Comfort e qualità dell’aria per scuole smart: un innovativo sistema di apertura automatizzata delle finestre

Un sistema per l’apertura automatizzata delle finestre al fine di mantenere la qualità dell’aria e il comfort termico nelle aule scolastiche

Introduzione
Le aule scolastiche sono un ambiente estremamente delicato sia perché rappresentano il secondo posto, dopo le mura domestiche, dove bambini e ragazzi trascorrono maggior tempo, sia per l’elevata densità di occupazione nelle aule.
L’edificio scolastico dovrebbe disporre di ambienti salubri, che favoriscano l’apprendimento e l’attenzione degli studenti, che riducano al minimo la proliferazione di batteri e, di conseguenza, l’assenteismo. Fattori ambientali di disturbo, come elevate temperature e scarso ricambio d’aria, possono determinare un calo di attenzione e quindi una riduzione nel rendimento. Al contrario, se le persone lavorano in un adeguato contesto psico-fisico, l’efficienza, la produttività e il livello di benessere aumentano.

Negli edifici di nuova costruzione e nelle ristrutturazioni questa problematica è ulteriormente enfatizzata dall’utilizzo di involucri superisolati e serramenti a elevata tenuta all’aria.

Da un punto di vista prettamente ambientale, il problema della salubrità nelle aule può essere lenito mantenendo un adeguato livello di qualità dell’aria e di comfort termico. Questo obiettivo è stato raggiunto con l’ausilio di un sistema meccanico automatizzato che ha il compito di gestire le aperture e le chiusure delle finestre secondo un opportuno algoritmo di controllo basato sul modello di comfort adattivo. Il sistema fornisce i risultati migliori quando viene affiancato ad una progettazione intelligente delle aperture vetrate, sia a livello di posizione che di tipologia: è preferibile la collocazione delle finestre sul medesimo lato, per evitare fastidiose correnti, e l’unione del sistema ad anta con sovrapposta apertura a vasistas.

Il sistema automatizzato per l’apertura delle finestre
Il sistema sviluppato consta di quattro nodi (componenti fisiche) fondamentali collegati e interconnessi tra loro. Il primo nodo è quello costituito dai sensori: essi sono collocati all’interno e all’esterno dell’aula e si occupano di monitorare in maniera continua i parametri di temperatura interna, esterna e media radiante, di velocità dell’aria interna e di concentrazione interna di CO₂.

I sensori inviano i dati al nodo di acquisizione, rappresentato da un data logger. Esso ha il duplice compito di allocare i dati nella memoria interna e di trasmetterli al nodo successivo, ossia quello con funzione decisionale, di applicazione delle logiche di controllo, costituito dal pc nel quale è implementato il programma di gestione. Il software di controllo interpreta i dati ambientali in input, li confronta con i valori limite preimpostati e valuta se l’attuale situazione ambientale interna può essere definita o meno di comfort, sia a livello di temperatura che di qualità dell’aria. Se viene riconosciuta una situazione di discomfort, per uno o entrambi i motivi, il software manda un segnale elettrico al nodo di attuazione.

Nel software è stato implementato l’“algoritmo di Humphreys”, dal nome di uno dei maggiori esponenti nel campo di ricerca inerente il comfort termico e gli algoritmi comportamentali. Alla struttura dell’algoritmo sono state applicate alcune correzioni affinché si adattasse meglio al caso di studio. Questo quarto nodo si concretizza in uno o più attuatori meccanici che forzano l’apertura delle finestre.

La componente software è stata programmata per essere gestita in remoto, per consentire il normale svolgimento delle attività scolastiche ed evitare di doversi recare in loco per intervenire sul programma.

Schema di funzionamento del sistema automatizzato e delle sue componenti.

ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO IL CASO STUDIO 

Il sistema, così come spiegato nel paragrafo precedente, è stato testato in un caso di studio reale. L’installazione è avvenuta in un’aula scolastica di un istituto superiore di Ancona ed è stato mantenuto in funzione dal 16 al 29 Aprile 2015. Gli attuatori, destinati a convertire in azione meccanica il segnale elettrico di consenso all’apertura/chiusura delle finestre, sono stati applicati alle due finestre a vasistas (190x50 cm) sulla parete interna dell’aula (esposizione a nord-ovest). Durante l’intero periodo di monitoraggio è stata interdetta a studenti e docenti l'apertura delle finestre ad anta, al fine di valutare l’efficacia del solo sistema di controllo a vasistas.

Vista frontale e laterale delle finestre movimentate con gli attuatori nell’aula AUT.

Il rate di acquisizione dei parametri e quello di attuazione sono stati settati a un minuto per rendere veloci ed efficaci le azioni di apertura e chiusura ed evitare che gli utenti soffrissero condizioni ambientali critiche. L’acquisizione dei parametri ambientali è avvenuta in maniera continua 24 h su 24, mentre l’algoritmo decisionale è stato impostato per essere attivo dalle 8:00 alle 14:00, cioè solamente durante l’orario di lezione.