Una ricerca inglese ha individuato i punti deboli delle tradizionali strategie di ventilazione naturale delle aule scolastiche
Negli ultimi sei anni un gruppo di ricerca dell'Università di Cambridge, guidato da professor Shaun Fitzgerald, ha condotto uno studio per comprendere il flusso della ventilazione naturale negli edifici e come esso potrebbe essere utilizzato per introdurre nuove strategie per la progettazione di edifici a basso consumo energetico.
La ricerca ha contribuito a evidenziare un certo numero di punti. “Uno è che ci sono enormi opportunità di fare la differenza nel consumo di energia degli edifici adottando strategie di ventilazione naturale, che in realtà non vengono prese in considerazione dai team di progettazione”, spiega Fitzgerald. Un altro è che ciò che è scritto nelle guide di progettazione sulla ventilazione naturale – ossia che l'aria fresca dovrebbe essere portata al livello basso e “sfogata” a livello alto – non funziona necessariamente. “È necessario cambiare la strategia in funzione delle temperature dell'aria esterna”.
Nel tentativo di affrontare questi problemi, Fitzgerald e i suoi colleghi hanno sviluppato E-stack, un sistema di ventilazione che ha la capacità di ridurre il consumo di energia in inverno fino al 75% rispetto ai sistemi meccanici.
Il principale colpevole dell'eccessivo uso di energia sono le correnti d'aria fredde. Per soddisfare i requisiti vigenti in Gran Bretagna e fissati nel Building Bulletin 101 – Ventilation Requirements of Classrooms –, un tasso medio giornaliero di ventilazione di 5 litri al secondo per ogni persona è considerato il minimo necessario in una classe durante le ore occupate dagli studenti. Ciò per limitare la concentrazione di biossido di carbonio, che può influenzare i livelli di concentrazione degli alunni.
Durante l'estate, la strategia di portare aria fresca sul perimetro attraverso finestre o bocchette di ventilazione a livello basso, lasciandola poi sollevare e “sfogare” a livello alto, funziona bene. In inverno invece, gli spifferi freddi a livello basso diventano un problema. Per aggirarlo, i progettisti passano l'aria su un radiatore o una batteria per riscaldarla a 15-18 °C. Ma qui iniziano i problemi.
Una classe media di 30 alunni genera un carico di calore di circa 3 kW – 65 W per bambino, 800 W per l'illuminazione e le apparecchiature IT. Se l'aria passando sopra i radiatori è già elevata a 18 °C ed è quindi sottoposta a un altro 3 kW di riscaldamento, può rapidamente aumentare a una temperatura molto sgradevole di 38°C.
Fitzgerald spiega che per fermare il surriscaldamento della stanza, gli insegnanti aprono diverse finestre, aumentando la percentuale di flusso di aria attraverso la classe. “Ora così il radiatore, non sta semplicemente riscaldando l'aria a minime percentuali di ventilazione, sta preriscaldando molto più di quanto sia necessario. La quantità di energia sprecata dal radiatore solo per fermare gli spifferi freddi è criminale”, spiega.
La risposta di Fitzgerald è cambiare del tutto la strategia in inverno, e piuttosto di preriscaldare l'aria, sfruttare il “forno” che già esiste in classe. Per fare questo, e superare il problema di come evitare correnti d'aria fredda, ha sviluppato il sistema di ventilazione E-stack.
Come funziona
Finestre apribili o bocchette di ventilazione a livello basso sono installate sul perimetro mentre E-stack – che comprende due pozzi di aerazione, una camera di miscelazione e un paio di ventole – è installato a livello alto.
Nel normale funzionamento delle cose, l'aria fresca entra sul perimetro, viene riscaldata dagli occupanti e sale ed esce al livello più alto. Tuttavia, quando le temperature esterne scendono tra i 5°C e i 18°C, la strategia cambia. A questa temperatura c'è ancora abbastanza calore in classe per mantenere un confortevole 21°C, ma il delicato problema è come portare aria fresca senza creare spifferi freddi.
Piuttosto che utilizzare le finestre perimetrali, vengono impiegati due pozzi di aerazione del sistema E-stack, uno per tirare dentro l'aria fresca e l'altro per dar sfogo al calore dell'aria viziata.
Due ventole a basso consumo – non più di 45W ciascuna – sono montate da un lato alla base dei due pozzi E-stack che contro-ruotano e inducono la miscelazione dell'aria prima che essa scenda nella zona occupata della classe. La differenza di pressione causata dalle ventole aiuta anche a impostare le caratteristiche di afflusso e deflusso del sistema E-stack. L'intera struttura è controllata utilizzando sensori di temperatura e di CO2. “Le ventole ci sono per indurre una miscelazione più affidabile rispetto al farlo naturalmente”, spiega Fitzgerald. “Ciò è quanto mancava nel settore” - e che è stato brevettato. In più esso utilizza molta meno energia rispetto al riscaldare l'aria con un radiatore.
Sopra ai 18°C la ventole di miscelazione si spengono e si ritorna alla ventilazione. Un altro vantaggio di E-stack consiste nel fatto che nei mesi estivi può essere utilizzato per prevenire il surriscaldamento.
Una ventilazione durante la notte può essere effettuata utilizzando il sistema E-stack. Sebbene aprire le finestre e utilizzare il camino è più efficiente, ciò può essere un rischio per la sicurezza. Invece il sistema può essere programmato in modo tale che tra alcune date, per esempio dal 1 maggio al 30 settembre, esso guarda indietro sulle ultime 24 ore e si chiede: la stanza era sopra i 24 °C ? Se lo era, gli smorzatori nel camino di ventilazione rimangono aperti quando l'aula è vuota finché essa raggiunge un livello di circa 18 °C. Tuttavia, se ciò non avviene entro le 3 am – quando l'aria notturna è più fresca – le ventole cambiano nuovamente direzione e questa volta tirano dentro l'aria fresca fino a quando il target di temperatura non è soddisfatto.
Finora sono stati installati nel Regno Unito nove sistemi E-stack. In base alle sperimentazioni, Fitzgerald stima che il sistema può realizzare nella regione risparmi energetici di 70-80 kWh/m2 all'anno rispetto a una pila di ventilazione convenzionale.
Il gruppo di ricerca guidato da Shaun Fitzgerald ha anche elaborato una semplice interfaccia per assicurarsi che il sistema sia gestito nel modo più efficace possibile. Quando fa caldo, una lampadina rossa indica che le finestre dovrebbero essere aperte, mentre quando fa freddo una lampadina blu indica che andrebbero chiuse.
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