Robot morbidi per le facciate adattive degli edifici
Oggi le facciate degli edifici sono generalmente statiche e difficilmente si adattano alle mutevoli condizioni. Una facciata adattabile è stata utilizzata per la prima volta nella Casa delle Risorse Naturali, appena inaugurata. Può produrre elettricità e regolare l'incidenza della luce e la generazione di calore.
L'involucro degli edifici è di grande importanza per il loro bilancio energetico. Negli ultimi anni sono stati migliorati soprattutto l'isolamento termico e l'ermeticità. Tuttavia, esiste un potenziale importante e ancora poco sfruttato per la svolta energetica: gli involucri degli edifici, in particolare le facciate, sono adatti a generare calore ed elettricità.
Una struttura rigida diventa dinamica
In quanto confine tra interno ed esterno, la facciata ha un'influenza significativa sul bilancio dell'aria, della luce e del calore di un edificio, e quindi influisce direttamente sul comfort dei suoi utenti. Sia l'esterno che l'interno sono di natura stocastica: cambiano continuamente e i loro stati sono imprevedibili o solo vagamente prevedibili. Tuttavia, gli involucri come li costruiamo oggi sono statici. Sono progettati solo per uno o pochi stati diversi. Gli involucri degli edifici odierni non reagiscono, o reagiscono solo in misura limitata, quando le condizioni atmosferiche cambiano o gli ambienti vengono utilizzati in modo diverso. Ciò significa che un notevole potenziale di risparmio energetico, recupero energetico e miglioramento del comfort rimane inutilizzato.
Presso la Cattedra di Architettura e Sistemi Edilizi, stiamo ricercando approcci per rendere l'involucro dell'edificio più dinamico, efficiente e adattivo. Un esempio è la "Adaptive Solar Facade". È costituita da singoli moduli montati su una rete di cavi sulla facciata. Da un lato, possono influenzare la quantità di luce e calore che entra nell'ambiente, ammettendo una maggiore o minore radiazione solare attraverso le finestre. Dall'altro lato, producono elettricità grazie a moduli a film sottile altamente efficienti. La facciata solare adattiva è anche molto leggera, il che significa che, a differenza dei moduli fotovoltaici convenzionali, può essere installata quasi ovunque, anche su edifici esistenti.
Adattabile grazie alla robotica morbida
I moduli sono mobili grazie a un nuovo componente, il "Soft Robotic Actuator". Questi "robot morbidi" sono un nuovo e promettente campo della robotica. Sono realizzati con materiali flessibili che assumono forme diverse al variare della pressione in speciali camere. Questi attuatori, altrimenti utilizzati principalmente per protesi e robot biomimetici, sono ora oggetto di ricerca e sviluppo per i futuri sistemi di controllo dell'energia e del clima negli edifici.
I nostri attuatori morbidi sono prodotti con un processo di stampaggio a cavità appositamente sviluppato. Le loro camere cave vengono poi riempite d'aria. Le valvole controllano la quantità di aria che viene immessa o espulsa per deformare l'attuatore e quindi muovere l'elemento solare in modo mirato. Con gli attuatori morbidi, possiamo controllare ogni modulo della facciata solare adattiva individualmente e ruotarlo da solo o in gruppo su due assi. In questo modo, i moduli possono seguire il sole e generare elettricità, utilizzare o ridurre l'apporto solare, creare privacy o offrire una vista. Un sistema di controllo intelligente e adattivo consentirà inoltre alla facciata di adattarsi in modo ottimale ai cambiamenti climatici e alle abitudini e ai desideri degli utenti.
Prototipo alla Casa delle Risorse Naturali
Senza gli attuatori morbidi, una funzione del genere sarebbe possibile solo attraverso una complessa combinazione di diverse parti meccaniche. Queste sarebbero meno durevoli e più costose, per cui non è realistico che vengano utilizzate in futuro sulle facciate. L'attuatore che abbiamo sviluppato costa solo pochi franchi al pezzo nella produzione industriale. In laboratorio, gli attuatori morbidi hanno dimostrato di essere robusti nei test ciclici. Ora devono ancora dimostrare di essere in grado di resistere alle condizioni difficili della facciata di un edificio. A questo scopo, e per una serie di altri test, stiamo installando un prototipo di facciata di 50 moduli sul lato sud della Casa delle Risorse Naturali (HoNR).
Il modulo utilizza celle solari a film sottile CIGS (diseleniuro di rame-indio-gallio) altamente efficienti e raggiunge un alto grado di efficienza. Le celle solari sono state sviluppate dall'apertura Flisom [1], partner industriale del progetto. I primi calcoli sul ciclo di vita hanno dimostrato che entro 1,5 anni la Adaptive Solar Façade avrà ridotto le emissioni di CO2 compensato di nuovo.
Il progetto faro dell'UE ClimateKIC "BTA - Building Technologies Accelerator" [2] sta attualmente studiando come e in quale forma l'Adaptive Solar Facade e quindi i Soft Actuators possano essere ulteriormente sviluppati in un prodotto commerciabile. Se questo avrà successo, la nostra facciata adattiva potrebbe contribuire alla generazione efficiente di energia negli edifici e quindi alla svolta energetica.
Ulteriori informazioni
Chi siamo sulla Casa delle Risorse Naturali qui e nella sezione Comunicato stampa dell'ETH di Zurigo.
Ulteriori informazioni sulla facciata solare adattiva sono disponibili alla pagina Sito web della Cattedra di Architettura e Sistemi Costruttivi.
Referenze:
[1] Apertura dell'Empa pagina esternaFlisom
[2] Progetti faro ClimateKIC dell'UE "pagina esternaBTA"