La sostenibilità in edilizia come ambiente di innovazione

Atti del Convegno – Bari 24 aprile 2004
IL PROGETTO DELL’INVOLUCRO INNOVATIVO
L'approccio low-energy e la sostenibilità
Sergio CROCE (*)
(*) Politecnico di Milano – BEST
via Durando 10, 20158 Milano – email: [email protected]
1. Premessa
Le tematiche ambientali si pongono oggi come il vero banco di prova per lo sviluppo
di una innovazione responsabile
Gli
aspetti
energetici,
di
qualità
ambientale
(ambiente
esterno
e
interno)
costituiscono gli ambiti disciplinari maggiormente
innovativi e in grado di
determinare
sul
in
tempi
medi
risultati
apprezzabili
versante
dell’impatto
ambientale e quindi della sostenibilità dell’ambiente costruito. Il ricorso alle energie
rinnovabile e la riduzione della immissione in atmosfera di CO2 costituiscono gli
sviluppi maggiormente in grado di incidere su tale aspetto.
In linea generale si deve distinguere tra innovazione di prodotto e innovazione di
processo.
In un sistema complesso come l’architettura l’innovazione di prodotto non ha esito
apprezzabile senza l’innovazione di progetto: ciò e tanto più vero per ciò che
attiene gli aspetti legati alla sostenibilità.
La messa a sistema di qualsiasi prodotto innovativo richiede quindi un riesame delle
prassi progettuali per la loro messa a sistema, orientato a valutarne la coerenza, le
interazione con altri elementi tecnici e lo sfruttamento delle sue potenzialità
L’involucro a cui fa capo la funzione di controllo dei flussi termici entranti e uscenti
dall’organismo edilizio costituisce il luogo più fertile dal punto di vista ambientale su
cui concentrare l’innovazione di progetto.
2. L’involucro come mediatore tra ambiente esterno ed interno
L’edificio e in particolare l’involucro, investito dall’universo di segnali che qualificano
l’ambiente esterno, reagisce sapientemente o meno, con specifiche reattività,
naturali o dipendenti da regolazioni impiantistiche.
L’involucro rappresenta quindi l’elemento fisico di mediazione tra ambiente esterno
ed interno. Esso trasforma, potenzia o riduce, modula o trasforma i segnali fisici
termici, acustici, luminosi provenienti dall’esterno.
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Esso diventa quindi un generatore di segnali, dalla cui graduazione e dal cui
controllo dipende qualità ambientale percepita.1
Da questa interpretazione risultano evidenti le potenzialità progettuali nella messa
a punto di nuovi sistemi di involucro orientati agli obiettivi di qualità ambientale e di
sviluppo sostenibile.
L’incomprensione di tale potenzialità e la riproduzione di stereotipi progettuali porta
spesso ad assegnare agli impianti la funzione surrogatoria di risolvere difettosità del
sistema edilizio.
3. L’approccio progettuale climate responsive
Nel passato l’architettura vernacolare ha sviluppato molti esempi relativi alla
possibilità di mettere a punto sistemi costruttivi e architettonici sensibili e reattivi
coerenti con il luogo e l’ambiente in cui si sono formati, orientati a determinare una
climatizzazione spontanea degli ambienti confinati.2
Sarebbe peraltro un grande errore concettuale dagli effetti
potenzialmente
regressivi pensare di riprodurre oggi tali stereotipi concettuali e formali, essendo
mutate sia le richieste di qualità ambientale, che le tecniche costruttive e i materiali
oggi disponibili e dotati di nuove potenzialità.3
Il mondo della ricerca ci mette inoltre a disposizione conoscenze disciplinari e
codici di calcolo in grado di svolgere analisi previsionali del reale comportamento di
nuove ipotesi progettuali, rispetto alle varie stimolazioni provenienti dall’ambiente
esterno.
La ridefinizione di un corretto rapporto tra edifici e ambiente dovrebbe quindi
attivare una sorta di architettura neovernacolare (Climate sensitive) non più basata
su una cultura materiale stratificatasi nei secoli, ma su una nuova cultura basata
sul dominio approfondito delle scienze e delle ingegnerie edilizie e del loro
progressivo avanzamento.
1
S. Croce, Innovazione tecnologica Architettura Clima, in Manuale di progettazione edilizia, volume 3,
Hoepli, 1998
2
S. Croce, Progetto tecnologico e approccio climaticamente consapevole, in Progetto qualità edilizia,
Edizioni Edilizia popolare, 2002
3
L’aspetto urbano di molti paesi del sud caratterizzato da edifici ravvicinati che si offrono a vicenda una
mutua schermatura solare è integrato, dal punto di vista della climatizzazione estiva spontanea degli
ambienti confinati, dalle masse inerziali che caratterizzavano tali sistemi costruttivi. Alla capacità
inerziale quotidiana si aggiungeva quella sequenziale in grado di contrastare le onde di calore
prolungate. Gli attuali sistemi costruttivi non sono caratterizzati da masse inerziali del genere e la
replicazione di tali strutture urbane non darebbe gli stessi favorevoli risultati in termini di climatizzazione
spontanea. Dal punto di vista costruttivo la leggerezza degli attuali sistemi dovrebbe essere compensata
da interventi orientati ad esempio a potenziare il movimento dell’aria o ad altre opzioni come
l’iperisolamento in grado di contrastarne la criticità.
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Un possibile attuale riferimento sono le esperienze dell’Europa centrale e
settentrionale (Passive House) che hanno dimostrato la possibilità di costruire
edifici a bassissimo fabbisogno di energia (<15kwh/mq anno) basati sull’utilizzo di
energia solare.
Tali esperienze si riferiscono a climi con criticità fondamentalmente invernali che
quindi non possono essere trasferite tal quali all’Italia.
A parte quanto attiene alla necessaria coerenza con il microclima del sito, si
debbono
tener conto
aspetti di natura sociologica, tipici dell’Italia, che
prevalenziano la gradibilità di vita in ambienti
maggiormente connessi con
l’esterno, durante lunghi periodi dell’anno.
Rispetto al caso delle Passivhaus dell’Europa centrale e settentrionale, diventa
quindi opportuno studiare nuovi sistemi costruttivi e architettonici gestiti durante la
stagione primaverile ed estiva mediante una sorta di free running con il prevalente
contributo della ventilazione naturale.
Un approccio progettuale di questo tipo è in linea con recenti studi che hanno
dimostrato come i soggetti umani non solo gradiscono maggiormente una
climatizzazione naturale, ma in tale situazione sanno adattarsi con maggiore
flessibilità alla variabilità delle condizioni ambientali. Al contrario in edifici
condizionati è sufficiente una minima variazione di temperatura per dar luogo ad
apprezzamenti negativi delle condizioni ambientali.
In figura si evidenzia il range di temperature ritenute accettabile dall’80% dei
soggetti al variare stagionale della temperatura esterna in edifici ventilati
naturalmente.
Si veda invece in altra figura come nel caso degli edifici condizionati le temperature
ottimali siano molto più basse e con una variabilità estremamente ridotta
Per concludere è a questo proposito interessante osservare che la tendenza ad una
climatizzazione free running, basata sulla ventilazione naturale sta attraversando
anche il settore dell’edilizia per il terziario, dove ai sistemi completamente
condizionati, vengono contrapposti sistemi a ventilazione ibrida (hybrid ventilation)
e cioè in parte naturale e in parte artificiale.
4. Le potenzialità progettuali indotte dalle innovazioni di prodotto
Per quanto attiene all’innovazione di prodotto essa riguarda sia il miglioramento
prestazionale di materiali e componenti esistenti, sia la messa a punto di nuovi
materiali e componenti
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In particolare i settori più innovativi per ciò che attiene all’involucro riguardano:
1. prodotti vetrati
(diag vetri ottimali) od opachi con resistenze termiche
potenziate (immagini)
2. sistemi di schermatura
3. sistemi di involucro trasparenti
4. tecnologie costruttive a secco (che riguardano non solo l’involucro, ma anche gli
altri elementi tecnici del sistema edilizio)
Le potenzialità progettuali indotte dalla messa a punto di prodotti isolanti potenziati
consentono di mettere a punto sistemi di involucro, per la pare opaca, iperisolati
con spessori ragionevoli.
Le innovazioni molto sofisticate nel settore dei vetri consentono di ottimizzare le
scelte in funzione di obiettivi prestazionale specifici dal punto di vista climatico,
come la prevalenza di problematiche invernali (termotrasmittanza) od estive
(termotrasmittanza, fattore solare)
Ma l’aspetto più interessante dal punto di vista progettuale riguarda l’innovazione
nei settori delle schermature, dei sistemi trasparenti di involucro, delle tecnologie
costruttive a secco.
Per quanto attiene alle schermature esse sono attraversate da un notevole sviluppo
di soluzioni che consentono di sviluppare sistemi orientati al controllo della energia
entrante in stagione estiva ovvero (e a volte nel contempo) di rinforzare l’ingresso
di luce ed energia nella stagione invernale
Per quanto si riferisce ai sistemi trasparenti di involucro, in accoppiamento con le
innovazioni nel settore dei vetri, si registra un notevole fervore innovativo (facciate
a doppia pelle, finestre a isolamento dinamico, ecc.) che si concentra in particolare
nelle applicazioni relative al settore del terziario. Se i sistemi a isolamento dinamico
(air exhasut window) i risultati prestazionale ed energetici sono convincenti
4
nel
caso della doppia pelle a ventilazione naturale le attuali applicazioni sul territorio
italiano appaiono non così performanti nel periodo estivo.
Ciò deriva a dal fatto che per l’ottimizzazione prestazionale di questi sistemi di
chiusura sono richieste analisi termodinamiche che non sono alla portata del settore
della progettazione diffusa.
Le applicazioni in Italia, quando centrate sulla ventilazione naturale tendono per la
gran parte a trasferire modelli risolutivi mitteleuropei senza alcuna valutazione di
4
S. Croce, L. Mazzarella, Facciate ventilate, facciate continue a doppia pelle, isolamento dinamico: la
storia e le potenzialità applicative, Convegno Internazionale AICARR 2004: Integrazione e nuove visioni
di progetto e di gestione, Milano 3-4 marzo 2004
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coerenza rispetto al clima italiano. E’ necessario infatti osservare come rispetto al
clima moderato dei paesi oltralpe, il clima italiano si caratterizza per estati molto
più calde che mettono in crisi l’efficienza di tali soluzioni durante tale periodo.
Tutto ciò non significa che tali soluzioni siano da proscrivere, ma che la loro
adozione richiede attente e sofisticate analisi, ancora termo-fluidodinamiche,
finalizzate ad una loro ottimizzazione rispetto al sito climatico e all’evolversi delle
vicende stagionali.
Per quanto riguarda i sistemi costruttivi a secco, basati su sistemi multistrato
montati a secco, che hanno avuto nell’Europa centrale una grande importanza nello
sviluppo delle Passive house, essi stanno avendo interessanti sviluppi anche in
Italia. Per questi va evidenziata una notevole coerenza rispetto alla necessità di
strategie e tecnologie differenziate in ragione del contesto climatico e quindi sono
portatori di una logica progettuale coerente rispetto ad una gestione dell’involucro
più rispondente al controllo delle interazioni tra clima e benessere ambientale. Tutto
ciò in ragione di potenzialità di composizioni tecnologiche più articolate.
“La ragione dell’efficacia dell’ibridazione tecnologica è evidente: essa consegue ad
una prassi, eminentemente moderna, flessibile ed adattiva; essa facilita, anzi
incentiva,
indirizzandola
specialisticamente,
la
scelta
dei
materiali
e
delle
combinazioni più capaci di ottimizzare l’insieme delle prestazioni differenziate
dell’involucro
esterno,
e
di
quelli
interni,
cui
non
si
può
attribuire
semplicisticamente la dilatazione delle stratificazioni di isolamento, benché questo
sia indubbiamente il provvedimento costruttivo prevalente e largamente risolutivo
della componente risparmio.”5 Rilevanti poi sono i vantaggi in termini di velocità
del momento costruttivo, la smontabilità e quindi la più facile dismissione anche per
gli aspetti legati eventualmente alla riutilizzabilità dei materiali componenti
5. I climate sensitive building
Come osservato si devono studiare nuovi sistemi edilizi in grado di operare una
mediazione spontanea tra condizioni esterne ed interne e che mostrino quindi una
naturale propensione a controllare le condizioni di benessere termico degli ambienti
interni.
Col termine di climate sensitive building si intendono edifici sensibili e reattivi al
variare delle condizioni climatiche durante l’evolversi delle stagioni in quanto
5
E. Zambelli, Costruzioni stratificate a secco, Maggioli, 1998
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caratterizzati da una reattività intrinseca alle stimolazione dell’ambiente esterno e
quindi in grado di attivare condizioni interne di benessere igrotermico
Tale reattività può essere passiva o attiva, intendendo con tale ultimo termine la
possibilità di fare variare la configurazione di elementi tecnici al fine di attivare una
reazione coerente con la variabilità di forzanti climatiche.
L’obiettivo è quindi quello di ridurre la necessità di un ricorso primario a dispositivi
impiantistici tradizionali di climatizzazione invernale ed estiva e di ridurre in modo
pesante quindi i consumi di energie non rinnovabili.
I climate sensitive building si caratterizzano in particolare per una forte riduzione
dei fabbisogni energetici accompagnata da un utilizzo percentualmente rilevante di
energia rinnovabile (sole, geotermia, vento, brezze, ecc.).
Per quanto attiene ai climatismi italiani, notevolmente diversi rispetto ai paesi più a
nord, essi
si caratterizzano per una forte variabilità da nord a sud
e quindi
richiedono strategie e soluzioni diversificate.
Ad esempio le forzanti ambientali in pianura padana sono critiche sia per l’inverno
che per l’estate, mentre per la Sicilia sono critiche solo quelle estive.
In ogni caso l’insegnamento che si può ricavare dalle esperienze delle passive
house è l’iperisolamento delle chiusure d’ambito che
costituisce una opzione che
consente, ancor più nei nostri climi, di rendere percentualmente importante il
ricorso alle energie rinnovabile (sole, geotermia) e di bloccare l’attuale progressivo
ricorso ai sistemi di condizionamento..
Il comportamento quasi adiabatico delle chiusure opache riporta primariamente
sulle partiture trasparenti la funzione di gestire, in modo coerente rispetto alle
forzanti esterne, i flussi di calore entranti ed uscenti.
Per la messa a punto di climate sensitive building e cioè di edifici a climatizzazione
spontanea due sono quindi gli obiettivi progettuali tra di loro fortemente interrelati
da raggiungere:
1-mettere
a
punto
sistemi
costruttivi
e
architetture
in
grado
di
reagire
passivamente (con una propensione alla climatizzazione spontanea) o attivamente
alle stimolazioni ambientali, in modo da ridurre la necessità di un ricorso a
dispositivi elettromeccanici di climatizzazione invernale ed estiva e che quindi
assolvano a tale compito mediante una forte riduzione dei consumi e un utilizzo
percentualmente rilevante di energia rinnovabile (sole, geotermia, brezze, vento,
ecc.).
2-l’attivazione di condizioni di benessere ambientale, in particolare termiche,
luminose, acustiche
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più organiche rispetto alla psico-fisiologia umana secondo i
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concetti dell’adaptive comfort, sfruttando le potenzialità offerte dal contesto
ambientale specifico
Le strategie di controllo nel caso italiano possono differire profondamente da sito a
sito in quanto diverse possono essere le potenzialita offerte dalla natura e cioè le
forzanti positive e negative
I fattori principali che incidono in termini sinergici sul raggiungimento delle
condizioni ambientali-obiettivo sono i seguenti:
1-Il clima locale e gli elementi di stimolazione provenienti dall’ambiente esterno
nelle loro variabilità giornaliere, stagionali (sole, vento, piovosità, temperatura,
umidità relativa, trasparenza del cielo)
2-Le caratteristiche naturali e antropiche del sito (soleggiamento, vegetazione,
orografia, brezze struttura urbana, geotermia ecc.)
6. Un esempio applicativo
Un edificio climate sensitive, in fase di progettazione avanzata, sarà realizzato a
Lodi per una comunità per il recupero di minori disadattati.6
Esso costituisce una applicazione dei concetti elaborati nel gruppo di ricerca VeLE
del Politecnico di Milano, che consistono nella definizione di strategie progettuali per
edifici a basso consumo energetico, calibrate alle peculiarità del contesto climatico
italiano.
Per
ottenere
contemporaneamente
una
significativa
riduzione
del
consumo
energetico e un elevato comfort ambientale per gli utenti, si è adottato un
approccio misto:
-
privilegiando l’aspetto conservativo, con chiusure iperisolate e a tenuta
d’aria, per ridurre al minimo le dispersioni termiche
-
sfruttando gli apporti solari gratuiti, particolarmente significativi nel clima
italiano, e i carichi interni, attraverso una progettazione integrata delle
caratteristiche morfologiche e prestazionali degli elementi tecnici e del
sistema impiantistico
-
controllando il surriscaldamento estivo con strategie essenzialmente passive,
basate su fonti geotermiche, che permettono di evitare l’adozione di sistemi
meccanici tradizionali.
6
E. Zambelli e altri, Edifici energeticamente efficienti: una sperimentazione a Lodi, Convegno
Internazionale AICARR 2004: Integrazione e nuove visioni di progetto e di gestione, Milano 3-4 marzo
2004
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La progettazione di questo edificio si è proposta quindi:
-
di
studiare
soluzioni
architettoniche
ed
impiantistiche
integrate
che
dialoghino efficacemente con le caratteristiche climatiche del luogo
-
di applicare, per la realizzazione dei diversi subsistemi, la tecnologia
stratificata a secco, la quale assicura un migliore controllo della qualità
attraverso la specializzazione dei materiali, l’articolazione strutturale, la
progettabilità e la gestibilità dell’intero organismo edilizio.
L’obiettivo è inoltre quello di realizzare un laboratorio sperimentale di materiali,
componenti e tecnologie con particolare attenzione alle innovazioni, grazie anche al
contributo concreto di numerose imprese di settore.
Parallelamente alla fase di progetto e al termine dell’intervento saranno effettuate
simulazioni teoriche e indagini sperimentali, i cui risultati diventeranno linee guida
per migliorare sia la progettazione dell’edificio in oggetto sia la progettazione di
realizzazioni simili.
Passive house a Friburgo
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BEST Politecnico di Milano, VeLE,-climate sensitive building: edificio sperimentale a
Lodi
Profilo spettrale di un vetro basso emissivo ideale
Da: J. Karlsson,
Window optical performance and energy efficiency, Acta
universitatis upsaliensis, Uppsala 2001
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Profilo spettrale di un vetro ideale di controllo dei transfert termici
Esemplificazione
delle
proprietà
dei
vetri
elettrocromici
dell’abbagliamento
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nel
controllo
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Temperature di comfort: confronto tra modello previsionale statico e adattivo
Da: A standard for natural ventilation, G. Shiller e altri, ASHRAE Journal, october
2000
Temperature ottimali in presenza di spazi ventilati naturalmente
Da: A standard for natural ventilation, G. Shiller e altri, ASHRAE Journal, october
2000
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