UnUn’’Applicazione Domotica per Applicazione Domotica per ll’’Efficienza Energetica:Efficienza Energetica:

Sensori per lSensori per l’’Indoor MonitoringIndoor Monitoring

Ricerca e Sviluppo sui SENSORI CHIMICIal Centro Ricerche Brindisi

Michele Penza

ENEA, Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Brindisi (UTTMATB)

SS. 7, APPIA, Km 714 - PO BOX 51 Br-4, I-72100 Brindisi, Italy

Tel.: +39 0831 201422 Email: michele.penza@enea.it

A domestic application for Energy Efficiency: Sensors for Indoor Monitoring

M. PENZAM. PENZA Efficienza Energetica nellEfficienza Energetica nell’’Edilizia: Ricerca e Governance verso Nuovi Modelli di Edilizia: Ricerca e Governance verso Nuovi Modelli di Sviluppo, Sede Confindustria Brindisi, BrindisiSviluppo, Sede Confindustria Brindisi, Brindisi, 12 Settembre 2011, 12 Settembre 2011

SOMMARIOSOMMARIO

• CONSUMI DI ENERGIA NEGLI EDIFICI

• SENSORI PER L’INDOOR AIR QUALITY (IAQ)

• TECNOLOGIE SENSORI E SCENARI APPLICATIVI

• RISULTATI PROGETTO REGIONALE SISEDARE

• APPLICAZIONI: PROGETTI DI RICERCA ATTIVI

• CONSIDERAZIONI FINALI

Direttiva Europea 2002 sull’Efficienza Energetica ne gli Edifici (Energy Performance of Buildings Directive, 2002).

CONSUMI DI ENERGIA IN EUROPACONSUMI DI ENERGIA IN EUROPA

1 O. Seppanen,

11th Conference on Indoor Air Quality

2008, Copenaghen, Denmark

41% Energia Primaria consumata negli EdificiEdifici :

• 2/3 in Edifici Residenziali• 1/3 in Edifici Commerciali

LUOGHI DI INTERVENTO PER RISPARMIARE ENERGIA: LUOGHI DI INTERVENTO PER RISPARMIARE ENERGIA: EDIFICI RESIDENZIALI, PUBBLICI, COMMERCIALIEDIFICI RESIDENZIALI, PUBBLICI, COMMERCIALI

SOGGIORNO

CUCINA

BAGNO

UFFICI

SCUOLE

PALESTRE

MUSEI

HOTELS

AEROPORTI

ANATOMIA DELLANATOMIA DELL’’IAQ (Indoor Air Quality)IAQ (Indoor Air Quality)

Stimati dai 5000 ai 10000 composti organici volatili (VOCs) nell’ambiente Indoor,

che sono da 2 a 5 volte superiori in quantità rispetto all’ambiente outdoor (effetto sink).

FATTORI DI RISCHIO INCLUSI NELLE FATTORI DI RISCHIO INCLUSI NELLE LINEE GUIDA OMS PER LLINEE GUIDA OMS PER L’’IAQ IAQ (Indoor Air Quality)(Indoor Air Quality)

Effetti dannosi sulla salute delle persone più esposte (bambini, anziani): irritazione cute,

irritazione occhi, malattie respiratorie, malattie cardiovascolari (sindrome edificio malato).

No standard PAHBaP: 1 ng/m3

Fuels- solid- processed solid- liquid- gas- electricity

Allergenes- from house dust mites- from pets

Halogenated compoundsPAH(b), especially BaP(c).(b) Polycyclic aromatic hydrocarbons.(c) Benzo[a]pyrene

Dayly mean:50 µg/m3

Particulate matter (PM 2.5, PM10)

Radon (Rn)

1 – 10 ppmCarbon monoxide (CO)

100 – 200 ppbVentilation

- natural- forced

Ventilation- natural- forced / mechanical

Nitrogen dioxide (NO2)

Naphtalene

10 – 100 ppbBenzene

100 – 200 ppbStove venting

- flues- hoods

Dampness and mouldFormaldehyde

RangeIndoor

CombustionBiological AgentsPollutants

EDIFICI RESIDENZIALI, PUBBLICI, COMMERCIALI CON EDIFICI RESIDENZIALI, PUBBLICI, COMMERCIALI CON TECNOLOGIE TECNOLOGIE VERDIVERDI PER LPER L’’EFFICIENZA ENERGETICAEFFICIENZA ENERGETICA

La casa intelligente di ENEA al CR Casaccia, Roma (arch. G. Fasano)

La casa intelligente di Foundationof Research and Technology,

Creta (Dr. G. Kiriakidis)

• Vetri elettrocromici

• Sistemi di sicurezza

• Sistemi intelligenti

• Materiali innovativi

• Sensori per IAQ

• Pannelli fotovoltaici

• Sistemi intelligenti

SIEEB - Solar Energy-Efficient Building. Sino-Italian Ecological and Energy-EfficientBuilding, Tsinghua University di Pechino.

Progetto di Cooperazione Italia-Cina, Ministero Italiano dell’Ambiente (20.5 M€)

• Sensori di CO2

• Vetri elettrocromici

• Sistemi intelligenti

per illuminazione

• Sistemi di ventilazione

• Sistemi di co-generazione

Sede The New York TimesNYC (arch. R. Piano)

• Vetri elettrocromici

• Tubi ceramici efficienti

• Finestre smart inverno/estate

• Sistemi intelligenti di ventilazione

• Sensori IAQ innovativi

EDIFICI RESIDENZIALI, PUBBLICI, COMMERCIALI CON EDIFICI RESIDENZIALI, PUBBLICI, COMMERCIALI CON TECNOLOGIE TECNOLOGIE VERDIVERDI PER LPER L’’EFFICIENZA ENERGETICAEFFICIENZA ENERGETICA

Casa del Parlamento (Reichstag) Berlino (arch. Norman Foster)

• Sensori per IAQ

• Pannelli fotovoltaici

• Sistema di co-generazione

• Sistemi intelligenti di ventilazione

• Sensori IAQ

• Vetri elettrocromici

• Sistemi intelligenti per illuminazione

• Sistemi di ventilazione

• Sistemi di co-generazione

• Riscaldamento/Condizionamento

4 Times Square Building, NYC

• Sistemi di energia solare

• Riscaldamento/Condizionamento

• Sistemi intelligenti di ventilazione

• Sensori IAQ innovativi

GLA Building, Congress Center Londra (arch. Norman Foster)

AMBIENTE INDOOR E RISPARMIO ENERGETICO:AMBIENTE INDOOR E RISPARMIO ENERGETICO:SENSORI PER CONTROLLO AMBIENTALE (IAQ)SENSORI PER CONTROLLO AMBIENTALE (IAQ)

SISTEMI SENSORI PER CONTROLLI AMBIENTALI

AL FINE DI MINIMIZZARE I CONSUMI ENERGETICI:

Sensori per IAQ e HVACSensori per IAQ e HVAC:

• Sensori per il Comfort personaleSensori per il Comfort personale::

Sensore di Umidità

Sensore di Temperatura

Sensore di CO2

• Sensori per la Sicurezza domesticaSensori per la Sicurezza domestica::

Sensore per la rivelazione di CO

Sensore per la rivelazione di CH4

Sensore per la rivelazione di formaldeide

Sensore per la rivelazione di ozono

Sensori per composti organici volatili

IAQ - Indoor Air Quality

HVAC - Heating, Ventilation and Air Conditioning

TGS 4160 (Figaro) CO 2 Electrochemical Sensor

TRANSIENT RESPONSE OF SENSOR TOWARDS CO2

CALIBRATION CURVE OF SENSOR TOWARDS CO2

VHeater = 5 Volt

Dynamic range of sensor: 0 - 5 Volt

Data reading rate: 1 reading/10 sec.

CO2 concentrations tested:

2000 (2 expo), 1900, 1800, 1700, 1600, 1500,

1400, 1300, 1200, 1100, 1000, 900, 800, 700,

600, 500, 400, 300, 200, 150, 100, 50, 30 ppm.

SENSORI COMMERCIALI di COSENSORI COMMERCIALI di CO22 (1 di 2)(1 di 2)

AmbientAmbient COCO22: 200 : 200 -- 400 ppm400 ppm

SENSORI INNOVATIVI di COSENSORI INNOVATIVI di CO22 (2 di 2)(2 di 2)

TRANSIENT RESPONSE OF SENSOR TO CO2 CALIBRATION CURVE OF SENSOR TO CO2

Sensore Sensore conduttometricoconduttometrico di gas a di gas a nanotubinanotubi di carboniodi carbonio

BREVETTO ENEA IT BO2008 A000100BREVETTO ENEA IT BO2008 A000100

SENSORI COMMERCIALI di UMIDITASENSORI COMMERCIALI di UMIDITA’’(1 di 2)(1 di 2)

Sensore Capacitivo con Polimero Igroscopico (Sensore Capacitivo con Polimero Igroscopico (HoneywellHoneywell))

Sensore Capacitivo con Polimero Igroscopico (Sensore Capacitivo con Polimero Igroscopico (SensirionSensirion))

SHT7x-family • Sensore RH calibrato

• Sensore di temperatura integrato

• Uscita digitale

• Basso consumo di potenza (3 mW)

• Eccellente stabilità

• Facile integrazione

• Uscita analogica

• Basso consumo di potenza (1 mW)

• Eccellente stabilità

SENSORI INNOVATIVI di UMIDITASENSORI INNOVATIVI di UMIDITA’’(2 di 2)(2 di 2)

Sensore SAW oscillatore a 433.92 MHz su substrato d i quarzo per rivelare umiditàrelativa rivestito con film sottile di polivinil-alcol preparato mediante spin-coating

M. Penza, V.I. AnisimkinSensors and Actuators A , 76 (1999) 162-166.

Penza, G. CassanoSensors and Actuators B 68 (1-3) (2000) 300-306.

SAW

Oscillatori SAW

Sensore duale SAW

Poli-Vinil-Alcol

SISEDAREPROGETTO DI RICERCA INDUSTRIALE

(Febbraio 2010 - Agosto 2011)

SISTEMA INTEGRATO PER LA SOSTENIBILITÀDEGLI EDIFICI:

AUTOMAZIONE E RISPARMIO ENERGETICO

REGIONE PUGLIAProgramma Operativo 2007-2013

ASSE I Linea 1.1Aiuti agli investimenti in ricerca per le PMI

OBIETTIVO DI SISEDARE

Il progetto SISEDARE, finanziato dalla Regione Puglia,

ha l’obiettivo di sviluppare un innovativo sistema tecnologico costituito da diversi dispositivi elettronici, diversamente configurabili, per realizzare

dei kit a cui associare servizi di elaborazione dei servizi di elaborazione dei datidati tramite appositi software, al fine di:

� consentire la reale diffusione delle pratiche di sostenibilità ambientale degli edifici, con particolare attenzione all’efficienza energetica, sia in fase di progettazione che di gestione dell’edificio

� migliorare la qualità della vita all’interno degli edifici

� sviluppare un sistema per un mercato almeno

nazionale, ma verosimilmente internazionale.

RISULTATI DI SISEDARE

� Realizzazione hardware e

sviluppo firmware degli elementi del sistema:

- Interfacce elettroniche- Radio- Comunicazione wireless

� Realizzazione di un sensore CO e/o CH4 a stato solido basato su nanotecnologie per la valutazione della qualitàdell’aria all’interno dell’edificio

� Individuazione dei requisiti del sistema da realizzare e

parametri di controllo: SensoristicaSensoristica - AttuatoriAttuatori

� Sviluppo software di

elaborazione dati e di interfaccia per la gestione ottimale

dell’edificio in termini energetici

� Sviluppo software di progettazione edile per una

progettazione intelligente dell’edificio.

Dispositivi hardware realizzati (1/3)Dispositivi hardware realizzati (1/3)

Obiettivo comune a tutti i dispositivi elettronici realizzati: ridotte

dimensioni e modularità

Dispositivi wireless by Matrix SpA

• Protocollo wireless Zig-Bee per trasmissioni a basso transfer rate

• Futuro standard in ambito domotico

• Bassi consumi: circa 15 mW

• Bassi campi elettromagnetici: circa 100 volte inferiori al WiFi

Chiave USB(50 x 15 mm)

Modulo radio(35 x 15mm)

Dispositivi hardware realizzati (2/3)Dispositivi hardware realizzati (2/3)

Interfaccia Sensori

Temperatura

Luminosità

Umidità

Presenza

CO, CO2 e CH4 (by ENEA)

(40 x 37 x 18) mm

(70 x 50 x 15 mm)

Dispositivi wireless by Matrix SpA

Sensore di presenza

Dispositivi hardware realizzati (3/3)Dispositivi hardware realizzati (3/3)

Attuatori

On/Off

Open/Close

Dimmer

Misuratore di potenza

(110 x 54 x 15 mm) (40 x 37 x 18 mm)

Dispositivi wireless by Matrix SpA

SOFTWARE SISEDARE: tre attoriSOFTWARE SISEDARE: tre attori

Il progettista: ad es. un architetto o un ingegnere

Il manutentore: una figura specializzata nell’utilizzo e installazione di apparecchiature elettroniche

L’utente: persona che generalmente non ha competenze specifiche nel settore

SOFTWARE DI GESTIONE DEI DISPOSITIVI SENSORI ED ATTUATORI

DISTRIBUITI IN AMBIENTE DOMOTICO

Caratterizzazione: permette di progettare e configurare i parametri

essenziali di un edificio dal punto di vista termico ed elettrico

Manutenzione: permette la gestione dei parametri essenziali di un edificio

dal punto di vista termico ed elettrico

Utente: permette la gestione degli scenari

SOFTWARE SISEDARE: tre sezioniSOFTWARE SISEDARE: tre sezioni

Interfaccia-utente orientata alla:

Semplicità, Intuitività

Azioni guidate e/o vincolate

Riduzione degli errori di input

SW diviso in sette parti:

Dati generali dell’edificio

Dati ambienti

Superfici trasparenti

Illuminotecnica

Termico

Configurazione proposta

Indicazioni progettuali

PROCESSO DI FABBRICAZIONE PRESSO ENEA PROCESSO DI FABBRICAZIONE PRESSO ENEA

DEL SENSORE DI CO e/o CHDEL SENSORE DI CO e/o CH44

OTTIMIZZAZIONE DEL PROCESSO DI FABBRICAZIONE:

OLTRE 50 CAMPIONI-SENSORI PROCESSATI

SENSORE CON NANOTUBI DI CARBONIO SENSORE CON NANOTUBI DI CARBONIO

FUNZIONALIZZATI PER RIVELARE CO e/o CHFUNZIONALIZZATI PER RIVELARE CO e/o CH44

CAP METALLICOCAP METALLICO

PER FILTRO DI SENSOREPER FILTRO DI SENSORE

SENSORI CNT PER COSENSORI CNT PER CO

OUTPUT DI ENEA:OUTPUT DI ENEA:

FORNITURA DI 8 SENSORI CNT:FORNITURA DI 8 SENSORI CNT:PtPt (Pd)(Pd)

Carico di metallo funzionalizzante dei CNT: Pt (8 e 1 5 nm); Pd (8 e 15 nm)

CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SENSORE CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SENSORE

A PONTE CON COPPIA DI SENSORI CNT:A PONTE CON COPPIA DI SENSORI CNT:PtPt

Transiente e Curva di calibrazione del sistema a ponte con una coppia di sensori

nanotecnologici basati su CNT funzionalizzati con Pt 15 nm (CNTs:Pt15nm), operante

a 150°C (VH = 5V), per la rivelazione di monossido di carbonio (CO).

CO

Transiente e Curva di calibrazione del sistema a ponte con una coppia di sensori

nanotecnologici basati su CNT funzionalizzati con Pt 15 nm (CNTs:Pt15nm), operante

a 150°C (VH = 5V), per la rivelazione di metano (CH4).

CH4

CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SENSORE CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SENSORE

A PONTE CON COPPIA DI SENSORI CNT:A PONTE CON COPPIA DI SENSORI CNT:PtPt

Confronto delle curve di calibrazione del sistema a ponte con una coppia di sensori

nanotecnologici basati su CNT funzionalizzati con Pd 8 nm (CNTs:Pd8nm), operante a

150°C (VH = 5V), per la rivelazione di monossido di carbonio (CO) e metano (CH4).

SELETTIVITASELETTIVITA ’’CO RISPETTO AL CH4CO RISPETTO AL CH4

CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SENSORE CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SENSORE

A PONTE CON COPPIA DI SENSORI CNT:A PONTE CON COPPIA DI SENSORI CNT:PdPd

Analisi comparativa del sistema a ponte con sensori CNTs funzionalizzati con

cluster metallici di Pt (15nm) e Pd (8nm). Tensione applicata al riscaldatore diogni sensore nanotecnologico di VH = 5V, equivalente ad una temperatura di

esercizio del sensore di circa 150°C.TLV (CO) = 25 ppm (ACGIH)

Sistema a ponte con coppia disensori

Sensibilità

(mV/ppm)

Limite dirivelabilità

(LOD) (ppm)

Linearità

(R)

RapportoSensibilitàSCO/SCH4

CO CH4 CO CH4 CO CH4

CNTs:Pt15nm 1.34 0.154 < 15 < 100 0.96729 0.99461 8.7

CNTs:Pd8nm 6.8 1.31 < 25 < 100 0.99512 0.98101 5.2

CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SENSORE A CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SENSORE A

PONTE CON COPPIA DI SENSORI CNT:PONTE CON COPPIA DI SENSORI CNT:PtPt e CNT:e CNT:PdPd

CONFRONTO del SISTEMA A PONTE con COPPIA di SENSORI CONFRONTO del SISTEMA A PONTE con COPPIA di SENSORI

CNT:Pd8nm e SENSORE COMMERCIALE (Figaro, TGS 2442)CNT:Pd8nm e SENSORE COMMERCIALE (Figaro, TGS 2442)

Confronto della sensibilità del sistema-sensore con sensori nanotecnologici basati su

CNT funzionalizzati Pd 8 nm (CNTs:Pd8nm), operante a 150°C (VH = 5V), per la

rivelazione di monossido di carbonio (CO).

Curve di calibrazione dei due dispositivi:

NOSTRO sensore-duale (CNTs:Pd8nm) e sensore commerciale (TGS2442).

Configurazione dei sensori per la centralina multiparametrica

per il controllo dell’inquinamento indoor.

CENTRALINA MULTISENSORE PER IAQCENTRALINA MULTISENSORE PER IAQ::PONTE CNT:PONTE CNT:PtPt (Pd) (CO) (Pd) (CO) –– SP12A (CHSP12A (CH44) ) –– SP31 (Alcol) SP31 (Alcol) --

TGS4160 (COTGS4160 (CO22) ) –– HIH3610 (RH)HIH3610 (RH)

Patent Pending !!

Front-side and back-side del prototipo della centralina multiparametrica completa di

microcontrollore, componenti elettronici, sensori di gas, sensore di umidità, cella.

Centralina Multisensoreoperativa in un’abitazione:

Sensore di CO, CO 2, CH4

Patent Pending !!

CENTRALINA MULTISENSORE PER IAQCENTRALINA MULTISENSORE PER IAQ::PONTE CNT:PONTE CNT:PtPt (Pd) (CO) (Pd) (CO) –– SP12A (CHSP12A (CH44) ) –– SP31 (Alcol) SP31 (Alcol) --

TGS4160 (COTGS4160 (CO22) ) –– HIH3610 (RH)HIH3610 (RH)

SISEDARE: lSISEDARE: l’’ambiente di testambiente di test

Sensore di

presenza

Open/close

tapparella

Interruttore

Punto presa

Pulsante

SISEDARE: Test in una residenzaSISEDARE: Test in una residenza

Sensore di Temperatura, Umidità e Luminosità

Attivazione estrattore d’aria con

umidità maggiore della soglia impostata

Sensore CO, CO2, CH4

Attivazione finestra di allarme con valori

rilevati superiori alla soglia di sicurezza

SISEDARE: Test in una residenzaSISEDARE: Test in una residenza

Sensore di presenza

Punti luce

• Attivazione dei punti luce in

presenza di persone

• Disattivazione dei punti

luce in assenza di persone

TRAIETTORIE DI SVILUPPO DEI SENSORI DI GAS TRAIETTORIE DI SVILUPPO DEI SENSORI DI GAS PER lPER l’’IAQ: VALUTAZIONE COSTI/PRESTAZIONIIAQ: VALUTAZIONE COSTI/PRESTAZIONI

COSTI

PR

ES

TA

ZIO

NI

SINGOLI SENSORISISTEMI-SENSORI

MICROSISTEMI AUTONOMI

1010--100100€€ 500500--20002000€€ 30003000--50005000€€

APPLICAZIONIAPPLICAZIONII Settori Applicativi dei SENSORI ENEA sono:

• MONITORAGGIO AMBIENTALE (Inquinanti atmosferici: NO2, CO, SO2, H2S, BTX, CO2, ecc.)

• CONTROLLI OLFATTOMETRICI CON NASI ELETTRONICI (Impatto odorigeno di siti osmogeni)

• SICUREZZA DOMESTICA (Gas tossici: CO, NH3, CH4)

• EFFICIENZA ENERGETICA ELETTRODOMESTICI (Risparmio idrico)

• CONTROLLO DELLA QUALITA’ DELL’ACQUA

• AERONAUTICO (Cabin Air Quality, Engine Monitoring)

• ENERGIA (Idrogeno)

GLI SFORZI COORDINATI AUMENTANOGLI SFORZI COORDINATI AUMENTANOLL’’EFFICIENZA DI SISTEMA !EFFICIENZA DI SISTEMA !

La La SENSORISTICASENSORISTICA ((Scienza dei SensoriScienza dei Sensori) ha un forte carattere ) ha un forte carattere multidisciplinaremultidisciplinare

ed ed èè trasversale a vari settori applicativi, pertanto ottimizzazionitrasversale a vari settori applicativi, pertanto ottimizzazioni di sistema, di sistema,

innovazione e trasferimento tecnologico si raggiungono con la coinnovazione e trasferimento tecnologico si raggiungono con la condivisione ndivisione

degli obiettivi e ldegli obiettivi e l’’attivazione di attivazione di retireti di intelligenze e di organizzazioni.di intelligenze e di organizzazioni.

SPIRITO della Ricerca ed SPIRITO della Ricerca ed InnovazioneInnovazione…………..

CONSIDERAZIONICONSIDERAZIONI