Valentina Palco1, Gaetano Fulco2
Abstract
Il cambiamento dell’abitare da “tradizionale” a “smart” investe soprattutto il modo in cui ci viviamo e ci relazioniamo in spazi di città oggi più che mai “sensibili”, ovvero spazi dove le tecnologie digitali occupano un posto di rilievo nel monitoraggio e controllo delle costruzioni, fina- lizzate al raggiungimento di alti livelli di qualità della vita. Si assiste pertanto alla creazione di nuove entità materiche e l’IoT è la base di partenza per la realizzazione di (nuovi) prodotti connessi (connected product) che “mettono in rete” la loro capacità di rilevazione di informazioni in ogni contesto (Bellini,2019).
Keywords: Smart building, Innovazione-IoT, Sicurezza, Sensoring, Monitoring, Patrimonio edilizio
1 DIIES - Dipartimento dell’ingegneria, delle infrastrutture, dell’informazione e dell’energia sostenibile, Università Mediterranea degli Studi di Reggio Calabria,
valentina.palco@unirc.it
2 DIIES - Dipartimento dell’ingegneria, delle infrastrutture, dell’informazione e dell’energia sostenibile, Università Mediterranea degli Studi di Reggio Calabria,
gaetano.fulco@unirc.it
Evoluzione dell’abitare smart
La parola abitare, dal latino habitàre iterativo di habère (ave- re), assume il senso di “continuare ad avere” oppure “aver con- suetudine di un luogo”; luogo che, proprio per la sua continuità nell’esperienza individuale, diviene per definizione l’abitazione, la casa, la dimora (Vitta, 2008). Nel corso del tempo, l’uomo ha adattato il proprio spazio di vita legandolo ai propri bisogni e alle necessità personali. L’abitazione risulta infatti, storicamente uno tra gli elementi fondanti, se non il principale della specie umana, declinandosi come una necessità condivisa, un bisogno elementare e primordiale: il riparo per eccellenza (Filighera, Mi- calizzi, 2018). L’abitazione può considerarsi un mero “oggetto di consumo” che racchiude funzioni esperienziali, identitarie, e collettive e rappresenta il traguardo evolutivo-culturale di cia- scun individuo. Attraversando l’evoluzione storica dell’abitare lo spazio antropico, emerge che la casa, considerata come “luo- go sicuro” (custode dell’intimità e del benessere psico fisico dell’essere umano) e lo spazio pubblico ad essa prossimale, han- no dovuto adattarsi a molteplici cambiamenti culturali, econo- mico-politici, climatici, ma anche alle esigenze degli individui e dei gruppi familiari. Il cambiamento non riguarda solamente il processo costruttivo o le tecnologie impiegate per la realizzazio- ne degli spazi a misura d’uomo, che certamente sono sempre più vicini a standard prestazionali altissimi ed in grado di abbassare il più possibile gli impatti ambientali. Il fattore determinante per lo sviluppo della concezione dell’abitare è da sempre, il rapporto tra casa e struttura familiare. Secondo Paul-Henry Chombart da Lawe, la relazione tra abitazione e struttura familiare è così forte da poter parlare di una corrispondenza tra unità spaziale e unità sociale (Ceci, 1996). La molteplicità dei pattern e status fami- liari introdotti dalla modernità supera necessariamente la visione funzionalista della casa come pura “macchina per l’abitare” (Le Corbusier, 1923), ossia quella “casa” dotata di standards minimi che garantiscono una discreta qualità della vita per gli occupanti. Tuttavia, si ripensano i modi di abitare, inserendo nuovi paradig-
mi basati sulla dimensione antropocentrica1 dell’edilizia abita-
1 L’azione dell’uomo è quella di rendere qualsiasi ambiente un proprio habitat potenziale «trasformandolo attraverso il progetto e la tecnica, in una natura arti- ficialmente ricomposta e posta al suo servizio; e in questa immagine dell’umanità racchiusa nell’inscindibile binomio “natura e artificio, l’abitare”» (Vitta M., 2008, “Dell’abitare. Corpi spazi oggetti immagini”, Piccola Biblioteca Einaudi Ns)
tiva. «La casa è oggi uno dei luoghi universali da cui ripensare noi stessi e il mondo che abitiamo: è diventata, di fatto, un reale laboratorio di comprensione e trasformazione del mondo [...], è il luogo in cui la nostra dimensione pubblica è stata spesso rielaborata e filtrata attraverso un tempo personale e di piccole azioni che definiscono una distanza utile. Oggi questa misura pare assottigliarsi sempre di più sotto la pressione del “tempo digitale” che preme riducendo i momenti di distacco e di silen- zio» (Molinari, 2017). Lo spazio dell’abitare diventa (soprattutto in tempi di emergenza e pandemia come quelli attuali) quindi uno spazio liquido, senza frontiere ne soglie materiali, piuttosto, emerge oggi la necessità di confini virtuali definiti dagli spazi del web. Ma lo spazio del web non è uno spazio abitato, esiste anche quando l’uomo non è presente. «Lo spazio non è qualco- sa che sta di fronte all’ uomo, […] la relazione tra l’uomo e lo spazio non è null’altro che l’abitare pensato nella sua essenza» (Heidegger, 1976). In pratica lo spazio c’è nel momento in cui lo abiti.
Metodi e tecniche per il building smart design
L’emergenza a cui oggi si è chiamati a rispondere come co- munità scientifica indagante, professionisti e tecnici del setto- re delle costruzioni e non solo, è la fragilità a cui è soggetta la stragrande maggioranza del patrimonio edilizio italiano. Riper- correndo la storia che ha caratterizzato il territorio italiano, si evince che, nel corso del tempo, soprattutto le costruzioni hanno dimostrato un grado di resilienza insufficiente sotto l’aspetto sia sismico che energetico. Tale situazione costringe un continuo e necessario aggiornamento della normativa tecnica e della piani- ficazione strategica al fine di garantire condizioni di sicurezza sia strutturali dell’edificio, sia relative all’opportunità su dove fosse possibile costruire o quale il tragitto migliore da seguire in caso di rischio, così da mitigarne i danni (Palco, 2018). In Italia, oltre il 22% degli edifici risulta in stato di conservazione mediocre o pessimo e il settore delle costruzioni risulta essere il più energivoro in termini di consumi, manutenibilità e abitabilità
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Technology and Construction of a New Material Culture
degli ambienti costruiti (La Greca, 2016). Il nuovo paradigma risulta essere quello della tecnologia digitale applicata alle co- struzioni, un paradigma che cambierà completamente la lettura dell’architettura materiale e il conseguente approccio dell’abita- re la fragilità. Spiegare il termine “fragilità” diventa abbastanza semplice: «fragile è tutto ciò che reca a chi abita uno spazio, sia esso confinato che viceversa, danni o disagi in caso di rischio naturale» (De Capua, Palco, 2019). Fragile è un edificio che non si inserisce in un contesto ambientale ma che lo deturpa, che compromette la vita di chi lo abita perché poco resistente o poco vivibile. Fragile è uno spazio che compromette la qualità della vita dell’occupante, uno spazio privo dei servizi minimi dell’a- bitare smart.
L’abitare smart è un concetto che negli ultimi dieci anni sta attraversando tutto il settore delle costruzioni, riguardando le va- rie fasi dalla progettazione al processo realizzativo, dal monito- raggio e manutenzione alla gestione da parte gli utenti finali. Tale concetto si basa sull’idea che l’uso della tecnologia permetta di creare ambienti che siano in grado di migliorare e semplificare realmente la qualità della vita degli occupanti. L’attuale dibattito tecnico scientifico, si interroga e approfondisce quali strumenti, attualmente in uso nel mercato del lavoro, possano considerar- si affidabili e capaci di rispondere ad esigenze importanti quali il contenimento delle risorse rinnovabili, quindi misure atte a contenere i consumi energetici, (il settore delle costruzioni oggi è il più energivoro in assoluto: circa il 40% di energia spesa per
i processi di costruzione e manutenzione degli edifici)2, la sal-
vaguardia di vite umane in caso di eventi catastrofici a seguito di calamità naturali e in ultimo (non per grado di importanza) i livelli di comfort indoor degli spazi abitativi, specie gli edifici ad uso pubblico.
L’abitare, in questa prospettiva, assume sempre più una con- notazione “intelligente e sostenibile”, di interactive design ov- vero di continua interrelazione tra l’azione umana e la tecnolo- gia attraverso prestazioni sempre più digitalizzate al solo scopo di aumentare considerevolmente i livelli della qualità della vita degli occupanti. Ciò che rende intelligente lo spazio (abitato) è l’IoT (Internet of Things) un sistema che permette di mettere gli elementi del mondo fisico in connessione online tra loro tramite sensori (Ashton, 2009).
L’Internet delle Cose (IoT), circoscrivendolo all’abitare smart, può essere descritto come il collegamento di oggetti do- mestici o estendendolo al materiale di involucro o strutturale dell’edificio, in particolare apparecchi elettronici ed elettrici, sensori e attuatori, alle piattaforme hardware e software che re- stituiscono informazioni di qualsiasi tipo atte al monitoraggio, al benessere e al controllo degli occupanti e delle prestazioni dell’edificio.
Una statistica riportata dalla Cisco3, circa l’utilizzo dell’IoT
a largo spettro, sottolinea che, nel 2010 i dispositivi collegati in rete erano oltre 12,5 miliardi, con un incremento maggiore del 400% nel 2020 (circa 50 miliardi). Diverse sono le sperimenta- zioni e le applicazioni attualmente in essere nel settore delle co-
2 Rapporto Annuale Efficienza Energetica – RAEE. Analisi E Risultati Delle Policy Di Efficienza Energetica Del Nostro Paese– Enea, disponibile on line: http:// www.enea.it/it/seguici/pubblicazioni/pdf-volumi/2019/raee-2019.pdf
3 Azienda multinazionale specializzata nella fornitura di apparati di networking
4 La facciata Sud dell’Institut du Monde Arabe è costituita da 240 diaframmi in acciaio, di forma quadrata e poligonale, che richiamano i motivi geometrici arabi. Grazie a dei sensori meccanizzati, questi diaframmi si aprono e chiudono per garantire l’adeguata illuminazione naturale e l’ombreggiamento all’interno dell’edificio nei vari momenti della giornata. In questo modo la luce viene scissa in tanti fasci luminosi, rendendo gli ambienti molto suggestivi. (fonte: L’ar-
chitettura che cambia faccia - https://www.artwave.it/architettura/buildings/larchitettura-che-cambia-faccia/ )
5 Completato nel giugno 2012, il sistema di ombreggiatura delle torri da 145 metri è stato sviluppato dal team di progettazione computazionale di Aedas. Utiliz- zando un software parametrico per la geometria dei pannelli di facciata, il team di progettazione è stato in grado di simulare il loro funzionamento in risposta all’esposizione al sole e al cambiamento degli angoli di incidenza nei diversi giorni dell’anno. (fonte: L’architettura che cambia faccia - https://www.artwave. it/architettura/buildings/larchitettura-che-cambia-faccia/ )
6 Effetti della qualità dell’aria indoor su salute e comfort ambientale – Ministero della salute – EPA Introduction to Indoor Air Quality.. Disponibile on line: https://www.epa.gov/indoor-air-quality-iaq/introduction-indoor-air-quality (Accesed 15 Luglio 2020)
struzioni, tra cui “facciate dinamiche con involucro performante per l’efficientamento energetico dell’edificio”, “l’ottimizzazione dei livelli di IAQ negli edifici attraverso sistemi di ventilazione intelligenti”, “sistemi per il monitoraggio della sicurezza strut- turale degli edifici e la mitigazione del rischio in caso di sisma”, ecc.
L’involucro di fatto svolge un importante ruolo per la pre- stazione di efficienza energetica complessiva, le facciate trasfor- mate da attive a reattive, attraverso sistemi tecnologici cinetici e dotati di sensori, configurano una pelle dinamica e avanzata, con i caratteri del green building. La tecnologia sensoristica, connes- sa ai sistemi di open source-hardware, consente il dinamismo di componenti integrati che non sono connessi a sistemi meccanici o dipendenti da caratteristiche meccaniche, né da quelle fisiche proprie del componente stesso, ma al rilevamento di variazioni di condizioni e di stato grazie ai sensori ad esso applicate (Nava, 2019). Questo fa sì che vengano soddisfatte le varie e complesse richieste legate al comfort degli occupanti, al consumo di ener- gia e all’efficienza dei costi. Pertanto, tali facciate, rispondono positivamente ai cambiamenti climatici e ambientali, adattando- si perfettamente alla performance dell’edificio, soprattutto per quanto concerne la ventilazione e la schermatura da luce e calo- re. Ne sono un esempio ormai noto: la facciata Sud del’ Institu-
te du Monde Arabe di Jean Nouvel, 19874; le Al Bahar Towers
Aedas Architects and Arup Engineers, 20125
Un’altra applicazione riguarda, ad esempio, la qualità dell’a- ria interna, secondo l’Organizzazione Mondiale delle Sanità (OMS) la sindrome dell’edificio malato (SBS) colpisce le per- sone che sono soggette ad un’esposizione prolungata ad agenti chimici, biologici e/o fisici che si trovano in edifici con un basso livello di qualità dell’aria interna (IAQ) che è generalmente cor- relata ad una cattiva ventilazione. È emerso inoltre, che i livelli di IAQ sono generalmente da 2 a 5 volte peggiori di quelli re- lativi all’aria esterna. Ne consegue che gli occupanti di spazi confinati che non godono di una buona ventilazione naturale (e/o meccanica), riservano un aumento del rischio di malesse- re psicofisico che spesso nel tempo, porta ad effetti devastanti sull’organismo umano come l’insorgenza di patologie legate alle
vie respiratorie, al sistema nervoso centrale e anche di cancro6.
Posto che negli ultimi anni lo stile di vita è cambiato conside- revolmente, aumentando di fatti la quantità di tempo trascorsa in spazi chiusi (di circa 90%), diversi ricercatori e tecnici del settore del ICT, indagano su come le piattaforme IoT multi-sen- soristiche possano servire per l’ottimizzazione di livelli di IAQ negli edifici attraverso sistemi di ventilazione smart. È stata svi- luppata infatti, un’applicazione (mobile) per monitorare i livelli di IAQ indoor e outdoor collegati in cloud da una piattaforma hardware in grado di mettere a sistema i dati recepiti e attraverso un algoritmo di controllo della ventilazione migliora i livelli di comfort interno, azionandosi in maniera autonoma e controllata in remoto (Chiesa et al., 2019).
E ancora, un’altra problematica riguardante il settore delle costruzioni e l’IoT, è quella dello stato di salute degli edifici,
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in termini di staticità strutturale. Come precedentemente di- chiarato, in Italia oltre il 22% degli edifici risulta essere in stato di conservazione mediocre o pessimo, si fa quindi sempre più riferimento a tecnologie in grado di prevenire o monitorare la vulnerabilità edilizia. Viene sviluppata infatti una scatola nera
delle infrastrutture (SHBox)7 per il monitoraggio in tempo re-
ale di oscillazioni, cedimenti e variazioni strutturali attraverso l’impiego di sensori strutturali wireless, di infrastrutture di rete per la raccolta dei dati (gateway) e di una piattaforma cloud per
l’elaborazione e l’archiviazione dei dati8.
Partendo dall’assunto che la cultura del progetto si confronta oggi con un rinnovato rapporto tra tecnologia e ambiente, e che la “rivoluzione digitale” sta generando importanti cambiamenti di lettura del progetto, si intende intervenire applicando disposi- tivi intelligenti che leggano e monitorino le prestazioni dell’or- ganismo edilizio e dello spazio costruito, finalizzate al raggiun- gimento di condizioni di benessere e sicurezza in rapporto alle tipologie e le tecnologie costruttive. L’unica strada percorribile è quella ormai auspicata da più parti, ricorrendo a soluzioni appro- priate per il recupero degli edifici (fragili) utilizzando tecnologie sicure e più efficienti in modo da richiedere poca energia per garantirne il comfort. L’Internet of Things (IoT), in particolare, può offrire soluzioni efficienti e a basso costo per gestire situa- zioni eccezionali o anche per prevenirle, tecnologie digitali che aumentano la resilienza di territori fragili. Il dibattito scientifico si confronta, oggi più che mai, sulla necessità di intervenire con soluzioni “internet-addicted” sul patrimonio edilizio costruito e sulle infrastrutture.
Metodologie e applicazioni per l’abitare smart
Nel paragrafo a seguire, saranno approfondite le metodolo- gie utili a sviluppare un sistema di controllo per l’abitare smart. Lo studio di ricerca parte dalla concettualizzazione del problema della vivibilità all’interno degli spazi costruiti, associata al mi- glioramento della stessa attraverso l’uso di sistemi digitali che favoriscano l’evoluzione dell’abitare. Pertanto, dopo aver ana- lizzato il problema, si è passati alla creazione di un modello (si- mulatorio) dell’abitare circoscritto a cui sono stati applicati dei sensori di acquisizione dati. La funzione principale del sistema è svolta da sensori che leggono ogni parametro utile a migliora- re la qualità dell’abitare e l’efficienza energetica, pertanto tutte le informazioni ricavate verranno acquisite e successivamente elaborate da un’unità di controllo centralizzata, connessa in rete e aperta verso l’utente (open source), tanto da permetterne il controllo ed il monitoraggio dei parametri di interesse in ogni momento della giornata. Questo sistema di sensori, attuatori e unità di controllo, sempre connessi, permette di realizzare un moderno ambiente IoT, in cui il benessere degli abitanti e l’effi- cienza energetica saranno i principi fondamentali da rispettare.
Per raggiungere la condizione smart, ben descritta preceden- temente, è importante costruire un sistema centralizzato di ge-
7 Sysdev Srl, azienda nata nel 2015 e incubata presso I3P – l’Incubatore di Imprese Innovative del Politecnico di Torino.
8 Basati sul paradigma IoT (Internet of Things), i sensori progettati da Sysdev sono dispiegabili in numero elevato e sono caratterizzati da basso costo, di- mensioni ridotte e facilità di installazione e minimo consumo energetico. Una volta applicati sulle strutture, sono in grado di percepirne ogni movimento e vibrazione e, grazie a trasmettitori a lunga portata, di segnalare in tempo reale eventuali anomalie o criticità, garantendo un controllo capillare e costante. I dati forniti possono essere aggregati ed elaborati direttamente tramite una piattaforma cloud, in modo tale da ricostruire il digital twin, l’immagine digitale dell’ambiente reale monitorato. In più, l’utente può scegliere quali parametri privilegiare per una specifica analisi (deformazione, temperatura, inclinazione, evento sismico). Fonte: https://www.sysdev.eu/
9 National Instruments è un’azienda statunitense produttrice di strumenti hardware e software per la misura e l’automazione industriale basati su personal compu- ter.
10 “I sistemi CompactRIO forniscono funzionalità di elaborazione avanzate, I/O specifici per i sensori e software integrato, e sono ideali per applicazioni di con- trollo, monitoraggio e IIoT (Industrial Internet of Things).”
11 LabVIEW è il software per la progettazione di sistemi pensato appositamente per lo sviluppo di applicazioni di test, misura e controllo con accesso rapido all’hardware e ai risultati.
12 La tecnologia MEMS (acronimo di Micro Electro Mechanical Systems) è una tecnologia di fabbricazione di dispositivi microelettronici. Fonte: https://www. ingegnerismo.it/elettronica/tecnologia-mems
stione dell’edificio che si occupi dell’efficientamento energetico, del comfort abitativo e della sicurezza strutturale (Fig. 1).
Lo strumento di controllo proposto, sviluppato sperimental- mente presso il dipartimento DIIES dell’Università Mediterra- nea degli Studi di Reggio Calabria, è composto da un sistema centrale che coordina le informazioni provenienti dalla rete di sensori distribuiti nell’edificio (sia all’esterno che all’interno). L’unità centrale, del sistema, raccoglie i dati di tutti i sensori distribuiti nell’edificio, li elabora e apporta le dovute azioni tramite attuatori. «Sensori e attuatori costituiscono i principa- li componenti di un Sistema intelligente» (Musacchio, 2009). Questa è costituita da una scheda di acquisizione dati National
Instruments9, nello specifico una CompactRIO10, con appropriati
moduli montati a bordo e connessa in rete. La tipologia di har- dware scelta per questa applicazione, permette di acquisire i dati di misura delle diverse tipologie di sensori utilizzati e con un processore dedicato, in modalità real-time, si occupa di elabo- rare i dati e ricavarne le informazioni necessarie a gestire le tec- nologie smart dell’edifico. Inoltre, utilizzando questa tecnologia
hardware, programmabile attraverso il software NI LabVIEW11,
è possibile realizzare un’interfaccia grafica da cui gli utenti pos- sono controllare, in tempo reale, tutti i dati di misura dei sensori distribuiti nell’edificio e decidere di apportare modifiche ai para- metri di configurazione del sistema di gestione intelligente.
I sensori di incidenza solare insieme ai sensori di temperatu- ra esterna e interna hanno un ruolo di primaria importanza per la gestione della “facciata dinamica”, utilizzata per migliorare l’ef- ficientamento energetico. Per misurare il grado d’illuminamen- to solare, sono utilizzate piccole celle fotovoltaiche, che oltre a fornire i dati di misura possono produrre energia elettrica utiliz- zabile per alimentare il sistema di monitoraggio. Per effettuare il rilevamento della temperatura esterna, invece, sono utilizzati sensori a “termistore”, mentre per la temperatura interna, dei più
performanti sensori a infrarossi basati su tecnologia MEMS12,
che permettono anche di rilevare la presenza di persone nell’edi- ficio e ottimizzare quindi il sistema di monitoraggio.
Dalle informazioni ricavate da questi sensori, il sistema di controllo può gestire in modo intelligente la “facciata dinamica”. Questa, se utilizzata per regolare l’ombreggiamento, gestisce al- tresì la temperatura degli ambienti e reduce i consumi relativi all’uso dei sistemi di condizionamento. Inoltre, conoscendo il numero di persone presenti dentro l’edificio e le loro esigenze, è possibile gestire l’illuminazione interna, scegliendo tra la sor- gente solare e quella artificiale. Ai sensori di temperatura si ag- giungono sensori per rilevare l’umidità ambientale e la qualità dell’aria, facendo distinzione tra qualità dell’aria interna (IAQ) ed esterna (Schiewecka et al. 2019), caratterizzate da diverse sostanze inquinanti, che necessitano di più specifici sensori de- dicati.
L’unità centrale raccoglie questi dati di misura e li elabora per attuare una gestione smart del sistema di ventilazione e cli- matizzazione, in modo da ottenere un miglioramento del comfort
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