Con il suo originale sistema di climatizzazione naturale, basato su camini solari e nebulizzazione d’acqua, il progetto di un hotel di Amsterdam rappresenta un interessante esempio di rielaborazione contemporanea di un concetto che si ispira alla natura.
La biomimesi o biometica (biomimicry in lingua inglese) è la disciplina che studia e imita le caratteristiche della natura come modello cui ispirarsi per sviluppare soluzioni innovative che consentano il miglioramento di attività e tecnologie e la riduzione il loro impatto sull’ambiente. Il termine deriva dal greco “bios”, ovvero vita, e “mimesis”, imitazione, e indica in pratica il trasferimento di processi biologici dal mondo naturale a quello artificiale.
La tecnologia diventa quindi il mezzo con cui riprodurre, attraverso l’imitazione, il funzionamento degli organismi viventi, nonché le capacità organizzative e di adattamento evolutivo che caratterizzano la natura. Per vincere la lotta per la sopravvivenza, piante e animali hanno infatti sviluppato soluzioni mirate al minor consumo possibile di risorse.
Questa premessa è doverosa per presentare il sistema di climatizzazione a servizio del Breeze Hotel di Amsterdam, di recente ribattezzato Four Elements Hotel (figura 1). Entrambi i nomi evocano, come vedremo, i principi sui quali si basa il concetto adottato per il controllo delle condizioni microclimatiche.
Inaugurato nel 2019 nel quartiere di Ijburg, l’hotel si sviluppa su 9300 m2 e 11 livelli, con la hall di ingresso al piano terra (figura 2) e le 198 camere e le 5 suites situate dal primo al nono piano. L’ultimo livello ospita la sala fitness e lo skybar con un grande balcone che offre la vista sulle acque dell’IJmeer.
Sviluppato da Amstelius/Dutch Green Company in associazione con Borghese Real Estate, l’hotel si presenta come il primo al mondo a energia quasi zero, essendo stato progettato sulla base di un concetto innovativo per riscaldare e raffreddare gli ambienti, denominato Earth, Wind & Fire (EWF), sebbene in realtà esso sfrutti 4 elementi naturali (da cui l’attuale nome): sole, vento, acqua e terra.
Il sistema di climatizzazione naturale fornisce inoltre l’acqua calda sanitaria e garantisce il ricambio d’aria ed è il risultato della combinazione tra riscaldamento solare e circolazione naturale.
Imitare la natura
L’utilizzo della ventilazione naturale per il raffrescamento degli ambienti non rappresenta certamente una novità, basti pensare, ad esempio, alla tecnica delle torri del vento dell’antica Persia. In anni recenti il concetto è stato tuttavia rielaborato in chiave tecnologica nell’ambito di una serie di importanti interventi su scala internazionale, sfruttando anche le capacità fornite dalla modellazione CFD.
Il concetto Earth, Wind & Fire è stato ideato dall’ingegnere Ben Bronsema, con l’obiettivo di limitare al minimo l’impiego di impianti meccanici a favore invece dell’utilizzo degli elementi naturali per riscaldare, raffreddare, umidificare e ventilare gli ambienti confinati.
Nell’ideazione del suo concetto Bronsema ha tratto ispirazione dallo studio dei termitai (figura 3), strutture complesse costituite da cumuli di terra all’interno dei quali le termiti coltivano un fungo che rappresenta la loro fonte di alimentazione e che deve essere mantenuto costantemente a circa 30 °C, indipendentemente dalla temperatura esterna, che può variare tra un massimo di 50 °C a mezzogiorno e quasi zero di notte.
A tale scopo le termiti scavano cunicoli per creare canali comunicanti con l’esterno grazie ai quali si creano flussi d’aria che viene aspirata per effetto convettivo dal fondo del cumulo e che attraversa l’intero termitaio mantenendo la temperatura costante.
Questa osservazione ha portato Bronsema a concepire la costruzione di edifici basati sulla ventilazione naturale per il controllo del microclima. Il risultato delle sue riflessioni è stato il concetto EWF che in seguito è diventato oggetto di un dottorato di ricerca presso l’Università Tecnica di Delft. Nell’ambito della sua ricerca, Bronsema ha sviluppato il concetto utilizzando una semplice modellazione computazionale che è stata poi perfezionata utilizzando una simulazione CFD e convalidata utilizzando modelli sperimentali.
Questo sistema di climatizzazione naturale si basa essenzialmente sulla combinazione di tre elementi tecnologici: camini solari, cascata climatica e pannelli fotovoltaici (figura 4). Nel loro insieme essi svolgono la stessa funzione delle tradizionali unità di trattamento aria, che quindi è stato possibile eliminare.
I camini solari
I camini solari sono posti sul lato sud e, grazie all’irraggiamento, garantiscono il riscaldamento e la movimentazione dell’aria. Uno sguardo attento permette di distinguere sulla facciata sud-ovest due elementi vetrati di sezione rettangolare che si innalzano dal piano terra fino alla copertura, che si trova a un’altezza di 33 metri.
Il dimensionamento dei camini solari si è basato sulla portata di ventilazione totale richiesta dalle camere e dagli spazi comuni, pari a 25.000 m3/h. Per ridurre al minimo la perdita di carico, e consentire quindi il tiraggio naturale, la velocità dell’aria nei camini è stata fissata pari a 1,5 m/s. Di conseguenza è stata calcolata la sezione di passaggio, pari a 4,9 m2, e poi suddivisa in due elementi con larghezza di 3,5 metri e profondità di 700 mm (figura 5).
La parte frontale e i due lati dei camini solari sono realizzati con pannelli in vetro trasparente in modo da consentire l’ingresso della luce solare e il riscaldamento dell’aria, mentre la parete posteriore è formata da 98 pannelli fotovoltaici di colore nero montati su una parete isolante, che generano 18.000 kWh di elettricità all’anno. L’altezza totale dei camini solari è di 33 metri e la superficie vetrata lorda totale sul lato esposto a sud-ovest è di 230 m2 mentre quella complessiva dei due lati esposti a sud-est e nord-ovest è di 42,5 m2. La superficie vetrata netta è stata calcolata con un fattore di riduzione di 0,95 della superficie lorda per tenere conto degli elementi strutturali che oscurano la radiazione solare incidente.
I raggi solari riscaldano l’aria facendola risalire verso l’alto fino a raggiungere la copertura. Questo movimento ascensionale dell’aria crea una zona di depressione alla base del camino, che viene sfruttata per aspirare al suo interno l’aria viziata proveniente dagli ambienti.
Nella parte superiore dei camini solari, l’aria riscaldata, che può raggiungere temperature fino a 60 °C, passa attraverso un sistema di recupero del calore per catturare l’energia prima che l’aria venga espulsa nell’atmosfera (figura 6).
Il calore recuperato viene immagazzinato sotto forma di acqua a una temperatura relativamente bassa, che può essere utilizzata per riscaldare l’edificio oppure l’acqua calda sanitaria (ACS), sia direttamente sia indirettamente tramite una pompa di calore, he ne aumenta la temperatura. Al 10° piano dell’hotel è previsto un serbatoio di accumulo ACS da 10.000 litri.
La quantità totale annua di energia termica prodotta dai due camini è di 101 MWh. Essi sono così efficienti che, in una giornata di pieno sole, il calore prodotto può essere superiore al fabbisogno termico dell’hotel. In tal caso esso viene immagazzinato in un campo geotermico posto sotto l’edificio, per essere utilizzato nella fase di riscaldamento invernale dell’edificio tramite una pompa di calore.
Il principio del recupero del calore è mostrato nella figura 6. Il calore estratto dal camino solare funge da sorgente termica per la pompa di calore, che produce acqua calda utilizzata per il riscaldamento dell’edificio, per la produzione di acqua calda sanitaria ed eventualmente per ripristinare l’equilibrio termico del campo geotermico.
Oltre ad attivare la circolazione naturale dell’aria, i camini solari consentono quindi di recuperare e produrre energia termica in modo gratuito e di accumularla nel terreno per l’utilizzo in inverno.
La cascata climatica
L’aria esterna per il ricambio e il reintegro dell’aria espulsa dal camino solare viene aspirata a livello della copertura, in un punto posizionato sul lato sopravvento rispetto al punto di espulsione dell’aria in modo da evitare fenomeni di contaminazione incrociata tra i due flussi.
L’aria entra in un cavedio posto al centro dell’edificio, denominato “cascata climatica”, e scende fino al piano terra, dove viene raffreddata, riscaldata, umidificata o deumidificata, a seconda del periodo dell’anno e delle necessità, mediante acqua nebulizzata da ugelli disposti sulla sommità del cavedio. L’acqua spruzzata nel flusso d’aria viene ricircolata mediante una pompa che la preleva dal bacino di raccolta inferiore.
Essa deve essere mantenuta a una temperatura costante di 13 °C tutto l’anno. In caso di aumento sopra questo valore, l’acqua del bacino viene raffreddata con acqua prelevata dai pozzi realizzati sotto l’edificio. Viceversa, quando la temperatura dell’acqua tende a scendere sotto 13 °C, essa viene riscaldata mediante uno scambiatore di calore alimentato con acqua riscaldata dal recuperatore di calore.
L’elevato coefficiente di trasmissione di calore delle goccioline d’acqua che cadono, unitamente alla loro ampia superficie attiva, garantisce che la cascata climatica possa funzionare con un ridotto differenziale di temperatura tra aria e acqua.
Essa funziona quindi come uno scambiatore di calore attivato dalla forza di gravità. In estate gli spruzzi d’acqua possono raffreddare l’aria da 28 a 18 °C. L’acqua fredda provvede inoltre a deumidificare l’aria dato che l’umidità in eccesso si condensa sulle goccioline di acqua fredda.
Quando si raffredda, l’aria tende a cadere alla base del cavedio e il movimento verso il basso dell’aria è rafforzato dal trasferimento della quantità di moto dalle goccioline d’acqua all’aria. Questa pressione aerodinamica, insieme alla pressione idraulica e al tiraggio termico verso il basso, rende superfluo l’impiego di ventilatori per la circolazione dell’aria. La nebulizzazione dell’acqua ha anche l’effetto di rimuovere le particelle contaminanti dall’aria esterna, garantendo così la sua depurazione e quindi un’elevata qualità dell’aria immessa negli ambienti.
Man mano che l’aria raffreddata scende verso il basso, ai piedi della cascata si verifica un aumento della pressione che viene utilizzata per convogliare l’aria fresca raffreddata in un canale che la porta ai vari piani, fino alle camere.
In inverno la temperatura dell’acqua spruzzata a 13 °C risulta idonea per riscaldare l’aria, tipicamente da –10 a +6,5 °C, e ovviamente umidificarla. Alla base della cascata è stata inoltre prevista una batteria di riscaldamento ausiliaria che aumenta la temperatura dell’aria fino a 18 °C prima dell’immissione in ambiente, utilizzando acqua calda prodotta dal sistema di recupero di calore.
L’acqua spruzzata viene raccolta in un bacino alla base della cascata climatica e pompata attraverso un impianto di trattamento prima del riutilizzo. È infatti fondamentale garantire la totale assenza di incrostazioni, fanghi e crescita batterica. È tuttavia da sottolineare il fatto che, quando è in funzione, il sistema non comporta il rischio Legionella data la bassa temperatura dell’acqua, sempre inferiore a 20 °C.
La cascata climatica e il camino solare generano una modesta differenza di pressione per muovere l’aria di ventilazione, il che significa che i condotti dell’aria devono avere dimensioni maggiori rispetto a quelli tradizionali per minimizzare le perdite di carico. Sia il cavedio di aspirazione dell’aria esterna che quello di espulsione sono comunque dotati di ventilatori assiali per assistere il flusso d’aria naturale quando necessario.
In particolare, il ventilatore di estrazione, dotato di inverter, provvede a mantenere costante la portata d’aria totale di ventilazione di 25.000 m3/h, indipendentemente dal tiraggio del camino solare, che dipende dalla radiazione solare, dalla forza del vento e dalla temperatura esterna e che può variare tra −5 e +50 Pa. In condizioni estreme, con una temperatura esterna di 35 °C e un temporale che praticamente oscura tutta la luce solare, il riscaldamento dell’aria di ventilazione nel camino solare si riduce a zero e il tiraggio negativo può arrivare fino a circa −10 Pa.
I pannelli fotovoltaici
L’edificio è progettato per essere quasi autosufficiente dal punto di vista energetico. Il sistema di climatizzazione naturale utilizza pochissima energia. Il componente che comporta il maggiore consumo è la pompa che preleva l’acqua dal pozzo e la porta agli ugelli di nebulizzazione posti nella parte superiore della cascata climatica. Il sistema viene reso ancora più efficiente grazie alla possibilità di arrestare il funzionamento degli ugelli quando la temperatura esterna o l’umidità relativa lo consentono. Il fabbisogno energetico per la produzione di acqua calda, per riscaldamento e usi sanitari, è anch’esso ridotto al minimo grazie al fatto che, oltre ad attivare la circolazione naturale dell’aria, i camini solari consentono, grazie al sistema di recupero di calore, di produrre energia termica in modo gratuito e di accumularla nel terreno per l’utilizzo in inverno.
Gli altri sistemi che garantiscono le condizioni di benessere per gli ospiti e la disponibilità di potenza elettrica per le prese e le varie apparecchiature sono alimentati, prevalentemente, da un sistema fotovoltaico. L’involucro esterno dell’hotel è rivestito quasi interamente da pannelli. Ad eccezione del prospetto nord-est, questi sono infatti posti sulla copertura e su tutte le facciate, e anche la pensilina che sporge dal fronte dell’edificio ne è provvista.
L’elettricità prodotta dai pannelli in facciata si aggiunge a quella fornita da quelli integrati nei camini solari. L’hotel è quindi in grado di produrre una quantità di energia pari quasi al suo fabbisogno. Dato i pannelli fotovoltaici non sono il miglior materiale per il rivestimento delle facciate, il team di progettazione ha collaborato con un produttore per sviluppare elementi in vetro di colore argento e nero. Essi sono leggermente sovrapposti per interrompere la superficie piatta del rivestimento.
La facciata principale è rivolta prevalentemente a sud-est. Per massimizzare l’area disponibile per la produzione di energia, le dimensioni delle parti vetrate sono state ottimizzate. Le finestre non dovevano essere troppo larghe, ma si è voluto garantire che gli ospiti potessero godere al massimo della vista verso l’esterno. Sono state quindi progettate finestre verticali a tutta altezza, da pavimento a soffitto in modo da far entrare la massima luce naturale e consentire agli ospiti di avere un collegamento visivo con l’esterno.
Il sistema per le camere
Il sistema con il quale l’aria esterna viene aspirata all’interno dell’hotel tramite la cascata climatica e viene espulsa tramite il camino solare permette di ventilare in modo naturale tutte le stanze e gli spazi comuni, senza la necessità di utilizzare un sistema di ventilazione meccanica. L’aria viene immessa a una temperatura costante di 18 °C, mentre il controllo della portata d’aria di ricambio fornita a ciascuna delle camere viene garantito da una valvola a volume costante.
Nelle camere sono stati previsti ribassamenti per alloggiare ventilconvettori (di tipo canalizzato collegati a bocchette di immissione) che provvedono al controllo della temperatura e della velocità dell’aria immessa (figura 7). Quando l’ospite lascia la camera, il sistema di regolazione automatica imposta il set-point in modalità di risparmio energetico.
Un progetto integrato
Dopo una lunga carriera nel settore della progettazione di impianti HVAC, Ben Bronsema ha ideato il sistema di climatizzazione naturale spinto in particolare dal desiderio di colmare il gap tra architettura e impianti, sviluppando una soluzione integrata e utilizzando l’edificio come “motore” che fornisce l’energia per il trattamento dell’aria.
L’integrazione del camino solare e della cascata climatica richiede una stretta collaborazione, sin dall’inizio del progetto, tra ingegnere e architetto, che svolge un ruolo chiave come co-progettista tecnico e artistico del sistema climatico dando forma al design dell’edificio, che diventa in pratica una “macchina climatica”. La collaborazione tra le discipline risulta fondamentale per il successo del concetto di climatizzazione naturale. In linea di principio, il progetto integrato migliorare la qualità dell’edificio nel suo insieme, riducendo allo stesso tempo i costi di investimento e di esercizio.
Nel caso specifico dell’hotel, è stato necessario progettare un edificio molto efficiente e razionale basato su una planimetria compatta. Come detto, i cavedi per attivare la circolazione naturale presentano un ingombro maggior rispetto a quelli di un edificio tradizionale, dato che i valori della velocità dell’aria e delle perdite di carico devono essere inferiori. È tuttavia da considerare che si riducono notevolmente le superfici dei locali tecnici destinati a ospitare le apparecchiature, in particolare le unità di trattamento dell’aria.
La simulazione energetica
Prima dell’applicazione del sistema a servizio del Breeze Hotel, Bronsema ha sviluppato una modellazione energetica prendendo come riferimento la ristrutturazione di un edificio per uffici di quattro piani, allo scopo di verificare la fattibilità e l’effettivo contributo dei diversi componenti del sistema.
A tale scopo la modellazione è stata impostata in modo da valutare l’impatto che i singoli interventi sulla riduzione del consumo energetico del sistema, fino a rendere l’edificio a energia positiva (figura 8).
Come baseline di riferimento è stato considerato un consumo energetico annuo di 120 kWh/m2 di un edificio standard. Grazie alla cascata climatica il valore si riduce a 101, con il camino solare scende a 85, con l’accumulo di caldo e di freddo si riduce ulteriormente a 54, mentre il sistema fotovoltaico (ed eventuali pale eoliche) rende l’edificio produttore di energia con un surplus di 5,6 kWh/m2.
Conclusioni
Le elevate prestazioni ambientali del progetto hanno consentito di ottenere la certificazione BREEAM Excellent. In particolare il consumo di energia del sistema di climatizzazione naturale risulta molto ridotto, pari a circa il 20% rispetto a quello di un edificio dotato di un sistema HVAC di tipo tradizionale.
Il concetto Earth Wind & Fire (camini solari, cascata climatica e pannelli fotovoltaici) può essere applicato alla maggior parte dei nuovi edifici, a condizione che il contributo del vento e del sole non sia ostacolato dagli edifici circostanti. Il camino solare, ad esempio, non deve essere ombreggiato da altri edifici o dalla vegetazione. I costi di investimento del sistema sono simili a quelli di un hotel convenzionale, l’unico costo aggiuntivo è costituito dai camini solari.
Analogamente a quanto fatto da Bronsema con i suoi colleghi della Delft University of Technology, nella fase preliminare di un progetto basato su questo concetto risulta fondamentale stabilire una stretta collaborazione con gli architetti e sviluppare una simulazione CFD per ottimizzare e verificare le prestazioni del sistema.
Altri progetti biomimetici
Pur con soluzioni diverse, il concetto biomimetico che sfrutta la ventilazione naturale mediante camini solari è stato applicato anche in altri importanti progetti, alcuni già descritti in precedenti articoli pubblicati da RCI.
Qui potete trovarne tre:
