Urban energy digital twin: migliorare il patrimonio immobiliare con dati e tecnologia

Come riuscire a elevare le prestazioni energetiche degli edifici? Il recepimento della Direttiva EPBD richiederà di porre mano al patrimonio edilizio esistente. Attualmente, tre quarti abbondanti dei 12,5 milioni di edifici totali stagnano nelle ultime tre classi energetiche.

La Direttiva Case Green fissa quale obiettivo la riduzione del consumo medio di energia primaria del patrimonio immobiliare del 16% entro il 2030 e del 20-22% entro il 2035, fino a raggiungere la decarbonizzazione al 2050.

Per comprendere come e dove intervenire in modo puntuale si deve partire dai dati. È quanto ha fatto un team di ricerca interdisciplinare del Politecnico di Torino, che ha messo a punto una mappatura dettagliata delle prestazioni energetiche degli edifici del centro storico della città capoluogo piemontese, sfruttando i dati aerei e satellitari per ottenere informazioni utili a mettere a punto un urban energy digital twin. Dalle prestazioni energetiche alla predisposizione al fotovoltaico, tutto quello che occorre per intervenire al miglioramento edilizio senza richiedere interventi impattanti, come l’adozione del cappotto termico, sono possibili, permettendo risparmi energetici significativi, sulla carta.

Il progetto, basato sul centro città, è stato reputato di grande interesse dal Ministero della Cultura perché interessa edifici di valore storico ed è replicabile in ogni città e anche nei numerosi borghi italiani.

L’importanza di contare su urban energy digital twin

Adottare un urban energy digital twin per migliorare il patrimonio immobiliare significa creare le condizioni per intervenire su una quota importante di edifici. Soprattutto, permette di ritenere raggiungibili gli obiettivi della nuova EPBD per i centri e gli edifici storici con azioni mirate di efficienza energetica. Si stima che in Italia ci siano più di tre milioni di edifici storici realizzati prima del 1945, ovvero il 25% circa dell’intero stock nazionale.

«Già da qualche anno abbiamo cominciato a domandarci cosa sarebbe significato per il patrimonio italiano provare ad applicare gli obiettivi fissati dalla Direttiva – spiega Maria Ferrara, docente del Politecnico di Torino e referente scientifica del progetto di messa a punto della mappatura e della realizzazione dell’urban energy digital twin, insieme al professor Piero Boccardo –. Ci siamo resi conto che era necessario spostarsi da una scala di singolo edificio a una scala urbana». Il metodo ha tenuto insieme le due scale – quella del patrimonio edilizio a grande scala, su cui gli obiettivi EPBD dovranno essere misurati – e quella del singolo edificio, su cui dover ottimizzare I singoli interventi.

«Il nuovo mandato del Rettore del Politecnico si è posto come obiettivo di mettere tutte le risorse scientifiche e le conoscenze a disposizione dei diversi organi decisionali, a livello europeo (Commissione UE), a livello nazionale (Governo) fino a livello territoriale (Regione, Comune). Questa condivisione permetterà agli organi istituzionali di contare su elementi di conoscenze scientifiche alla base di una futura generazione di definizioni di strategie politiche basate sulla scienza», specifica il professor Giovanni Federigo De Santi, direttore del Foresight e Strategic Planning Office al Politecnico di Torino. Il lavoro condotto da Ferrara e Boccardo va proprio in questa direzione.

L’importanza e l’uso dei dati

Il progetto di messa a punto dell’urban energy digital twin ha colto diverse condizioni favorevoli: tra queste, la selezione di Torino tra le 100 Climate-Neutral Cities by 2030, ovvero le cento città europee che si impegneranno a diminuire le emissioni entro il 2030, costituendosi come poli per la sperimentazione e l’innovazione in ambito climatico ed esempi per le altre città europee. Questa è una leva importante per mettere in atto strategie utili a efficientare il patrimonio edilizio esistente e per pianificare strategie scientifiche finalizzate a concretizzare gli obiettivi.

Da qui si è partiti da alcuni elementi innovativi, il primo dei quali è l’utilizzo dei dati: per questo lavoro specifico, è stata sfruttata una grande mole di dati satellitari e terrestri.

«Questo è un elemento innovativo: stiamo iniziando a pubblicare i primi studi. Da poco ci rendiamo conto di cosa possa essere utilizzato di questa mole di dati per ottenere informazioni utili per fare efficientamento energetico sull’edificio – specifica Ferrara –. C’è molto sull’ambiente esterno, sul clima, ma molto poco sulle informazioni ottenibili per gli edifici. Viene in aiuto la possibilità di contare su dati sempre più ad alta risoluzione e con un grande dato di precisione. Stiamo lavorando per farci trovare pronti per sfruttare le potenzialità offerte dalla nuova entità satellitare che dovrebbe essere avviata nel 2026».

Il riferimento è a IRIDE, definita la più importante costellazione satellitare italiana per l’osservazione della Terra, al monitoraggio di eventi naturali, all’osservazione dei cambiamenti climatici e alla mappatura di infrastrutture critiche per la sicurezza.  

Dai dati alle informazioni fino all’urban energy digital twin

Dalla raccolta dei dati si è passati poi all’estrazione delle informazioni utili per ottenere informazioni. È un passaggio altrettanto importante e innovativo: a questo proposito, è venuta in aiuto l’intelligenza artificiale, mediante algoritmi di deep learning. Dai dati alle informazioni si arriva poi alla elaborazione di scenari.

In pratica, per comprendere dove intervenire è stata definita una mappatura attraverso telerilevamento della geometria e dell’emissione termica degli edifici esistenti. Si è poi proceduto allo sviluppo di un algoritmo di correlazione (AI-based) tra la “firma termica” dell’edificio e la sua classe di prestazione energetica. Questo ha permesso di ottenere una classificazione energetica della totalità degli edifici con un grado di accuratezza dell’80%.

Il potenziale fotovoltaico della città

L’urban energy digital twin conta su una modellazione energetica e una stima accurata dei consumi di energia di ciascun edificio e dell’intera città.

Non solo: consente di eseguire una mappatura dettagliata del potenziale fotovoltaico di tutte le superfici, ad alto grado di precisione (considerando tutti gli elementi utili, dall’ombreggiamento dei camini alla presenza di finestre per tetti fino alla pendenza di falda).

«Abbiamo la possibilità di contare su un’informazione utile fino al progetto esecutivo. Con un grado di risoluzione a scala di cm possiamo vedere esattamente dove è possibile installare i pannelli, contando anche sulla possibilità di simulare esattamente qual è l’esatto livello di radiazione solare. Secondo studi specifici, è emerso che la presenza di ombre portate, come può essere quella di un comignolo, possono portare fino a un 30% di variazione del potenziale fotovoltaico».

Contando anche su informazioni mirate sulla domanda e sulla produzione energetica è possibile fornire informazioni e ad alta precisione utili anche per il potenziale avvio di comunità energetiche in contesti urbani, compresi anche i centri storici.

La clusterizzazione degli edifici

Il lavoro del team per l’esecuzione dell’urban energy digital twin ha previsto una clusterizzazione degli edifici esistenti. «Siccome la riqualificazione del patrimonio edilizio non può essere fatta a tappeto, ma ogni edificio necessita di ottimizzazione, abbiamo messo a punto una metodologia di raggruppamento del patrimonio edilizio in famiglie di edifici», specifica Ferrara. Oltre che per classificazione per epoca costruttiva, il patrimonio è stato classificato anche tenendo conto della classe di dimensione edilizia, oltre a considerare le tipologia costruttiva (involucro) e impiantistica.

«Un altro elemento di innovazione è rappresentato dalla possibilità di applicare ad ampio raggio la clusterizzazione degli edifici e l’ottimizzazione della riqualificazione in funzione del tipo di edificio».

Da qui si sono ipotizzati gli scenari per migliorare in maniera mirata le prestazioni energetiche, con una riqualificazione impiantistica integrata, senza richiedere interventi sull’involucro. Quest’ultimo aspetto è di grande importanza nel caso di edifici storici, sottoposti a vincoli specifici di tutela. Questo aspetto, in particolare, ha attirato l’interesse del Ministero della Cultura. Con questo metodo è possibile intervenire sul patrimonio storico, non solo delle città, ma anche dei tanti borghi presenti in Italia, potendo contare sul miglioramento delle prestazioni energetiche anche degli edifici storici.

«L’ultimo aspetto su cui stiamo lavorando ed è anch’esso un elemento di innovazione è costituito dalla possibilità di interagire col cittadino. La piattaforma è pensata perché ogni cittadino possa beneficiarne».

Migliorare le prestazioni degli edifici storici: una base per future linee guida

La Direttiva EPBD richiede uno sforzo notevole per riqualificare un patrimonio edilizio per lo più energivoro e inefficiente. La riduzione dei consumi e la progressiva decarbonizzazione in scala macro, oltre che su singolo edificio, esige una strategia chiara. Ed è qui che la ricerca, quale quella condotta dal Politecnico di Torino può essere di aiuto anche a livello istituzionale e decisionale per attuare gli obiettivi comunitari e nazionali. In questo senso è utile segnalare l’accordo quadro stipulato tra il Ministero della Cultura, il Politecnico di Torino, il Politecnico di Milano, la società Cultura Valore, l’Università di Brescia e la Camera di Commercio di Brescia, per definire, anche mediante cantieri sperimentali e confronti transdisciplinari, un “protocollo di procedura” che supporti proprietari, professionisti, imprese e Soprintendenze in interventi di miglioramento energetico – intesi quale parte degli interventi di restauro, dunque in modo compatibile con le esigenze della tutela degli edifici di interesse artistico, storico, paesaggistico – sulla base di collaborazioni strutturate fra enti di ricerca pubblici e privati.

La metodologia, messa a punto con il Politecnico di Torino, sarà dunque debitamente messa a fuoco proprio con l’intento di creare delle linee guida condivise che siano di supporto agli interventi. «Questo accordo è molto molto importante per il Ministero della Cultura perché aiuterà i soprintendenti e i loro interlocutori a confrontarsi sulla base di approcci comuni e così, cercando di colmare una lacuna significativa riguardante la modalità di intervento sugli edifici storici, si avrebbe un passo avanti enorme», conclude De Santi.

A questo proposito è stata realizzata un’Aula Virtuale, che costituirà il repository e la piattaforma operativa in grado di supportare il lavoro collaborativo dei sottoscrittori e degli aderenti all’Accordo quadro, visibile sul portale del Ministero della Cultura.

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