Mo­del­lo di sti­ma del po­ten­zia­le so­la­re in fac­cia­ta

Una risorsa verso edifici più sostenibili

La startup zurighese Amenti AG ha realizzato un applicativo in grado di combinare in modo efficiente un modello di stima intelligente del potenziale solare con un ambiente 3D urbano, permettendo una visualizzazione immediata dei risultati, aumentandone l'utilizzo, l'impatto e la diffusione.

Data di pubblicazione
08-07-2024
Domenico Altieri
Ricercatore Gestione edifici, Settore sistema edificio, DACD-SUPSI
Mohamed Boutaleb
Collaboratore scientifico, Gestione edifici settore sistema edificio, DACD-SUPSI
Alberto Follo
Dottorando Involucro innovativo (BIPV), Settore sistema edificio, DACD-SUPSI
Tönu Mauring
Fisico della costruzione, co-fondatore e responsabile sviluppo software Amenti AG

Nel campo dello sviluppo di progetti architettonici e investimenti immobiliari, l'accesso a informazioni esaustive svolge un ruolo fondamentale nell’indirizzare decisioni che influenzano la sostenibilità, le prestazioni e i costi. Tuttavia, accedere e gestire tale varietà di dati in modo efficace durante le fasi iniziali di un progetto può rappresentare una sfida importante. 

Valutazioni energetiche esaurienti effettuate nelle varie fasi progettuali devono promuovere ambienti costruiti sostenibili in linea con la Strategia Energetica Svizzera 2050,1 ponendo enfasi sull'efficienza energetica e l'adozione di sistemi di energia rinnovabile (RES). A tal proposito, grazie ai bassi costi di manutenzione, alla disponibilità immediata della radiazione solare e ai miglioramenti significativi nell’efficienza di conversione dell’energia, l’utilizzo della tecnologia fotovoltaica (PV) rappresenta una soluzione chiave per il raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità. La Direttiva europea sul Rendimento energetico degli Edifici (EPBD)2 prescrive che i nuovi edifici nei Paesi dell'Unione Europea debbano raggiungere standard energetici elevati, sfruttando sempre di più fonti di energia rinnovabili. In tal senso, il fotovoltaico integrato nell'edificio (Building-Integrated Photovoltaics, BIPV), che si riferisce a celle fotovoltaiche integrate nell'involucro dell'edificio, quali facciate o tetti, rappresenta un approccio innovativo per favorire l'energia rinnovabile nel settore edilizio, sfruttando l’irraggiamento solare che incide sulla superficie del fabbricato. 

Il BIPV si differenza dal tradizionale fotovoltaico applicato (BAPV). Rispetto a installazioni BAPV, che si limitano unicamente alla produzione di energia elettrica, un’istallazione BIPV esprime la multifunzionalità del componente PV che svolge anche il ruolo di elemento edilizio, adempiendo a una funzione definita nel Regolamento europeo di prodotto CPR 305/2011. Il fotovoltaico integrato (BIPV) costituisce un'opportunità unica per migliorare l’efficienza energetica degli edifici e la produzione locale di energia rinnovabile, riducendo al contempo i costi.3 Il BIPV è riconosciuto come una fonte energetica rinnovabile capace di soddisfare i requisiti energetici stabiliti dalla Legge federale sull'Energia. Pertanto, un'analisi preliminare del BIPV all'inizio del processo di progettazione di un edificio risulta fondamentale per un'effettiva integrazione di fonti rinnovabili e per la progettazione di edifici efficienti dal punto di vista energetico, aspetti che solitamente vengono combinati solo in fasi successive, comportando costi più elevati e soluzioni finali non ottimali.

La soluzione di Amenti

La startup zurighese Amenti AG, riconoscendo l’importanza di fornire informazioni di dettaglio già in fase preliminare, sta attivamente sviluppando uno applicativo SaaS (Software as a Service) per supportare la fase di fattibilità di un qualsiasi progetto immobiliare. Lo strumento utilizza dati locali, come le mappe catastali e le normative urbanistiche, per generare scenari edilizi ottimali, incorporando risultati economici e finanziari per varie potenziali destinazioni d'uso e località. Lo stato attuale di tale applicativo permette unicamente stime di fattibilità senza fornire ancora analisi preliminari del potenziale utilizzo di un impianto BIPV per aumentare il livello di autarchia energetica dell’immobile. Tuttavia, la necessità di integrare nella versione attualmente disponibile il calcolo del potenziale solare con annessa analisi tecnico economica in caso di impianto BIPV pone le basi della collaborazione tra Amenti AG e la Scuola universitaria della Svizzera italiana (SUPSI) per un nuovo progetto di ricerca finanziato dall’Agenzia svizzera per la promozione dell’innovazione (Innosuisse) che ha avuto inizio nel 2022. 

Quest’ultimo, grazie all’esperienza e alle competenze di SUPSI, Amenti AG e alla collaborazione con Viridén+Partner, introduce un approccio unico e innovativo per espandere i servizi proposti dall’attuale applicativo, consentendogli di fornire stime preliminari accurate e rapide del potenziale di integrazione del BIPV in vari scenari progettuali con pochi clic e in pochi minuti.

L'unicità di questo miglioramento risiede in due aspetti principali: in primo luogo, integra le caratteristiche del BIPV nel processo decisionale di costruzione durante la fase di fattibilità e, inoltre, utilizza tecniche di machine learning per ottimizzare il calcolo del potenziale solare, rendendolo veloce, robusto ed estremamente user-friendly

L'integrazione del BIPV sarà proposta come un modulo aggiuntivo all'attuale applicativo di Amenti AG, ampliandone così la portata. Gli utenti avranno la possibilità di utilizzare tale strumento per valutare il potenziale del BIPV sia sviluppando geometrie di progetto da zero, sia importando progetti di edifici esistenti (ancora in fase di sviluppo) per fini valutativi. Il modulo fornirà agli utenti un rapporto PDF di valutazione della soluzione BIPV, consentendo così alle parti interessate di prendere decisioni informate sull'integrazione del fotovoltaico solare.

I miglioramenti previsti si allineano con le tendenze del settore sempre più orientate verso pratiche edilizie sostenibili con tassi di integrazione delle energie rinnovabili in estrema ascesa. Attraverso un approccio di progettazione trasversale il web-tool proposto automatizza la raccolta dei dati e propone soluzioni progettuali, tenendo conto dei requisiti legislativi, dei rischi locali, della domanda di mercato e degli obiettivi di sostenibilità.

In particolare, al calcolo del potenziale solare sarà associata un’analisi tecnico-economica di dettaglio al fine di prevenire possibili rischi che possono emergere da un qualsiasi progetto di investimento, valutando l’impatto che eventuali cambiamenti di sistema potrebbero avere sul livello di competitività della soluzione proposta. L’analisi e la stima di molteplici indicatori economici consentono alle parti interessate di valutare la fattibilità finanziaria, condurre analisi di sensibilità, confrontare scenari alternativi all'interno o tra diversi progetti e prendere decisioni di investimento sulla base del valore attuale dei flussi di cassa attesi. 

Come funziona il modello innovativo di stima del potenziale solare?

L’approccio di calcolo adoperato tiene conto della riduzione di irraggiamento solare diretto su una specifica superficie dovuta alle caratteristiche urbane e ambientali in prossimità dell’immobile analizzato, utilizzando come input i livelli di ombreggiatura locali, il sito, il periodo dell’anno e l’angolo di azimuth della superficie stessa. Il modello di machine learning calibrato4 garantisce un’alta accuratezza in ogni scenario e permette agli utenti di eseguire complesse simulazioni solari senza per forza dover possedere competenze specialistiche in materia di tecnologia solare o adoperare strumenti specializzati. Questo processo semplificato non solo fa risparmiare tempo e risorse, ma rende lo strumento molto più accessibile e fruibile.

Il raggiungimento di tale obiettivo ha richiesto al gruppo di lavoro lo sviluppo di un dataset estremamente ampio (circa 1 milione di osservazioni) utilizzato successivamente per la calibrazione del modello di calcolo del potenziale solare. I dati utilizzati sono stati generati con l’utilizzo di avanzati software di calcolo specializzati per l’analisi solare.5 In particolare, simulazioni parametriche hanno permesso di valutare in dettaglio la variazione di irraggiamento dovuto a una grande varietà di combinazioni degli input di interesse. 

La fase di calibrazione del modello ha adoperato tecniche avanzate di ottimizzazione numerica6 al fine di esplorare diverse configurazioni con l’obiettivo di garantire un adeguato livello di robustezza e accuratezza al variare degli scenari architettonici e urbani analizzati. Infine, la fase di validazione ha richiesto anch’essa una lunga e attenta verifica della distribuzione degli errori del modello, valutandone potenziali bias. Sono state inoltre confrontate le performance del modello con software di calcolo disponibili sul mercato, specializzati sul calcolo solare,7 riscontrando perdite di accuratezza trascurabili a fronte di tempi di analisi e implementazione estremamente ridotti.

Conclusioni

In sintesi, l’utilizzo delle facciate degli edifici per la generazione di energia rinnovabile attraverso soluzioni BIPV presenta notevoli benefici ambientali ed economici. Tuttavia, uno dei principali ostacoli nella fase iniziale di progettazione è la contabilizzazione efficace della variabilità intrinseca nella disponibilità solare sulle facciate urbane. Il progetto di ricerca proposto affronta questa sfida, adoperando un approccio basato su un modello di machine learning che garantisce un maggiore equilibrio tra alta accuratezza e bassi costi computazionali.

L’applicativo sviluppato da Amenti AG rappresenta un primo esempio in grado di combinare in modo efficiente un modello di stima intelligente del potenziale solare con un ambiente 3D urbano, permettendo una visualizzazione immediata dei risultati, aumentandone l’utilizzo, l’impatto e la diffusione.

Contenuto realizzato in collaborazione con Svizzera Energia

Note

 

1. R. Kannan, E. Panos, S. Hirschberg, T. Kober, A net zero Swiss energy system by 2050: Technological and policy options for the transition of the transportation sector, «Futures & Foresight Science», n. 4, pp. 3-4.

 

2. C. Maduta, D. D'Agostino, S. Tsemekidi-Tzeiranaki, L. Castellazzi, G. Melica, P. Bertoldi, (2023). Towards climate neutrality within the European Union: assessment of the Energy Performance of Buildings Directive implementation in Member Statesin «Energy and Buildings», 113716.

 

3. P. Corti, P. Bonomo, F. Frontini, P. Macè, E. Bosh, Building Integrated Photovoltaics: A practical handbook for solar buildings’ stakeholders. Status Report 2020, 2020, https://solarchitecture.ch/bipv-status-report-2020/.

 

4. D. Altieri, E. Saretta, T. Mauring, M. Boutaleb, G. Branca, (novembre 2023). Predictive model of solar potential on building façades with the sky view factor as shading indicator. In «Journal of Physics: Conference Series» (Vol. 2600, No. 4, p. 042003). IOP Publishing.

 

5. Sono stati utilizzati software e/o plugin che implementano metodi di ray-tracing per calcolare l'irraggiamento solare sulle superfici di modelli 3D, come il software parametrico Grasshopper e Ladybug.

 

6. Un’ottimizzazione bayesiana è stata utilizzata per la calibrazione degli hyperparameters del modello previsionale (Garnett, R. (2023). Bayesian optimization. Cambridge University Press). 

7. BIMSolar, https://www.bim-solar.com/?sfw=pass1698133779.