Tecnologia dell’architettura

Dott. Shahryar Habibi

Per la presentazione della tesi di ricerca dal titolo:
Smart Workplace Micro-Climatization and Real-Time Digitalization Effects on Energy Efficiency Based on User Behavior

Motivazione
La previsione di sistemi intelligenti di gestione energetica degli edifici – in particolare nei luoghi di lavoro – e l’impiego dei Building Information Modeling in abbinamento a sistemi di sensori e sistemi di gestione intelligenti (IMSS), rappresentano oggi strumenti innovativi al servizio del risparmio energetico. Lo studio delle abitudini di utenza sui luoghi di lavoro ha evidenziato un possibile ruolo aggiuntivo per questi sistemi di rilevazione in Real Time, ossia quello di strumenti per migliorare la qualità interna ambientale garantendo contemporaneamente risparmi e elevato comfort di utilizzo. L’individuazione degli elementi caratterizzanti la qualità ambientale interna e il loro legame con le condizioni esterne, proprio attraverso l’utilizzo di sistemi di sensori intelligenti, ha consentito di mettere in relazione il comfort soggettivo dell’utente, con l’oggettività di parametri fisici poi utilizzati in strumenti di simulazione digitale per l’ottimizzazione ambientale ed energetica. Un affinamento di algoritmi di intelligenza artificiale (AI) messo a punto è stato capace di definire inoltre interazioni virtuose proprio tra utenti e sistemi di gestione energetica dell’edificio (BEMs). Un dispositivo prototipo realizzato che permette la misurazione di umidità, temperatura, livelli sonori e l’illuminazione sui luoghi di lavoro, basandosi su una strategia di combinazione di sistemi intelligenti open source (Arduino systems) con algoritmi di intelligenza artificiale, permette l’acquisizione e la replicabilità di modelli d’uso virtuosi e confortevoli, basati si sul comportamento d’utenza, ma interattivi sui controlli impiantistici e sulle schermature elettromeccaniche di controllo dei flussi luminosi naturali. Presi nell’insieme questi aspetti innovativi nel settore della Tecnologia dell’Architettura rappresentano il merito per assegnare la Menzione Copernico 2016 al Dott. Shahryar Habibi.

Abstract
La previsione di sistemi intelligenti di gestione energetica degli edifici – in particolare nei luoghi di lavoro – e l’utilizzo di building information modeling (BIM) in abbinamento a sistemi di sensori intelligenti, sono accreditati come strumenti di prezioso potenziale risparmio energetico. In questo quadro, tuttavia, per un architetto l’obiettivo principale è la comprensione dell’importanza, del funzionamento e dello sviluppo dei sistemi di digitalizzazione in tempo reale e di micro-climatizzazione utilizzabili. I sistemi di gestione intelligenti (IMSS) presentano infatti un notevole potenziale di risparmio energetico, ma non sono stati ancora pienamente applicati né agli edifici né tantomeno a scala urbana.
Lo studio delle abitudini d’utenza sui posti di lavoro ha evidenziato come l’impiego di sistemi di sensori intelligenti per il controllo della qualità ambientale possa divenire un validissimo strumento per migliorare la qualità interna ambientale (IEQ) e così garantire un elevato comfort di utilizzo. Per la massima efficacia/applicabilità di queste strategie è stata condotta un’analisi sul rapporto costi-benefici che ha evidenziato la necessità di prevedere la scelta di tecnologie non eccessivamente sofisticate per quanto ad alte prestazioni.
La ricerca condotta si è prefissata quindi come obiettivo di minimizzare il consumo di energia e – attraverso la comprensione e la memorizzazione del comportamento dell’utenza – di raggiungere il massimo comfort ambientale indoor. Per fare questo è stato parallelamente creato e messo a punto un sistema di scambio dati in tempo reale (Real Time) per quanto riguarda le funzioni delle tecnologie da impiegare. Il sistema prevede, attraverso la registrazione Real Time del comfort dell’utente, una registrazione puntuale di quei parametri fisico-tecnici, utili ad individuare il set up energetico-ambientale, ideale per l’utenza e di conseguenza rendere efficiente energeticamente lo spazio di lavoro prima e l’intero edificio poi. La prima rilevazione è quella legata al comfort termico, valutato secondo i valori di Voto Medio Previsto (PMV) e della Percentuale di Persone Insoddisfatte (PPD), e al contempo attraverso la valutazione del benessere dovuto alla ventilazione naturale nell’ambiente preso in considerazione, così da indirizzare il sistema verso un risparmio energetico nell’utilizzo dei sistemi di ventilazione meccanici. Oltre ai parametri termici e di ventilazione naturale, lo studio ha anche considerato la luce diurna – attraverso il rilevamento del livello d’illuminamento utile di luce diurna (UDI) e la percentuale del tempo di uso per la quale la superfice di lavoro è utilizzabile dalla sola luce diurna (DA) –, e la qualità acustica degli ambienti attraverso lo studio del riverbero degli stessi. In aggiunta ai parametri che identificano la qualità ambientale interna, ogni misurazione è stata messa in relazione anche alle condizioni esterne. Si tratta di un insieme di dati che occorre mettere in relazione con quanto l’utente percepisce come benessere all’interno all’edificio (la sua percezione della qualità ambientale) al fine di incrementare l’efficienza energetica dei sistemi impiantistici a servizio del costruito. L’individuazione di questi elementi caratterizzanti la qualità ambientale interna e il loro legame con le condizioni esterne attraverso l’utilizzo di sistemi di sensori intelligenti, consente di mettere in relazione il confort soggettivo dell’utente, con l’oggettività di parametri fisici che vengono poi utilizzati in strumenti di simulazione digitale che svolgono un ruolo cruciale nella ricerca di soluzione per problemi di ottimizzazione. In questo contesto, viene proposta la progettazione di algoritmi di intelligenza artificiale (AI) e interfacce intelligenti messe a punto al fine di migliorare l’interazione tra utenti e il sistema di gestione energetica degli edifici (BEMSs).
Il risultato della ricerca è lo sviluppo di un apparato di valutazione della qualità ambientale interna dei luoghi di lavoro basato su sistemi Arduino. L’apparato progettato permette la misurazione dell’umidità, della temperatura, la valutazione dei livelli sonori e d’illuminazione sul posto di lavoro. Il dispositivo può essere collegato ai computer degli utenti con un cavo micro-USB e offre la possibilità di rilevare il grado di soddisfazione degli utenti del comfort indoor tramite interfacce intelligenti e segnalazioni visive con luci a led.
Il comportamento degli utenti si presenta come un fattore determinante per la progettazione di edifici ad alta efficienza: comportamenti diversificati possono condurre infatti a sensibili variazioni del consumo di energia.
L’individuazione di comportamenti non energeticamente virtuosi devono essere rilevati per porre in essere efficaci strategie di compensazione e ottimizzazione. Questo lavoro cerca quindi di analizzare i modelli di comportamento degli utenti per orientare verso nuovi comportamenti virtuosi che possono incidere sulle condizioni di comfort e al contempo sull’efficienza energetica dello spazio.
Al fine di aumentare la consapevolezza del ruolo del comportamento degli utenti per l’ottimizzazione delle condizioni di efficienza energetica e comfort, il lavoro propone anche una strategia di combinazione di sistemi intelligenti open source (Arduino Systems) con algoritmi di intelligenza artificiale e interfacce intelligenti. La combinazione di tali programmi e sistemi con il building information modeling (BIM) ambientali del tipo open-source è in grado di migliorare non solo il processo di costruzione ma anche di consentire l’esplorazione di approcci alternativi.
E’ in corso la definizione di un brevetto con UniFe dei risultati raggiunti dalla ricerca dottorale riconosciuta di eccellenza dalla Commissione valutatrice 2016. La tesi dottorale è in lingua inglese e coperta da embargo.