Climatizzazione ad aria per il “palazzo dell’acqua”

Efficiente, affidabile e completamente monitorato, l’impianto di climatizzazione a tutt’aria esterna dell’headquarters di CAP Holding coniuga benessere delle persone e salubrità degli spazi di lavoro con elevate prestazioni energetiche.

Entrato in funzione nel giugno 2022, la nuova sede dell’utility pubblica che provvede al servizio idrico integrato per Milano e hinterland è un edificio caratterizzato da un involucro edilizio prevalentemente opaco, sprovvisto delle grandi vetrate che – oltre a risultare termicamente meno efficienti – omologano gran parte delle architetture contemporanee a destinazione terziaria. L’edificio ospita le attività direttive, tecniche e amministrative del gruppo (circa 900 persone) in ambienti confortevoli e funzionali, dall’immagine piacevole e informale.

L’efficienza dei sistemi impiantistici, il consistente contributo dei recuperi termici e l’esteso ricorso alle fonti rinnovabili, rendono la costruzione estremamente sostenibile dal punto di vista energetico (classe energetica A3 CENED; certificazione LEED, rating Gold).

Gestione sostenibile del ciclo idrico

CAP Holding è il gruppo industriale a capitale interamente pubblico che si occupa del Servizio Idrico Integrato per oltre 2.300.000 abitanti, insediati nei comuni della Città metropolitana di Milano e nelle province limitrofe, secondo il modello “in house providing” nel rispetto dei principi di trasparenza, responsabilità e partecipazione.

Con un patrimonio netto di 826 milioni di euro e un capitale investito superiore al miliardo, CAP Holding è una delle principali monoutility nel panorama nazionale e reinveste ogni anno il saldo di gestione nello sviluppo e nell’incremento dell’efficienza del servizio. Il Water Safety Plan – un sistema globale di gestione del rischio esteso all’intera filiera idrica, realizzato con la consulenza dell’Istituto Superiore di Sanità – e il Geological Supporting System Water Alliance – che esegue analisi predittive su quantità e qualità dell’acqua presente nel sottosuolo – consentono di orientare al meglio gli investimenti e comprendere l’impatto del cambiamento climatico sui servizi erogati.

Attraverso 6.442 km di rete idrica con 713 pozzi, 310 impianti di potabilizzazione e 180 case dell’acqua, CAP Holding eroga ogni anno in media circa 200.000.000 m3 di acqua potabile, controllata regolarmente in accordo con le autorità sanitarie, e gestisce una rete fognaria di oltre 6.615 km con 40 impianti di depurazione.

Il Piano di Sostenibilità, ad esempio, ha come obiettivi la riduzione dal 24% al 15% del tasso di dispersione idrica, per allinearsi al target europeo, e la riduzione di 1/3 delle dispersioni attraverso la rete, entro il 2033. Allo scopo sono stati predisposti progetti di ricerca integrata delle perdite su tutta la rete e sono state introdotte tecnologie innovative per la loro individuazione e riparazione.

Sul fronte della raccolta e depurazione delle acque reflue, il Piano di Sostenibilità si concentra sia sul rinnovamento e l’ottimizzazione delle reti fognarie, sia sulla “chiusura del cerchio” della problematica ambientale costituita dai fanghi di supero (il residuo solido prodotto dagli impianti di trattamento), con l’obiettivo di ridurre l’impatto della CO2 del 40% e il volume dei fanghi dell’87% entro il 2033.

L’implementazione di bioraffinerie in numerosi depuratori, per la produzione di biogas e biometano a basso impatto ambientale utilizzando anche rifiuti organici dell’industria agro-alimentare dell’hinterland milanese, e il recupero e riutilizzo di 2.532 t di sabbia (circa 10 t al giorno), proveniente dal ciclo di depurazione dei reflui e dai rifiuti generati dalla pulizia delle acque di scarico, sono fra le iniziative più significative nell’ottica dell’economia circolare.

L’edificio in sintesi

Il nuovo headquarters (superficie netta climatizzata 9.469 m2) sorge nella periferia sud di Milano (zona climatica E; 2.404 gradi giorno), all’interno di un lotto dalla forma regolare prossimo alle stazioni delle linee di trasporto pubbliche di superficie e metropolitana.

Caratterizzato da un’immagine fortemente identitaria, l’Headquarters (progetto architettonico CL&AA) si inserisce con coerenza nel tessuto costruito, completando il fronte edificato circostante un parco pubblico. Il compatto volume in linea si elevaal centro di una corte pavimenta, ingentilita da un giardino e da un’ampia vasca ornamentale (superficiecirca 900 m2) che costeggia le strade d’accesso.

L’ingresso principale è segnalato dal disegno inclinato del manto di rivestimento in lastre di pietra lavica, costellato da oltre 400 finestre modulari di diverse dimensioni, liberamente distribuite sui prospetti secondo una griglia ortogonale. L’attenta calibratura delle aperture facilita la diffusione della luce naturale attraverso il massiccio guscio strutturale in calcestruzzo armato, isolato esternamente.

Sopra il basamento ipogeo destinato ai locali di servizio e tecnici e all’autorimessa, l’edificio accoglie:

• atrio con bussola d’ingresso, reception, bar-caffetteria, sala polivalente (per esposizioni, proiezioni, ecc.) e auditorium articolato in 3 sale polifunzionali (capienza circa 200 persone), più sportello utenti e asilo d’infanzia (con giardino riservato) entrambi dotati di ingressi dedicati, al piano terreno;
• uffici articolati in open space e singoli, spazi per accoglienza, sale riunione e locali specifici (sala CdA, control room, biblioteca, guardaroba, depositi, archivi, ecc.) e aree relax, ai piani dal 1 al 5, con parte dell’ultimo livello riservata alla centrale di trattamento dell’aria e ad altri locali tecnici.

L’organizzazione spazio-funzionale dei livelli destinati agli uffici è semplice e razionale, basata su una generosa sezione a corpo triplo. Delimitati da pareti d’arredo, i flessibili ambienti di lavoro sono distribuiti attorno all’asse mediano, composto da connettivo trasversale, nodi della circolazione verticale, servizi igienici e locali accessori e tecnici di piano.

I principi del progetto

Curato da ZH Spin-Off, il progetto energetico e impiantistico (meccanici ed elettrici/speciali) è stato redatto dallo studio ZH Spin-Off. La progettazione degli impianti di climatizzazione ha considerato l’interazione sinergica tra l’involucro edilizio, ad alte prestazioni energetiche, e sistemi impiantistici basati sull’ampio ricorso alle energie rinnovabili, solare e geotermica, supportati da un avanzato BEMS.

In sintesi, sono stati previsti tre sottosistemi:

•  generazione del calore da fonte geotermica a ciclo aperto;
• trattamento dell’aria di rinnovo e recupero del calore dall’aria esausta;
• ventilazione meccanica a tutt’aria a portata variabile, con un controllo puntuale di portate e temperature locali.

Il contenuto fabbisogno termico ha permesso di contenere le portate e la velocità dell’aria, assicurando la massima flessibilità di utilizzo degli spazi ed elevati livelli di comfort termico ed acustico.

Allo scopo sono state individuate 5 macrozone termiche caratterizzate dalla condizioni operative simili, con possibilità di gestione indipendente della temperatura ambiente e della quantità d’aria di rinnovo, così articolate:

• macrozona 1, per gli uffici open space esposti a nord (piani da 1 a 5);
• macrozona 2, per gli uffici chiusi esposti a sud (piani da 1 a 5);
• macrozona 3, per le sale riunione senza affaccio all’esterno (piani da 1 a 5);
• macrozona 4: auditorium (piano terreno);
• macrozona 5: area bar e altri locali climatizzati (piano terreno).

La sola eccezione è costituita dall’asilo d’infanzia, che dispone di pavimenti radianti e VMC.

Il fabbisogno energetico per la climatizzazione è stato stimato in 676,6 kW (potenza termica totale, sensibile e latente), considerando i seguenti parametri di progetto:

• inverno: T esterna -5 °C con U.r. 90%; T interna 20 °C con U.r. 40÷60%;
• estate: T esterna 32 °C con U.r. 60%; T interna 26 °C con U.r. 40÷60%.

Quasi il 62% del fabbisogno energetico per climatizzazione e ACS è coperto dall’elettricità prodotta dal campo fotovoltaico da 189,9 kWp, composto da 422 moduli situati sulla copertura (pro duzione annua stimata in 238 MWh, pari a 11 tCO2 non immesse in atmosfera).

Centrale termofrigorifera

La produzione dei fluidi termovettori e affidata a una pompa di calore acqua/acqua (463 kWt, COP 5,44; 382 kWf, EER 4,49). Lo scambio termico avviene con l’acqua di falda (T media prelievo: 14 °C in inverno; 16 °C in estate) proveniente dall’unico pozzo di emungimento (portata massima 40 l/s), mediante uno scambiatore di calore a piastre della potenza di 550 kW (con ΔT }4 °C) e successivo circuito idronico indiretto.

La pompa di calore rifornisce i 2 serbatoi inerziali principali (ciascuno 3.000 l; dispersione totale < 5 W/°K) dei fluidi caldo (35 °C) e refrigerato (7 °C) destinati alle utenze, mantenendo costante il loro squilibrio termico anche grazie al contributo dei recuperatori di calore al servizio dell’impianto di ventilazione meccanica. I serbatoi principali sono affiancati da 2 ulteriori accumuli, con le stesse caratteristiche volumetriche e termiche, alimentati dal fluido di ritorno dalle utenze (a 30 °C e a 12 °C). L’eventuale eccedenza termica, calda o fredda, e recuperata attraverso lo scambiatore di calore del circuito dell’acqua di falda.

Un secondo scambiatore di calore a piastre (550 kW con ΔT }4 °C), sempre collegato al circuito dell’acqua di falda, alimenta il circuito degli scambiatori dedicati alle UTA. Dopo l’uso ai fini termici l’acqua di falda e utilizzata per riempire la vasca ornamentale antistante l’edificio, l’impianto di irrigazione delle aree verdi e la rete duale degli scarichi dei servizi igienici, quindi, e restituita al sottosuolo tramite 2 pozzi di reimmissione.

La centrale termofrigorifera è perciò concepita per:

• garantire la massima efficienza energetica, favorendo il funzionamento della pompa di calore ai carichi parziali grazie anche all’elevato grado di recupero termico operato sull’aria esausta;
• limitare al minimo il prelievo dal pozzo di emungimento, attraverso l’impiego in cascata della risorsa idrica per vari usi. In caso di necessita e comunque possibile incrementare la resa degli scambiatori posti lungo il circuito dell’acqua di falda, che possono mettere a disposizione una potenza termica nell’ordine di 750 kW (con ΔT }5 °C, in luogo del valore di progetto }4 °C).

RECUPERO DEL CALORE

L’intero volume dell’aria di ripresa, escluse le estrazioni dei servizi igienici, è inviato a 2 recuperatori di calore sempre in funzione, situati anch’essi nella centrale di trattamento dell’aria al piano 5. Ogni recuperatore è equipaggiato con:

• estrattore dell’aria;
• plenum dotato di serrande regolabili motorizzate per ciascun canale, collegato al plenum gemello tramite un canale intercettato da una serranda, utilizzata nel caso di sospensione del servizio di un estrattore;
• pompa di calore acqua/acqua a compressione, dimensionata per ottenere una potenza termica massima recuperabile nelle condizioni di base (218 kWt; 164 kWf).

Gli scambiatori raffreddano o riscaldano il flusso d’aria a valori di set liberamente impostabili, tipicamente:

• nel periodo invernale da 20 a 6 °C (ΔT lato idronico -4 °C), per una potenza recuperabile nell’ordine di 430 kW trasferita al circuito idronico caldo (pari a oltre il 75 % del fabbisogno termico totale medio richiesto dall’edificio);
• nel periodo estivo da 26 a 45 °C (ΔT lato idronico 5 °C), con potenza recuperabile pari a circa 330 kW trasferita al circuito refrigerato.

A fronte di elevate efficienze di recupero termico dell’energia associata ai ricambi d’aria, la pompa di calore principale lavora a integrazione del fabbisogno termico globale, consentendo di utilizzare in maggior misura l’acqua di falda per free heating/cooling. Contestualmente si evita la necessità del ricircolo di parte del volume estratto dagli ambienti, a vantaggio di un’alta qualità dell’aria indoor e del contenimento degli ingombri delle UTA.

La temperatura del circuito idronico che collega scambiatore e pompa di calore è regolata in funzione della temperatura di espulsione dell’aria dallo scambiatore. L’aria espulsa è convogliata nel locale tecnico in cui sono installate le pompe di calore del sistema di recupero termico, che funge da plenum comunicante con l’esterno mediate aperture a parete ampie circa 15 m2.

Ventilazione centralizzata

L’aria per la ventilazione e la climatizzazione e trattata in una centrale unica situata al piano 5, composta da 5 UTA ciascuna al servizio di una singola macrozona, con portate pari a:

• 26.000 m3/h (macrozona 1);
• 18.000 m3/h (macrozona 2);
• 8.000 m3/h (macrozona 3);
• 5.700 m3/h (macrozona 4);
• 10.500 m3/h (macrozona 5).

L’aria e prelevata dall’esterno attraverso aperture presenti lungo le pareti della centrale, ampie complessivamente circa 50 m2, in modo che la velocita di transito risulti inferiore a 1 m/s. Realizzate con un involucro in lega di alluminio con pannelli sandwich isolanti (spessore 50 mm), le UTA dispongono della sola sezione di mandata tratto terminale a doppio canale di mandata. Al loro interno si trovano:

• filtri del tipo G4 ed F9;
• ventilatori plug fan ad alto rendimento (prevalenza utile 500 Pa), con motori elettrici in classe IE4 dotati di inverter;
• scambiatore di calore (S1A) alimentato dal circuito indiretto dell’acqua di falda, per il pre-riscaldamento e pre-raffrescamento dell’aria in ingresso, con possibilità di funzionamento in free heating/cooling (l’elettropompa relativa funziona solo con temperature dell’aria esterna inferiori a 10 °C e superiori a 20 °C);
• scambiatore di calore (S1B) alimentato dal circuito del fluido caldo, per il pre-riscaldamento dell’aria ai fini della successiva l’umidificazione con controllo della temperatura di saturazione;
• umidificatore adiabatico con pompa ad alta pressione (70 bar);
• canale terminale dell’aria calda, con scambiatore di calore (S2) alimentato dal circuito caldo per il riscaldamento finale prima dell’immissione nelle canalizzazioni;
• canale terminale dell’aria fredda, con scambiatore (S3) alimentato dal circuito refrigerato (l’elettropompa funziona solo con temperature dell’aria superiori a 10 °C a valle dello scambiatore S1A), per il post-raffreddamento e la deumidificazione nel periodo estivo, e con scambiatore (S4) alimentato dal circuito caldo, per il post-riscaldamento. Tutti gli scambiatori operano con ΔT }5 °C.

Il controllo della temperatura di mandata dell’aria è a punto fisso, con logica automatica di ottimizzazione energetica dei consumi mediante apparecchiature a microprocessore, sonde e sensori, attuatori e servomotori per valvole e serrande. Ogni UTA fa capo a una scheda seriale RS485 per il collega mento al BEMS secondo protocollo MODBUS. In base al livello di occupazione previsto per i singoli ambienti, l’impianto aeraulico fornisce portate d’aria primaria allineate alle previsioni della norma UNI 10336.

Distribuzione dell’aria

Per garantire con la massima flessibilità dei carichi per le singole zone termiche, in tutti gli ambienti la distribuzione dell’aria è affidata a una coppia di canalizzazioni di mandata (a 12 °C e a 32 °C) e da una singola canalizzazione di ripresa. Ogni canale di mandata è dimensionato per fornire una portata fino al 70% della portata di base di ciascuna zona.

Attraverso due serrande coniugate a funzionamento contrapposto (con un unico servomotore elettrico), oppure due serrande singole (con doppio servomotore), l’aria confluisce nel plenum di miscelazione collegato al regolatore VAV di mandata, da cui di diramano i condotti flessibili diretti ai diffusori posti a controsoffitto. Il rapporto di miscelazione è modulato in base alle esigenze di controllo della temperatura ambiente, sempre mantenuta nell’intervallo fra i valori minimo (16 °C) e massimo (26 °C). La portata dell’aria di rinnovo miscelata è regolata in base alla concentrazione di CO2, garantendo una portata minima anche in assenza di occupazione.

Il flusso dell’aria negli ambienti

Il regolatore VAV sul canale di ripresa di ciascuna zona mantiene di conseguenza una portata dell’aria espulsa corrispondente a quella dell’aria immessa nell’ambiente, con possibilità di realizzare differenze di pressione rispetto ad ambienti adiacenti (ad esempio: pressione positiva per i filtri ai piani interrato e terreno; pressione negativa per l’area bar al piano terreno).

Le canalizzazioni verticali di mandata (nei cavedi) sono realizzate in lamiera zincata coibentata, mentre quelle orizzontali (nei controsoffitti) sono composte da pannelli sandwich in alluminio goffrato e polisocianato espanso. Le canalizzazioni di ripresa sono in lamiera zincata non coibentata. Immissione ed espulsione sono affidate a diffusori lineari, con alette deflettrici regolabili per quelli di mandata. Nell’asilo d’infanzia, la portata dell’aria è regolata per garantire il solo ricambio igienico e l’aria è immessa a temperatura neutra.

Un impianto a pannelli radianti a pavimento fronteggia i carichi termici invernale ed estivo. Il fluido circola a portata costante nei tubi in polietilene reticolare posati con passo 100 mm, garantendo un salto termico di ±2÷4 °C.

Altri impianti idrici

L’impianto idrico-sanitario è dotato di una rete duale per la distribuzione dell’acqua, alimentata:

• dall’acquedotto per usi potabili;
• dall’acqua di falda e dall’acqua meteorica filtrata, per usi non potabili (cassette di risciacquo a doppio tasto nei servizi igienici, lavaggio dei locali tecnici e della pavimentazione esterna, irrigazione del giardino).

La centrale idrico-sanitaria è articolata in sottocentrali. Quella per l’approvvigionamento dell’acqua potabile è equipaggiata fra l’altro con contatore volumetrico, filtro, serbatoio pressurizzato da 300 l (equalizzatore di pressione), addolcitore a resina e pompa dosatrice di polifosfati (per il riempimento degli impianti tecnologici); il circuito di alimentazione degli umidificatori delle UTA è servito anche da pompe dosatrici per il trattamento antilegionella.

Le reti di distribuzione sono realizzate con tubazioni in PE isolato con guaine anticondensa. Le linee montanti percorrono i cavedi posti in prossimità dei servizi igienici e si distribuiscono nei controsoffitti e nei pavimenti sopraelevati, con tratti terminali in PE. Tutti gli apparecchi per l’erogazione dell’acqua potabile sono dotati di riduttore di flusso e di frangigetto o diffusore per la miscelazione di acqua e aria.

La produzione dell’ACS è demandata a bollitori decentralizzati, del tipo a pompa di calore aria/acqua posizionati nei controsoffitti dei servizi igienici ai diversi piani. La sottocentrale per trattamento e distribuzione dell’acqua non potabile dispone fra l’altro di vasche d’accumulo (40 m3 per raccolta e sedimentazione dell’acqua piovana e di falda;200m3 quale volano idraulico per lo smaltimento delle acque meteoriche), pompa di sollevamento, filtro dissabbiatore per l’alimentazione della rete duale, serbatoio dell’acqua trattata (600 l), filtri a cartuccia, trattamento UV, gruppo di pressurizzazione per la distribuzione ai piani.

Le acque meteoriche provenienti dalla copertura sono raccolte da gronde e pluviali, mentre quelle provenienti dal piazzale e dal giardino pensile sono convogliate in una trincea di raccolta posta lungo il confine nord del lotto, con pompe all’impluvio per il rilancio nella rete a gravità posta a soffitto nell’autorimessa. Le reti dell’impianto di scarico sono realizzate in hdpe con giunzioni saldate e convergono in un collettore orizzontale che recapita i reflui al collettore fognario.

L’impianto di estinzione degli incendi è articolato in reti:

• per idranti UNI 45 al servizio dell’autorimessa, direttamente collegata all’acquedotto;
• per naspi UNI 25 per il resto dell’edificio, attestata su un gruppo di pressurizzazione (elettropompa, motopompa, pompa jockey) alimentato dall’acquedotto;
• per colonna montante a secco con attacco VVF, a protezione del campo fotovoltaico posto in copertura.

Ciascuna rete è dotata di 3 attacchi motopompa VVF. Il locale che ospita la motopompa è protetto da una rete splinkler collegata al collettore del gruppo di pompaggio, con erogatori ad ampolla termica, e da un aerotermo ad alimentazione elettrica.

Sistema di supervisione

Supportato dalla stazione meteo posta sulla copertura dell’edificio e dalle reti IT, il BEMS consente la gestione automatizzata e centralizzata delle condizioni di comfort luminoso, termo-igrometrico (riscaldamento, raffrescamento, ricambio dell’aria) e delle prestazioni energetiche (contabilizzazione), mediante elementi in campo che comunicano tramite KNX e, tramite apposite interfacce, con i corpi illuminanti che utilizzano DALI.

Tutte le funzioni di gestione e controllo dei parametri ambientali e delle logiche di funzionamento sono comandate e monitorate dal server collocato nel CED, accessibile da postazioni informatiche autorizzate. Le sole funzioni di personalizzazione dei parametri ambientali di ciascuna zona sono accessibili anche attraverso web browser.

Ogni zona termica è equipaggiata con:

• sensori (temperatura, CO2, presenza e illuminamento sul piano);
• comandi (commutazione automatico/manuale e illuminazione artificiale on/off/dimmer, ad eccezione degli open space);
• attuatori (regolatori VAV su canali di mandata e ripresa; driver DALI per il controllo dei corpi illuminanti).

Il BEMS si occupa anche di:

• rilevamento e registrazione continua del funzionamento degli impianti e degli stati associati ai componenti controllabili dagli utenti;
• calcolo degli orari di funzionamento;
• comando da programma orario o a cicli ottimizzati del funzionamento, degli avviamenti e degli arresti;
• monitoraggio, registrazione e archivio storico dei carichi elettrici e della produzione dell’impianto fotovoltaico;
• sorveglianza dei limiti di funzionamento e trasmissione dei relativi messaggi.