configurazione e gestione tramite PC Regolazione tramite fotocellula Programmazione oraria

44 Ottimizzazione oscuranti Calcolo angolazione irraggiamento solare Calcolo ombre generate da oggetti limitrofi Eliminazione illuminazione diretta Sfruttamento illuminazione riflesse

45 Sensore integrato di presenza/luminosità Il sensore è in grado di rilevare la presenza della persona in base all analisi dello spettro all infrarosso, e quindi anche in caso di sostanziale immobilità, e di misurare il livello di luminosità in ambiente Nel caso sia rilevata una presenza vengono attivati (funzione Comfort) i sistemi di regolazione illuminazione (oscuranti, luci) e regolazione temperatura in base ai preset desiderati. Nel caso non sia rilevata alcune presenza il sistema provvede a garantire il massimo risparmio (funzione Economy): Spegnimento dell illuminazione (e di altri eventuali carichi elettrici) Temperatura a livello economy a seconda della stagione Oscuranti completamente aperti d inverno e completamente chiusi d estate (per favorire o ridurre al minimo l irraggiamento solare)

46 Integrazione e controllo evoluto Gateway Lon/Ethernet Bus LonWorks 230Vac LAN di edificio M M PC IP Phone

47 I Sistemi di Home & Building Automation per l'efficienza Energetica MONITORAGGIO ED ANALISI DEI CONSUMI

48 Dai dati alle informazioni! ANALISI If you can measure that of which you speak, and can express it by a number, you know something about your subject; but if you cannot measure it, your knowledge is meagre and unsatisfactory TM LORD KELVIN RACCOLTA DATI TM BOLLETTA ENERGETICA

49 Concept per un sistema di misura Energy Monitoring Direzione Sanitaria Reparto A Reparto B

50 Modalità e obiettivi della raccolta dati Il Monitoraggio Energia riguarda le diverse fonti energetiche: Water Air Gas Electricity Steam e le diverse fonti di approvvigionamento Fornitori esterni Fonti autonome di generazione (eolico, fotovoltaico, solare termico), cogenerazione e trigenerazione per costituire un archivio storico delle misure

51 Allarmi su situazioni anomale Deviazione da set-point Alto tasso di variazione Soglie di allarme (high, high-high, low, low-low) Notifiche tramite PC, SMS, , ecc.

52 Normalizzazione Funzionalità utile per confrontare siti o utenze simili ed effettuare benchmarking Tipici fattori di normalizzazione sono: Unità di Produzione Metri Quadrati Ore di Funzionamento Altre personalizzabili a scelta In funzione dei diritti concessi all utente, i fattori di normalizzazione possono essere modificati anche dai singoli utenti

53 Normalizzazione Roma 6% Venezia 22% Bergamo 3% Firenze 6% Venezia 16% Bergamo 10% Firenze 3% Milano 14% Napoli 21% Milano 42% Roma 25% Napoli 32% Consumi Energia Elettrica nel periodo selezionati Normalizzazione in funzione della superficie Es. Fattore normalizzazione kwh/m 2

54 Grafico di Confronto Paragonare profili di carico medi e di picco tra i siti o i misuratori

55 I Sistemi di Home & Building Automation per l'efficienza Energetica CENNI AGLI ASPETTI NORMATIVI

56 La nuova Energy Performance Building Directive (EPBD) /31/CE Art. 8 comma 1: Al fine di ottimizzare il consumo energetico dei sistemi tecnici per l edilizia, gli Stati membri stabiliscono requisiti di impianto relativi al rendimento energetico globale, alla corretta installazione e alle dimensioni, alla regolazione e al controllo adeguati degli impianti tecnici per l edilizia installati negli edifici esistenti. Gli Stati membri possono altresì applicare tali requisiti agli edifici di nuova costruzione. Art. 8 comma 2: Gli Stati membri promuovono l introduzione di sistemi di misurazione intelligenti quando un edificio è in fase di costruzione o è oggetto di una ristrutturazione importante. Gli Stati membri possono inoltre promuovere, se del caso, l installazione di sistemi di controllo attivo come i sistemi di automazione, controllo e monitoraggio finalizzati al risparmio energetico. Spinta dall Europa, l Efficienza Energetica attiva diventerà necessariamente e rapidamente qualcosa che non può essere evitato.

57 La norma UNI EN 15232:2012 (1) Metodi per stimare l impatto dei sistemi di controllo e gestione sull efficienza energetica attiva degli edifici. Lo standard fornisce: La prova quantitativa che tutti stavano aspettando Una base di partenza per confrontare efficienza delle installazione Principi di calcolo Fogli di calcolo, Regole di implementazione, Una rappresentazione intuitiva e formalizzata dell efficienza del sistema di gestione e controllo. Ogni sistema è classificato in funzione del suo livello di prestazione La Classe C deve essere lo standard nella regolamentazione nazionale EE Elevata EE Avanzata EE Standard EE non eco-compatibile A B C D

58 La norma UNI EN 15232:2007 (2) Quantificare e confrontare i risparmi economici teorici connessi con ogni classe e scegliere la classe del futuro sistema di controllo Trasformare la scelta della classe in una lista di funzioni che possono essere incluse nella Specifica Tecnica. Classi definite Residenziale Terziario D C B A D C B A Energia Termica % risparmio D C B A Uffici +51% 0% -20% -30% Ospedali +31% 0% -9% -14% Energia Elettrica % risparmio D C B A Uffici +10% 0% -7% -13% Ospedali +5% 0% -2% -4% CONTROLLO OSCURANTI 0 Comando manuale 1 Comando manuale con attuazione motorizzata 2 Attuazione motorizzata con controllo automatico 3 Controllo automatico combinato di illuminazione, illuminazione e microclima SISTEMA DI AUTOMAZIONE PER RESIDENZIALE E TERZIARIO 0 Nessun sistema di automazione 1 Sistema di automazione centralizzato adattato per rispondere alle esigenze dell utente: programmazione, valori di set-point, ecc. 2 Sistema di automazione centralizzato ottimizzato per l efficienza energetica: set-point regolati in base all uso degli ambienti, regolazione coordinata, ecc.

59 Lo specialista globale nella gestione dell energia