Dal BIM al BEM (Building Energy Model), il modello energetico del sistema edificio-impianto

Il BIM è una metodologia che ormai abbiamo imparato a conoscere e a mettere in pratica per gestire il ciclo di vita di un asset.

Tutti i professionisti coinvolti in un progetto BIM possono collaborare e scambiare informazioni in tempo reale ottenendo una significativa riduzione dei tempi di progettazione, sviluppo, gestione ed esecuzione del progetto. Questo è solo uno degli evidenti vantaggi del BIM applicato al mondo delle costruzioni.

Operare con la metodologia BIM vuol dire creare un modello virtuale di un edificio e avere la possibilità di effettuare tutte le operazioni desiderate (sia nella fase progettuale e realizzativa che in quella di management) su tale modello, riuscendo a prevedere il comportamento dell’edificio reale.

In pratica, è possibile effettuare delle simulazioni sul modello virtuale, prevedendo la risposta del modello reale. Ciò comporta un vantaggio enorme, sia in termini di tempo che di costi.

Tali simulazioni possono riguardare molteplici discipline quali la progettazione energetica, quella strutturale, quella architettonica, ecc. Naturalmente è opportuno l’utilizzo di appositi strumenti software per rispondere pienamente alle esigenze progettuali.

In questo articolo approfondiamo i benefici del BEM (il BIM applicato alla modellazione energetica) e degli strumenti di simulazione energetica.

Dall’atomo al bit: Digital Twin, Big Data e IoT

Disporre di un modello virtuale di un edificio apre le porte a potenzialità enormi e sviluppi inimmaginabili fino a qualche anno fa.

Pensiamo al concetto di Digital Twin: il gemello digitale è una copia esatta, un modello virtuale, di un oggetto reale sul quale fare test e prove in modo da evitare potenziali problemi e/o errori che potrebbero generare grosse diseconomie in termini di costi e di tempo.

Nel settore manifatturiero sempre più aziende vogliono evitare di ritrovarsi in problemi di questo tipo, che sono assai frequenti durante la progettazione, la produzione e l’immissione sul mercato. Verificare in modo preventivo ogni fase porta ad un’efficienza dell’intero processo.

Il concetto di Digital Twin è alla base della rivoluzione Industria 4.0.

L’evoluzione tecnologica in corso è caratterizzata da uno spostamento da atomi a bit. Le ragioni sono legate al minor costo dei bit, sia in termini di stoccaggio che di elaborazione. In pratica, risulta più conveniente effettuare le operazioni sui bit (modello virtuale) piuttosto che sugli atomi (oggetto reale).

Ad esempio, per un’azienda che produce veicoli, anziché sviluppare prototipi di scocche e testarli in gallerie del vento, è più conveniente creare un modello digitale su cui effettuare tutte le prove e le simulazioni necessarie ad arrivare ad un progetto soddisfacente.

La General Electric da alcuni anni ha esteso l’utilizzo del modello digitale delle sue turbine anche alla loro manutenzione e controllo. La turbina reale è dotata di alcuni sensori che in tempo quasi reale comunicano con la turbina virtuale, informandola dell’utilizzo in corso. Ad esempio, vengono inviate informazioni in merito a accensione, velocità di rotazione, potenza elettrica, attrito (riscaldamento) dei componenti, ecc. Un aereo di ultima generazione genera per ogni volo 500GB di dati, con lo stato aggiornato ogni secondo e basato su circa cinquemila parametri. Questi dati vengono inviati in tempo quasi reale (ogni minuto o ogni 3 minuti a seconda dell’area in cui sta volando l’aereo).

Quando il Digital Twin riceve i dati è in grado di simulare la situazione operativa e rilevare eventuali malfunzionamenti. Se ciò accadesse, scatterebbero meccanismi di controllo per identificare il problema (ad esempio le cause di un surriscaldamento) e porvi rimedio (ad esempio diminuire la richiesta di potenza al motore).

Analizziamo un altro esempio: Tesla riceve informazioni dalle sue auto ogni giorno. Centinaia di migliaia di auto comunicano dove stanno viaggiando, gli ostacoli identificati lungo il percorso, il funzionamento del motore. Questa enorme mole di dati (Big Data) consente di costruire una mappa costantemente aggiornata delle strade e di verificare la presenza di malfunzionamenti strutturali, cioè dipendenti dalla progettazione e che quindi coinvolgono molte vetture.

Un Digital Twin per gli edifici

Possiamo pensare di trasferire questo concetto anche a un edificio, sfruttando proprio il modello virtuale messo a disposizione dalla metodologia BIM.

Ad esempio, dopo aver realizzato l’edificio, possiamo dotarlo di una serie di sensori di vario genere, che sono oggi sempre più accessibili in termini di costo.

Pensiamo ai seguenti sensori da posizionare opportunamente nei diversi vani in base delle loro caratteristiche funzionali:

• sensori di temperatura,
• sensori di umidità,
• sensori di pressione,
• sensore di qualità dell’aria,
• dispositivo di controllo dei consumi energetici,
• dispositivo di controllo dei consumi elettrici,
• sensore di luminosità,
• tag e sensori di prossimità,
• sensori di controllo accessi,
• ecc.

Tali sensori potrebbero generare una notevole quantità di dati, da trasferire in tempo reale all’edificio virtuale.

L’edificio virtuale dal canto suo, analizzando tutti questi dati, sarebbe in grado di definire in ogni istante il funzionamento corretto degli impianti e di tutti i componenti, al fine di mantenere costantemente il comportamento ottimale, garantendo confort e benessere.

La stessa tecnologia IoT (Internet of  Things) ben si presta a questo tipo di applicazioni. L’internet delle cose, infatti, consente agli oggetti di dialogare tra loro, con la possibilità di interagire con la rete e trasferire dati ed informazioni.

Per far funzionare correttamente l’internet of things, affinché sia davvero utile a noi, è importante processare, raccogliere ed analizzare grandi volumi di dati real time (ad esempio dai sensori, dai semafori, e da qualsiasi dispositivo IoT connesso), sia in azienda per migliorare sicurezza e produttività, sia in qualsiasi ambito e per qualsiasi tipo di oggetto connesso.

Da qui la necessità di sistemi integrati tra big data, database noSQL e dati IoT.

Modello virtuale dell’edificio e delle sue prestazioni energetiche, arriva il BEM

In definitiva, l’elemento principale, la chiave di volta di tutte queste innovazioni, è rappresentato dal modello digitale su cui effettuare tutte le analisi.

Possiamo pensare di creare un modello virtuale dell’edificio che contenga oltre ai dati geometrici anche tutti i dati e le informazioni energetiche, come ad esempio impianti, tipologia di isolamento, involucro opaco, strutture vetrate, apporti energetici, dati climatici, apporti interni, aspetti e caratteristiche di riscaldamento, raffreddamento e ventilazione.

In questo caso potremmo parlare di un vero e proprio modello energetico del sistema edificio/impianto, che ci consente di sfruttare tutte le potenzialità del BIM (BEM – Building Energy Model).

Grazie al modello energetico, il progettista potrà effettuare le dovute analisi nelle diverse fasi della progettazione, riuscendo a prevedere, e di conseguenza a comprendere, quello che sarà il reale comportamento che avrà l’edificio quando sarà costruito. Sarà quindi possibile individuare la soluzione progettuale ottimale.

Dunque sembra quanto mai opportuno introdurre l’acronimo BEM, Building Energy Model, che identifica il modello energetico dell’edificio, che consente, come visto, di trasferire i vantaggi applicati all’ambito della termotecnica e delle prestazioni energetiche.

Un tale modello apre le porte a qualsiasi tipo di scenario, anche a quelli più innovativi, in termini di:

• progettazione,
• realizzazione,
• controllo,
• gestione,
• manutenzione,
• demolizione.

Tutto questo è realizzabile solo partendo dal modello digitale BEM con il supporto di software di analisi e simulazione energetica dinamica.

La modellazione BIM 3D legata alle prestazioni energetiche rappresenta, dunque, una vera rivoluzione, in quanto:

• consente di creare il modello energetico del sistema edificio-impianto (BEM – Building Energy Model) che rivoluzionerà il mondo delle prestazioni energetiche delle costruzioni; la disponibilità di dati energetici del modello dell’edificio per tutti gli stakeholders e per tutte le fasi di vita della costruzione (progettazione, esecuzione, manutenzione, ecc.) permette di integrare la rivoluzione BIM anche al settore energetico;
• rende più facile l’input dei dati e allo stesso tempo più completa e dettagliata la progettazione energetica;
• offre nuovi strumenti per l’analisi e la comprensione del comportamento energetico del sistema edificio-impianto nelle diverse fasi della progettazione;
• consente di integrare la progettazione energetica del sistema edificio-impianto nel più ampio processo di creazione del modello BIM, anche grazie alla possibilità di importare modelli digitali IFC prodotti con altri software di BIM authoring.

Ricordiamo che il principale vantaggio offerto dal formato IFC è la possibilità di consentire la collaborazione tra le varie figure coinvolte nel processo di costruzione, permettendo loro di scambiare informazioni attraverso un formato standard, aperto e non proprietario. Questo comporta maggiore qualità, riduzione degli errori, abbattimento dei costi e risparmio dei tempi, con dati e informazioni coerenti in fase di progetto, realizzazione e manutenzione.

Il formato IFC è aperto, libero e ben documentato. Fornendo un’interfaccia IFC per l’esportazione e l’importazione conforme allo standard IFC, i fornitori di applicazioni software sono in grado di fornire l’interoperabilità con centinaia di altri strumenti ed applicazioni BIM.

BuildingSMART International ha definito un processo di certificazione che assicura la correttezza dell’importazione ed esportazione dei propri dati IFC, con la garanzia di conformità agli standard. È dunque fondamentale per un software fornire la garanzia di essere in grado di leggere, scrivere e scambiare informazioni con altri programmi.

Dal BEM alla simulazione energetica dinamica

Il passaggio dal BIM al BEM esprime pienamente le proprie potenzialità quando il modello energetico viene utilizzato per la simulazione dinamica del sistema edificio-impianto. A differenza dei metodi di calcolo convenzionali, basati su condizioni medie e su alcune semplificazioni, l’analisi dinamica descrive l’andamento delle prestazioni nel tempo, considerando dati climatici orari, profili di utilizzo degli ambienti e degli impianti, set point, apporti interni, ventilazione, ombreggiamenti e caratteristiche dell’involucro.

Il progettista può così confrontare differenti scenari e valutare con maggiore aderenza gli effetti delle proprie scelte, dalla programmazione degli impianti all’uso dei locali, fino a elementi apparentemente secondari come il colore della finitura esterna. Il BEM non costituisce quindi soltanto un contenitore strutturato di informazioni, ma diventa uno strumento operativo per individuare criticità, ottimizzare i fabbisogni e comprendere più approfonditamente il comportamento energetico dell’edificio. La maggiore precisione richiede, tuttavia, dati coerenti, competenze specifiche e tempi di elaborazione superiori rispetto a un calcolo semplificato.

Indirizzo articolo: https://biblus.acca.it/dal-bim-al-bem-building-energy-model-il-modello-energetico-del-sistema-edificio-impianto/