Valutazione dello Smart Readiness Indicator (SRI) per categorie di edifici appartenenti al parco edilizio nazionale ed impatto dei sistemi di contabilizzazione, telelettura e feedback utente sui consumi energetici degli edifici residenziali

Negli ultimi anni, il tema dell’efficienza energetica nel settore edilizio, ha assunto un ruolo centrale nelle politiche energetiche europee e nazionali. Infatti, il settore residenziale, rappresenta un quota significativa dei consumi energetici complessivi, delle emissioni di gas serra e delle problematiche di sovraccarico delle tensioni nella rete elettrica di distribuzione. Per tale ragione, sono state elaborate delle norme specifiche e delle Direttive Europee il cui obiettivo è incentrato sulla riduzione dei consumi energetici, sul miglioramento delle performance energetiche degli edifici, sulla diminuzione di CO2 e gas serra e sulla gestione ottimizzata della rete elettrica. In particolare, affinché gli edifici possano contribuire alla realizzazione di tali obiettivi, si presenta la necessità di adeguarli agli standard nazionali ed europei, non solo in materia di energia, ma anche in materia di implementazione di sistemi intelligenti. In questo contesto, è stata elaborata un’approfondita analisi dello Smart Readiness Indicator (SRI), ossia il nuovo indicatore di predisposizione all’intelligenza, atto a fornire un quadro comune europeo per la valutazione e la promozione dell’intelligenza degli edifici. Tale indicatore ha l’obiettivo di misurare la capacità dell’edificio di adattare il proprio funzionamento alle esigenze sia dell'occupante sia della rete e di migliorare l'efficienza e la prestazione energetica complessiva. Nell’ambito dell’applicazione dello Smart Readiness Indicator, la letteratura esistente comprende un esiguo numero di studi, che analizzano principalmente il calcolo dell’indicatore per casi di studio limitati, senza approfondimento dell’adattamento della metodologia UE alla situazione impiantistica attuale del parco edilizio nazionale. In confronto allo stato dell’arte esistente sulla metodologia di calcolo dello Smart Readiness Indicator, il presente lavoro introduce un contributo originale, che consiste in un approccio metodologico calibrato, a valle di un’analisi di mercato basata sull’esistenza e disponibilità delle logiche e dei dispositivi presenti in commercio, dei punteggi SRI adattato al contesto residenziale italiano. Tale proposta, è caratterizzata da ampia flessibilità di applicazione alle molteplici destinazioni d’uso degli edifici, adattabile sia ad edifici reali, sia ad edifici teorici. Pertanto, al fine di valutare la solidità della metodologia proposta, è stata condotta un’analisi di sensitività sui principali parametri che influenzano il punteggio di SRI, quali: grado di interazione tra gli impianti ed i sistemi di controllo centralizzato, presenza di sistemi di monitoraggio e reportistica dei consumi, livello di automazione delle tecnologie presenti negli edifici ed eventuali interventi di ristrutturazione/retrofit energetico rispetto allo stato originario. Il secondo argomento affrontato in questo lavoro riguarda l’analisi energetica di edifici residenziali condominiali mediante rilevamento dati dal portale informatico “GEN - Rienergy Smart”, implementato da ENEA - Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico sostenibile - per il monitoraggio, la gestione e la visualizzazione degli indici di consumo ed i valori determinati dai sensori e dai dispositivi di contabilizzazione del calore, temperatura, CO2 e smart meters, al fine di valutare le condizioni di comfort e l’influenza dell’utilizzo degli ambienti sui consumi energetici. Il portale web, è stato inizialmente ottimizzato a valle dell’individuazione delle criticità informatiche e tecnologiche rilevate nel corso degli studi, dopodiché sono stati analizzati i dati provenienti dai ripartitori di calore, dai totalizzatori e dalle centraline termiche, nonché degli indici di qualità dell’aria, di due condomini che hanno aderito alla campagna sperimentale di monitoraggio Rienergy Smart. La tesi, nel complesso, è strutturata come segue. Nel primo capitolo, è stato presentato il quadro normativo e teorico relativo alle performance energetiche degli edifici e gli obiettivi Europei finalizzati all’implementazione di soluzioni smart che ne consentano il miglioramento dei consumi e delle prestazioni complessive. In particolare, è stata effettuata l’analisi dello stato dell’arte e degli aspetti tecnici e normativi dei sistemi di automazione e controllo (BACS) e del loro contributo allo sviluppo di “smart buildings” e “smart cities”. In tale contesto, viene introdotto lo Smart Readiness Indicator (SRI), analizzandone gli aspetti normativi e individuando dall’analisi di letteratura possibili primi studi a riguardo ed aspetti ancora carenti di approfondimento scientifico. A tal proposito, è introdotta la metodologia di calcolo proposta dai primi studi europei, dettagliata nel documento “Final Report on the technical support to the development of a Smart Readiness Indicator for buildings” e, contestualmente, il primo strumento di calcolo introdotto in ambito europeo, costituito da domini tecnici, servizi smart ready e livelli di funzionalità . Nel capitolo secondo, è dettagliata la valutazione dello Smart Readiness Indicator nel settore residenziale, evidenziando i primi risultati del calcolo sul dominio tecnico “acqua calda sanitaria” in edifici rappresentativi del parco edilizio italiano. Pertanto, nel paragrafo 2.2, è effettuata una breve trattazione sui sistemi di produzione e distribuzione dell’acqua calda sanitaria, compresi i sistemi di utilizzo, monitoraggio, accumulo e tecnologie smart attualmente disponibili sul mercato o potenzialmente implementabili. Da queste premesse, viene introdotto il primo studio in Italia nel settore residenziale, per tre edifici casi di studio, relativo al calcolo dell’indicatore di predisposizione all’intelligenza valutato principalmente nell’ambito dell’efficienza dei sistemi per l’acqua calda sanitaria. I risultati ottenuti, sono stati presentati in occasione del XX Congresso Nazionale CIRIAF - Sviluppo sostenibile, tutela dell’ambiente e della salute umana, evidenziando come i punteggi di SRI ottenuti siano piuttosto bassi per gli edifici non riqualificati tipici del parco edilizio Italiano. Inoltre, lo studio individua alcune criticità nello strumento di calcolo, come la presenza di livelli funzionali troppo ambiziosi rispetto allo stato impiantistico e tecnologico attuali e la difficile comprensione per alcune delle funzionalità smart indicate nel catalogo dei servizi. Inoltre, si sottolinea come alcuni servizi smart, come il controllo della ricarica di accumulo derivante dall’installazione di collettori solari, sia condizione necessaria per avere un incremento nel punteggio di SRI di dominio, come dimostrazione che i sistemi di monitoraggio e controllo siano essenziali per rendere un edificio “smart” (Valutazione dello Smart Readiness Indicator nel settore residenziale: primi risultati su edifici rappresentativi del parco edilizio italiano - De Monaco M., Canale L, Ficco G, Frattolillo A, Dell’Isola M, Di Pietra B, Puglisi G, Bertini I.). Il capitolo terzo, illustra la valutazione dello Smart Readiness Indicator per edifici del parco edilizio nazionale oggetto di retrofit energetico, utilizzando il primo strumento di calcolo europeo. Per gli edifici casi di studio considerati, è descritta la metodologia di calcolo applicata a due differenti scenari: “energy”, ossia non riqualificati ed “energy smart”, ossia post simulazione di interventi di retrofit impiantistico. I risultati sottolineano le differenze relative ai punteggi di intelligenza ottenuti nei due diversi approcci, in cui nello scenario “energy”, la valutazione dello Smart Readiness Indicator è influenzata dalle scarse tecnologie intelligenti e dalla mancanza di sistemi di monitoraggio e controllo negli edifici, mentre nello scenario “energy smart”, l’impatto della riqualificazione energetica e tecnologica, diventa essenziale per il raggiungimento di notevoli miglioramenti per l’efficienza energetica, il comfort, l’informazione agli occupanti relativa ai consumi e al funzionamento degli impianti e all’utilizzo dei sistemi da fonti rinnovabili. Tuttavia, sono illustrate anche le diverse criticità riscontrate durante il processo di valutazione, come livelli funzionali non corrispondenti al reale asset del parco edilizio residenziale attuale, la difficoltà di procedere ad interventi di riqualificazione per edifici storici o ubicate in zone rurali, la necessità di una revisione alla normativa che consenta di identificare livelli di funzionalità minimi in base alla tipologia di edificio e la fattibilità dell’applicazione delle tecnologie presenti nel catalogo dei servizi. (De Monaco M, Canale L, Di Pietra B, Puglisi G, Ficco G, Bertini I, Dell’Isola M. Estimating the Smart Readiness Indicator in the Italian Residential Building Stock in Different Scenarios. Energies. 2021; 14(20):6442. ) La soluzione delle pricipali problematiche appena elencate, trova risoluzione nel quarto capitolo, in cui viene descritta la prima ottimizzazione della metodologia di calcolo dello Smart Readiness Indicator, mediante implementazione di uno strumento di calcolo, basato sul primo prototipo europeo, nel quale si applica una specifica ponderazione delle funzionalità e dei servizi tecnici, al fine di adeguarli al parco edilizio nazionale esistente. In tal senso, è illustrata la procedura di calibrazione del catalogo dei servizi, effettuata a valle di un’attenta analisi di mercato condotta mediante un questionario strutturato in base alle funzionalità presenti nel catalogo, sottoposto a due aziende del settore energetico/elettrico. A seguito dell’applicazione dello strumento di calcolo calibrato, vengono descritti i benefici nella valutazione dello Smart Readiness Indicator, mostrandone la maggiore coerenza con lo stato degli edifici esistenti. (B. Di Pietra, L. La Notte, G. Landi, A.L. Palma, A. Ciappa, E. Monno M. De Monaco, Progettazione di nuove architetture dell’impianto ibrido sperimentale e di una nuova piattaforma per migliorare la consapevolezza dei consumi nei condomini dotati di sistemi di contabilizzazione individuale smart, Report RdS/PTR2021/127). Nel quinto capitolo, è descritto il calcolo dello SRI con lo strumento calibrato, su edifici del parco edilizio italiano di differenti tipologie (residenziale, non residenziale, struttura ospedaliera, istituto scolastico), ampliando il processo di asseverazione ed analisi a contesti impiantistici ed energetici. Il sesto ed il settimo capitolo riguardano l’analisi della successiva versione del foglio di calcolo europeo (v4.2) e la prima calibrazione dello strumento europeo sulla base dell’analisi di mercato descritta al capitolo quarto, evidenziando i risultati ottenuti pre e post ottimizzazione delle funzionalità smart ready ed introducendo un prototipo di scheda di asseverazione nazionale per lo Smart Readiness Indicator. Infine, l’ottavo ed il nono capitolo sono dedicati all’analisi dei sistemi di contabilizzazione, telelettura e feedback utente e all’analisi energetica di due edifici residenziali italiani mediante rilevamento dati energetici dal portale Rienergy Smart. I due argomenti, sono contestualizzati nell’assetto tecnico e normativo attuale, descrivendone l’impatto sulla predisposizione all’intelligenza degli edifici ed al miglioramento dei comportamenti energetici da parte degli occupanti. L’analisi energetica descritta nell’ultimo capitolo, descrive l’applicazione dell’approccio asset rating (UNI 11300), con il quale sono calcolati i consumi attesi degli appartamenti casi di studio in esame. Inoltre, sono illustrati gli impatti delle abitudini di consumo degli utenti, delle caratteristiche termo-fisiche delle unità immobiliari e del livello di consapevolezza nell’utilizzo dei sistemi di monitoraggio, al fine di correlare tali aspetti con i risultati numerici ottenuti. Nel complesso, ciascun capitolo analizza nel dettaglio gli argomenti proposti, descrivendo nei paragrafi conclusivi le criticità rilevate, la risoluzione e le possibili azioni di miglioramento attuabili.

In recent years, the issue of energy efficiency in the building sector has assumed a central role in both European and national energy policies. Indeed, the residential sector accounts for a significant share of overall energy consumption, greenhouse gas emissions, and problems related to overloads in the electricity distribution network. For this reason, specific regulations and European Directives have been developed with the aim of reducing energy consumption, improving the energy performance of buildings, decreasing CO2 and greenhouse gas emissions, and optimizing the management of the electricity grid. In particular, in order for buildings to contribute to achieving these objectives, it is necessary to adapt them to national and European standards, not only in terms of energy performance, but also regarding the implementation of smart systems. Within this context, an in-depth analysis of the Smart Readiness Indicator (SRI) has been carried out. The SRI is the new indicator of smart readiness, designed to provide a common European framework for assessing and promoting building intelligence. This indicator aims to measure the ability of a building to adapt its operation to the needs of both occupants and the grid, while improving overall energy efficiency and performance. Regarding the application of the Smart Readiness Indicator, the existing literature includes only a limited number of studies, mainly focused on calculating the indicator for restricted case studies, without thoroughly investigating the adaptation of the EU methodology to the current plant and system conditions of the national building stock. Compared to the existing state of the art on the SRI calculation methodology, the present work introduces an original contribution consisting of a calibrated methodological approach, developed following a market analysis based on the existence and availability of commercial technologies, control logics, and devices, with SRI scores adapted to the Italian residential context. This proposal is characterized by a high degree of flexibility, allowing its application to multiple building uses and to both real and theoretical buildings. Therefore, in order to evaluate the robustness of the proposed methodology, a sensitivity analysis was carried out on the main parameters affecting the SRI score, such as the level of interaction between systems and centralized control systems, the presence of monitoring and energy reporting systems, the level of automation of building technologies, and possible renovation/energy retrofit interventions compared to the original building condition. The second topic addressed in this work concerns the energy analysis of residential condominium buildings through data collection from the “GEN - Rienergy Smart” web portal, implemented by ENEA – the Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development – for monitoring, managing, and visualizing consumption indices and values measured by sensors and devices for heat metering, temperature, CO2, and smart meters, in order to evaluate comfort conditions and the influence of occupancy patterns on energy consumption. The web portal was initially optimized following the identification of IT and technological critical issues detected during the studies. Subsequently, data collected from heat cost allocators, totalizers, thermal substations, and indoor air quality indices were analyzed for two condominiums participating in the experimental Rienergy Smart monitoring campaign. Overall, the thesis is structured as follows. The first chapter presents the regulatory and theoretical framework related to the energy performance of buildings and the European objectives aimed at implementing smart solutions capable of improving energy consumption and overall performance. In particular, an analysis of the state of the art and the technical and regulatory aspects of Building Automation and Control Systems (BACS) and their contribution to the development of “smart buildings” and “smart cities” is provided. Within this framework, the Smart Readiness Indicator (SRI) is introduced, analyzing its regulatory aspects and identifying, through literature review, the first relevant studies and the aspects that still lack scientific investigation. In this regard, the calculation methodology proposed by the first European studies is introduced, as detailed in the document “Final Report on the technical support to the development of a Smart Readiness Indicator for buildings”, together with the first European calculation tool, consisting of technical domains, smart-ready services, and functionality levels. The second chapter details the evaluation of the Smart Readiness Indicator in the residential sector, highlighting the first calculation results for the technical domain “domestic hot water” in buildings representative of the Italian building stock. Therefore, paragraph 2.2 presents a brief discussion of domestic hot water production and distribution systems, including usage systems, monitoring, storage, and smart technologies currently available on the market or potentially implementable. Based on these premises, the first Italian study in the residential sector is introduced, involving three case-study buildings and focusing on the calculation of the smart readiness indicator, mainly evaluated in relation to the efficiency of domestic hot water systems. The obtained results were presented during the XX CIRIAF National Congress – Sustainable Development, Environmental Protection and Human Health – highlighting how the SRI scores obtained are rather low for non-renovated buildings typical of the Italian building stock. Furthermore, the study identifies several critical issues in the calculation tool, such as the presence of functionality levels that are too ambitious compared to the current technological and plant conditions, as well as the difficulty in understanding some of the smart functionalities included in the service catalog. In addition, it is emphasized that certain smart services, such as storage charging control resulting from the installation of solar collectors, represent a necessary condition for increasing the SRI domain score, demonstrating that monitoring and control systems are essential to make a building “smart” (Assessment of the Smart Readiness Indicator in the residential sector: first results for buildings representative of the Italian building stock - De Monaco M., Canale L., Ficco G., Frattolillo A., Dell’Isola M., Di Pietra B., Puglisi G., Bertini I.). The third chapter illustrates the evaluation of the Smart Readiness Indicator for buildings within the national building stock undergoing energy retrofit interventions, using the first European calculation tool. For the considered case-study buildings, the calculation methodology is described for two different scenarios: “energy”, referring to non-renovated buildings, and “energy smart”, referring to buildings after simulated plant retrofit interventions. The results highlight the differences in the intelligence scores obtained in the two approaches. In the “energy” scenario, the SRI evaluation is affected by the lack of smart technologies and monitoring and control systems within the buildings, whereas in the “energy smart” scenario, the impact of energy and technological retrofitting becomes essential for achieving significant improvements in energy efficiency, comfort, occupant information regarding energy consumption and system operation, and the use of renewable energy systems. However, several critical issues encountered during the assessment process are also illustrated, including functionality levels not corresponding to the actual condition of the current residential building stock, the difficulty of carrying out renovation interventions in historical buildings or buildings located in rural areas, the need for regulatory revisions to identify minimum functionality levels according to building type, and the feasibility of implementing the technologies included in the service catalog. (De Monaco M., Canale L., Di Pietra B., Puglisi G., Ficco G., Bertini I., Dell’Isola M. Estimating the Smart Readiness Indicator in the Italian Residential Building Stock in Different Scenarios. Energies. 2021; 14(20):6442.) The solution to the main issues listed above is addressed in the fourth chapter, which describes the first optimization of the Smart Readiness Indicator calculation methodology through the implementation of a calculation tool based on the first European prototype. In this tool, a specific weighting of functionalities and technical services is applied in order to adapt them to the existing national building stock. In this regard, the calibration procedure for the service catalog is illustrated, carried out following a detailed market analysis conducted through a questionnaire structured according to the functionalities included in the catalog and submitted to two companies operating in the energy/electrical sector. Following the application of the calibrated calculation tool, the benefits in the evaluation of the Smart Readiness Indicator are described, demonstrating greater consistency with the actual condition of existing buildings. (B. Di Pietra, L. La Notte, G. Landi, A.L. Palma, A. Ciappa, E. Monno, M. De Monaco, Design of new architectures for the experimental hybrid plant and a new platform to improve energy awareness in condominiums equipped with smart individual metering systems, Report RdS/PTR2021/127.) The fifth chapter describes the calculation of the SRI using the calibrated tool for buildings belonging to the Italian building stock with different intended uses (residential, non-residential, hospital facility, educational institution), expanding the certification and analysis process to different plant and energy contexts. The sixth and seventh chapters concern the analysis of the subsequent version of the European calculation spreadsheet (v4.2) and the first calibration of the European tool based on the market analysis described in Chapter Four, highlighting the results obtained before and after the optimization of smart-ready functionalities and introducing a prototype national assessment form for the Smart Readiness Indicator. Finally, the eighth and ninth chapters are dedicated to the analysis of metering systems, remote reading systems, and user feedback, as well as to the energy analysis of two Italian residential buildings through energy data collection from the Rienergy Smart portal. Both topics are contextualized within the current technical and regulatory framework, describing their impact on building smart readiness and on improving occupants’ energy behavior. The energy analysis described in the final chapter presents the application of the asset rating approach (UNI 11300), through which the expected energy consumption of the case-study apartments is calculated. Furthermore, the impacts of user consumption habits, the thermo-physical characteristics of the housing units, and the level of awareness in the use of monitoring systems are illustrated, in order to correlate these aspects with the numerical results obtained. Overall, each chapter analyzes the proposed topics in detail, describing in the concluding sections the identified critical issues, their resolution, and the possible improvement actions that can be implemented.