l`efficienza attraverso mezzi architettonici o impiantistici?

TECNOLOGIE
può essere generato da fonti alternative e rinnovabili, realizzando così un edificio Net Zero Energy.
Emanuele Naboni
Emanuele Naboni è professore associato in Architettura Sostenibile
alla Facoltà di Architettura della Royal Danish Academy, Copenhagen,
fondatore di e3Lab in Milano (www.e3lab.org).
Forma, ombreggiante, tecnologia
ed energia: l’efficienza attraverso
mezzi architettonici o impiantistici?
Kroon Hale, Yale
University.
La copertura
alloggia il sistema
fotovoltaico
Quale è il peso specifico del progetto architettonico e quale quello del progetto
impiantistico in termini energetici? Il sistema ombreggiante può essere integrato
in scelte sia architettoniche, sia impiantistiche. Nell’articolo si propone una gerarchia di scelte prima architettoniche, di forma e ombreggiamento, e poi impiantistiche per l’efficienza energetica e di seguito alcuni casi studio.
La pratica della progettazione energetica può essere suddivisa in due aree differenti e talvolta contrastanti: architettura e impiantistica. Secondo Lechner,
autore del libro “Heating, Cooling and Lighting” il progetto architettonico è
l’opzione più conveniente: ottimizzare la progettazione può ridurre il consumo energetico degli edifici fino all’80 %. La progettazione impiantistica può
portare ad una riduzione del consumo di energia di un altro 8 %. Pertanto, una
buona progettazione può portare ad un consumo pari al 12 % di energia di un
edificio convenzionale. Per creare la neutralità energetica, l’importo rimanente
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TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
Nasa Sustainability Base. Sistemi
di schermatura orizzontali
Anche se le percentuali formulate da Lechner non
sono state verificate per tutti i climi, raffigurano l’enorme potenziale di soluzioni architettoniche per
ridurre il consumo di energia. Gli studi di architettura iniziano oggi a quantificare i risparmi ottenuti attraverso la progettazione architettonica. Gli studi di
architettura di caratura internazionale come Foster
and Partners, Skidmore Owings and Merril, HOK,
tra gli altri, stanno sviluppando la consapevolezza
dell’importanza della progettazione architettonica
per creare risparmio energetico come in gran parte
sostenuto da diversi casi studio. A conferma delle teorie di Lechner, lo studio d’architettura danese Henning Larsen ha dimostrato in alcuni sui progetti che
semplicemente progettando un edificio correttamente rispetto al sito ed al clima, è possibile ridurre
il consumo energetico tipico di un edificio dell’80 %.
Guardando i vari casi di progettazione è possibile
estrapolare un processo ideale per soddisfare l’obiettivo di riduzione energetica. Il processo è ottenuto con un mix di elementi architettonici, funzionali e di controllo, sistemi impiantistici. In funzione
del progetto si pone o meno l’accento in maggiore
o minore quantità su uno o più delle seguenti fasi.
Le stesse sono elencate in ordine decrescente di efficienza:
- Ridurre i carichi attraverso la progettazione architettonica. Riscaldamento, raffreddamento ed illuminazione possono essere ridotti con elementi quali:
il design del sito, la forma, l’orientamento, il passive
solar design, gli involucri ad alte prestazioni, i sistemi
di barriere d’aria, l’illuminazione naturale, il controllo
solare attraverso sistemi di schermatura, dispositivi
statici per l’ombreggiamento, l’uso di ventilazione
naturale, ecc...
- Ridurre i carichi con altri mezzi. Gli specialisti dell’energia si concentrano sulla riduzione dei carichi
attraverso l’uso di efficienti sistemi di illuminazione ed attrezzature, tramite ventilazione naturale,
estendendo le temperature accettate nella zona di
comfort, giocando con le variazioni di temperatura
(interazione tra HVAC e massa termica) e utilizzando
sensori e controlli per illuminazione / HVAC in grado
di ridurre la quantità di riscaldamento, raffreddamento e illuminazione quando non sono necessari.
- Ottimizzare i controlli dell’edificio, la progettazione di illuminazione ed HVAC. Una volta che i carichi
sono ridotti, sono soddisfatti con impianti efficienti.
Il progetto di questi ultimi spesso incorpora tecnologie nuove, come impianti ad alta efficienza, controlli,
sensori, ecc... L´automazione dell’edificio può essere
utilizzata per ad esempio movimentare i sistemi di
schermatura.
- Uso di energie alternative. Una volta che gli impianti meccanici sono definiti, è possibile utilizzare, l’energia alternativa (non derivata da fonti tradizionali
TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNOE 2012
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Global Ecology
Center. Mensole
riflettenti esterne
Census Boreau. Lamelle in
legno di quercia curvate
di combustibili fossili). L’uso di energia elettrica e calore per co-generazione o
con impianti combinati (CHP) e in alcuni casi con celle a combustibile sono tra
i modi per produrre energia a minor impatto ambientale possibile e in molti
casi a costo inferiore.
- Implementare sistemi attivi per le energie rinnovabili. I sistemi attivi sono
un settore che può essere indagato quando gli obiettivi di riscaldamento,
raffreddamento e illuminazione non sono soddisfatti mediante architettura e
impiantistica. Fotovoltaico (anche integrato nel sistema di ombreggiamento),
geotermico e turbine a vento sono i più utilizzati. Le fonti energetiche rinnovabili sono necessarie per raggiungere un edificio Net Zero Energy (NZEB).
Global Ecology
Center. Mensole
riflettenti esterne
Genzyme Building.
Forma compatta ed
atrio centrale
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TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
Pearl River Tower.
Fotovoltaico integrato in facciata
Il ruolo della forma
Forma e spazio costituiscono elementi primari per la riduzione dei consumi
energetici in architettura. L’analisi di edifici internazionali recentemente costruiti permette di distinguere alcune principali categorie di forme:
- l’edificio orientato est-ovest
- l’edificio compatto
- il grattacielo
- l’edificio con superfici inclinate per soddisfare le esigenze di esposizione solare.
Alcuni dei casi sono sviluppati con un approccio coerente con le basi nella progettazione passiva. Percorsi solari e la radiazione termica sono due dei fattori
principali che determinano la forma. In California, il San Francisco Federal Building di Morphosis, il Centro di Ecologia Globale di HEED e la Base Sostenibile
della NASA di William McDonough and Partenrs sono tutte orientate est-ovest.
Tutti utilizzano anche sistemi di ombreggiamento sulle facciate sud e implementano la ventilazione naturale per il raffrescamento estivo. In particolare,
l’edificio della NASA ha una forma curvilinea progettata intorno al percorso
del sole. Tali configurazioni riducono i carichi termici invernali ed i carichi di
raffreddamento estivi, con conseguente progettazione di sistemi impiantistici
sottodimensionati rispetto ad edifici convenzionali.
L’edificio Kroon Hall di Hopkins Architects alla Yale
University, ed il quartier generale della Genzyme
a Boston di Behnisch Architekten, sempre in nord
America, incorporano forme compatte. Il primo ha
una struttura compatta, di forma curva che massimizza le potenzialità dei sistemi fotovoltaici. Il secondo ha un ampio atrio centrale per ottimizzare l’illuminazione diurna. Si ottiene, nel caso del Genzyme
Building una riduzione del 42 % dei consumi energetici rispetto ad edifici della stessa entità. In generale, gli edifici compatti si riferiscono meno ai percorsi
del sole e più al controllo degli scambi di calore con
l’esterno attraverso forme che limitano gli scambi
termici con l’esterno. La riduzione di tali scambi e´’
ancora più importante in zone ventose. Ad esempio
in Copenaghen, la Green Lighthouse di Christensen
& Co Architects, minimizza la perdita di calore attraverso l’involucro utilizzando una compatta forma cilindrica che riduce le pressioni esercitate dal vento in
funzione del fattore forma.
Per gli edifici alti, la pressione del vento aumenta
proporzionalmente con l’altezza dell’edificio. In Canada, la Torre Manitoba sviluppata da TranSolar è stata progettata secondo criteri di esposizione a vento e
percorsi solari. L’edificio è in grado di risparmiare il 22
% di energia in più rispetto alle soluzioni energetiche
più tradizionali. Destinazioni funzionali e forma sono
intrinsecamente connessi. In Inghilterra, il quartier
generale della Wessex Water dispone di una pianta
ad E che si apre verso est. Tale configurazione assi-
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Fase
Caratteristiche
Ridurre i carichi con la Progettazione Site Design (materiali altamente riflettenti
Architettonica
ed ombreggiature)
Forma (superficie-area con rapporto
volume)
Dimensione
Orientamento
Programma
Design dell’Involucro (rapporto finestra/
parete, colore della facciata e le proprietà
delle superfici, isolamento, finestre, vetro,
ombreggiature di esterni e interni)
Raccolta dell’Illuminazione naturale
Materiali da costruzione
Massa termica
Ridurre i carichi con altri mezzi
Illuminazione efficiente
Elettrodomestici ad alta efficienza
Estensione della zona di comfort termico.
Controlli (illuminazione, sensori di presenza, funzionamento delle aperture)
Modalità di ventilazione naturale e mista
Progettazione di controlli, illumina- Sistemi radianti
zione e HVAC
Deumidificazione
Sistema di recupero calore
Sistema di riscaldamento efficiente
Sistema di raffreddamento efficiente
Tecnologie ad energie alternative
Cogenerazione
Celle a combustibile
Energie rinnovabili e Active System Fotovoltaico (anche integrato nel sistema
Design
di schermatura)
Solare per l’acqua calda
Geotermia
Turbine eoliche
Tabella 1. Principali caratteristiche di progettazione energetica che si trovano nei casi studio.
Monitoba Tower. Diversi sistemi
di ombreggiamento integrati in
funzione dell’esposizione
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TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
cura che i posti di lavoro siano rivolti a nord o a sud e
l’ala ovest, con l’alta radiazione solare estiva, sia riservata alla circolazione, bar e servizi di supporto. Oggi,
edifici con una grande distanza dal nucleo alla finestra, che richiedono un’illuminazione artificiale, sono
molto rari. Un fattore chiave di design spinto da sistemi di certificazione come LEED e BREEAM è quello
di mantenere un adeguato fattore di luce diurna, che
modelli così la forma risultante dell’edificio.
L’edificio della Bank of America di New York City di
Cook+Fox Architects ha ridotto il consumo di energia
del 50 % modellando l´inclinazione delle facciate.
Ci sono altri esempi di facciate inclinate. La facciata
sud del Westminster College in UK e´inclinata verso
l’esterno per ridurre al minimo il guadagno solare
mentre la facciata nord, e´ inclinata nell’altro senso
per massimizzare la luce del giorno. L’ufficio di BDP
a Manchester (il piu´grande studio di progettazione
edilizia inglese) è disposto con un inclinazione che
aumenta l’ampiezza del corpo di fabbrica gradualmente, da 15 metri al primo piano a 17 metri sul
terzo, per fornire ombreggiatura. In questi casi, la sezione e l’altezza della costruzione rivelano come una
scelta progettuale low-tech può ridurre il consumo
energetico senza l’impiego di complessi sistemi impiantistici.
Edifici regolati dai carichi termici interni
La maggior parte dei casi discussi possono essere
definiti come edifici regolati dal carico interno dominante. Tali tipi di edifici sono definiti da elevata
occupazione e carichi interni dati da illuminazione,
computer, dipendenti, attrezzature, elettrodomesti-
Green Light House. Forma
compatta, aerodinamica e
veneziane esterne
TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
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New York Times.
Pattern del sistema
di schermatura
metallica
ci, ecc… Questi edifici sono per lo più edifici commerciali o educativi e, naturalmente, hanno alti carichi di raffreddamento. Questi edifici condividono
caratteristiche simili anche in diversi climi. Esempi sono l’ufficio BDP e la sede
del VKR. Nel primo esempio, che si trova a Manchester, i costi energetici di
raffreddamento sono circa il doppio di quelli del riscaldamento. Il secondo,
che si trova in Danimarca, utilizza tre quarti del consumo di energia per il raffreddamento, circa 60 kWh/m².
Strategie condivise per ridurre i carichi di raffreddamento pongono l’accento su:
- illuminazione naturale al fine di evitare carichi di quella artificiale e surriscaldamento
- protezione della facciata per evitare ulteriori guadagni termici
- massa termica e ventilazione naturale, assorbendo e rilasciando il calore
Nei casi di edifici alti, a causa dell’altezza e dei fattori climatici, il design della
facciata deve gestire i delicati problemi di luce naturale, illuminazione, calore
solare, ed il controllo della temperatura media radiante. Quest’ultima è difficile da controllare con il sistema impiantistico e può influenzare direttamente
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TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
il comfort termico degli occupanti e la loro produttività. Nel recente passato, il prezzo delle facciate
totalmente vetrate si è rivelato molto alto in termini
energetici. La sede del New York Times di Renzo Piano sembra aver invertito tale approccio. La riduzione
delle dimensioni del sistema impiantistico è stata ottenuta implementando una schermatura esterna per
proteggere la facciata da eccessivi guadagni solari.
Gli edifici con carico termico interno dominante spesso sono dotati di solette di calcestruzzo esposto per
aumentare il comfort percepito. Il cemento assorbe il
calore durante il giorno e lo rilascia durante la notte
quando gli uffici non sono occupati. Tale scambio termico può essere ottimizzato aumentando il rapporto
superficie/volume del soffitto. Lastre di cemento a
forma d’onda sono quindi spesso usate. È il caso della
BRE - British Research Establishment nel Watford ed il
San Francisco Federal Building. Tali edifici dimostrano
i vantaggi dell’integrazione iniziale di struttura e architettura: sistemi passivi prevalgono su quelli meccanici.
Per ridurre i carichi di raffreddamento la ventilazione
naturale è combinata con la massa termica. A differenza della precedente generazione di edifici non
ventilati che si basavano invece sul controllo di un
termostato per regolare le temperature, la ventilazione passiva attraverso il raffreddamento richiede la
partecipazione degli occupanti. Gli occupanti vengono formati sul quando aprire e chiudere le finestre e
su come alzare ed abbassare le schermature. Presso il
Global Ecology Center, gli occupanti sono stati invitati
a controllare alcuni dei sistemi non-automatizzati per
il controllo degli effetti del sole e del vento sull’ambiente interno. Una riduzione significativa del carico
dell’edificio è stata registrata una volta che gli utenti
hanno imparato come usare gli spazi e quando aprire
le finestre in funzione delle loro esigenze di comfort.
Facciata: differenziazione, sistemi di ombreggiamento e le caratteristiche funzionali
La differenziazione della facciata in base all’orientamento ed al contesto circostante è prevista in quasi
tutti i casi progettati discussi nell’articolo. Rispetto a
pochi anni fa, è difficile trovare edifici che propongano facciate omogenee per ciascun piano. Gli architetti si sono resi conto che la scelta di facciate a tutto
vetro ha un impatto enorme sul consumo di energia.
Dopo alcuni anni dominati da edifici completamente vetrati, vi è attualmente una tendenza a calibrare
attentamente il rapporto finestra/facciata nell’involucro. Numerosi studi hanno dimostrato che non
ci sono benefici in termini di luce naturale se ho un
rapporto finestra/facciata oltre il 60 %, e in molti casi
il 30 o il 50 % sono ottimali. Molti degli edifici qui discussi, per esempio, la sede della VKR Holding e il Green Light House, hanno una percentuale di finestrate
relativamente bassa sulla superficie della parete, generalmente circa il 40 %.
Statisticamente, i casi studio mostrano che l’uso
Bank of America.
Forma modellata
per l’ottimizzazione
energetica
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Accademia della
Scienza. Ombreggiante con fotovoltaico integrato
di facciate a doppia pelle è meno popolare delle soluzioni di ombreggiatura esterni. Oggi, gli esperti concordano sul fatto che sistemi di schermatura
esterni sono più convenienti che le facciate a doppia pelle quando l’obiettivo
principale è la riduzione del carico di raffreddamento. L’ombreggiatura esterna è raramente utilizzata in edifici alti, con l’eccezione della sede del New York
Times, ciò a causa delle pressioni del vento e della difficoltà di manutenzione.
Tuttavia, il San Francisco Federal Building è in grado di disporre di una varietà
di sistemi di schermatura, schermi metallici, brise soleil di vetro verticali calibrati secondo l’orientamento della facciata. Le soluzioni più scolastiche con
ombreggianti orizzontali sono state utilizzati per la Yale Kroon Hall, la Base Sostenibile della NASA, il BRE ed il Palazzo Wessex.
L’ombreggiatura esterna è l’elemento distintivo del design del Census Bureau
si SOM nel Maryland. Lì, una vasta facciata ad ovest è protetta da 16.000 alette
verticali lamellari in quercia bianca. Il sistema di ombreggiatura insieme alle
differenti facciate e due ampi tetti verdi esemplificano come l’edificio ottenga
una riduzione del 15,8% dei consumi energetici se comparato ad edifici con
simile destinazione.
Negli edifici relativamente piccoli, la progettazione energetica della facciata
è spesso espressa da distintivi elementi formali e funzionali. La facciata sud
dell’edificio BRE incorpora camini di ventilazione posizionati per aspirare l’aria
attraverso i condotti nella struttura del pavimento. Il centro di ecologia globale a Stanford ha invece una torre di raffreddamento all’ingresso per migliorare
la ventilazione, fornendo aria pulita e fresca.
Estensione della zona di comfort
Guardando i casi studio, si può vedere come la “zona di comfort estesa” è una
strategia efficace per ridurre i carichi dell’edificio. La ricerca condotta alla Berkeley University ha dimostrato che gli occupanti degli edifici naturalmente ven-
tilati sono a proprio agio con una più ampia banda di
temperature rispetto agli occupanti degli edifici artificialmente climatizzati. Gli edifici naturalmente ventilati consentono una più alta temperatura di comfort
di 26 gradi Celsius in estate rispetto ai tipici 23 gradi
Celsius utilizzati con sistemi impiantistici di raffrescamento negli USA. Gli spazi meno occupati, come le
lobby dei corridoi di collegamento, sono autorizzati a
raggiungere i 30 gradi Celsius. Se la zona di comfort
si estende attraverso la ventilazione naturale, il movimento dell’aria e le tecnologie di riscaldamento/
raffreddamento per la distribuzione termica radiante,
possono produrre un risparmio tra il 40 e il 70 %. Per
la quasi totalità degli edifici situati nelle zone climatiche di Regno Unito, Danimarca e Nord America, una
zona di comfort prolungato significa che la maggior
parte della domanda di raffreddamento può essere
soddisfatta tramite ventilazione naturale.
Tale approccio contesta la pratica americana di progettare gli edifici per uffici con temperature flussi
d’aria controllati. Un tipico edificio statunitense conforme all’americana ASHRAE Standard 90,1-1.989 potrebbe utilizzare 240 kWh/m² all’anno. L’obiettivo per
molti edifici federali americani è di 160 kWh/m² per
anno. Un edificio simile ad alta efficienza energetica e
con un comfort convenzionale potrebbe consumare
meno di 120 kWh/m² all’anno. In confronto, un edificio progettato e gestito con le strategie di comfort
BDP Headquarters. Facciata
inclinata in funzione dell’inclinazione dei raggi solari
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TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
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esteso potrebbe utilizzare solo 60 kWh/m² anno. Il Global Ecology Centre è
un edificio che incorpora con successo questa strategia Gli uffici del secondo piano sono condizionati stagionalmente con raffreddamento passivo
controllato. Il primo piano, tuttavia, non può tollerare oscillazioni estreme di
temperatura e umidità relativa, così che si utilizzano sistemi di impianto più
tradizionali e controllati meccanicamente.
L’uso di sensori, controlli e attrezzature a basso consumo
Un’altra strategia per ridurre il consumo di energia è quello di soddisfare i
carichi solo quando è necessario. Un esperimento all’avanguardia nella base
NASA utilizza un controllo integrato intelligente (IIBC) per tenere tracciati di
luce, calore, umidità, clima esterno, stato di occupazione ed ottimizza le condizioni di comfort ambientale con prestazioni ambientali ed efficienza energetica. A seconda delle condizioni climatiche esterne ed il numero di persone
all’interno di ogni stanza, il computer può aprire o chiudere le finestre, regolare i livelli di illuminazione ambientale o sollevare ed abbassare le schermature
delle finestre.
Nella maggior parte dei casi studio, i sensori di occupazione vengono usati in
spazi come sale conferenze, servizi igienici, sale d’aspetto e le aree di stoccaggio. Un risparmio energetico per l’illuminazione dal 10 al 20 % viene spesso
riportato quando le scuole sono dotate di questi dispositivi. Nel caso di uffici,,
la maggior parte del lavoro è condotto sulla scrivania. Per esempio, la base sostenibile della NASA ha un sistema di illuminazione che offre 350 lux per l’ambiente e illuminazione a LED di 550 lux sul piano di lavoro. Il New York Time
Building, implementa una strategia di controllo per abbassare o spegnere luci
artificiali e veneziane quando la luce naturale è disponibile. Il comfort visivo e
termico viene mantenuto in ogni momento, riducendo la domanda di energia del 70 %.
Nella sede della VKR in Danimarca, sensori di luce diurna assicurano che tende solari interne ed esterne funzionino in combinazione con la luce artificiale,
con un risparmio di energia elettrica del 25-30%. Veneziane automatizzate
sono anche implementate su qualche edificio completamente vetrato come
la Hearst Tower di Foster and Partners ed il Genzyme Building.
Infine, è opportuno sottolineare che, in base ai casi studio, l’uso di apparecchiature impiantistiche ad alte prestazioni può tradursi in un risparmio di
energia, emissioni e costi compreso tra 10-40 %. Queste cifre si applicano agli
edifici che offrono comfort convenzionale (ad esempio 20° C in inverno e 24°
C in estate). Una progettazione integrata dell’edificio accoppiata all’uso della
zona di comfort prolungato può produrre un risparmio di 40-70 %.
La dimensione degli impianti meccanici
Ciascuna delle decisioni riguardo la progettazione architettonica impattano
sia la qualità degli spazi sia il riscaldamento, il raffreddamento ed i carichi di
illuminazione. Ad esempio, la progettazione architettonica condiziona direttamente la dimensione dell’impianto. Migliore è il progetto architettonico in
funzione di scelte passive, minore è il sistema impiantistico richiesto e quindi
i costi iniziali ed operativi. Sistemi meccanici di limitate dimensioni possono
essere visti come un indicatore del successo dell’architetto (Lechner). I sistemi impiantistici rappresentano una parte importante del consumo annuo di
energia di un edificio tipico. Questi utilizzano anche gran parte del budget
per la costruzione edilizia mentre caratteristiche architettoniche quali la costruzione dei volumi, l’orientamento ed il programma sono a costo-neutro o
quasi zero. La scelta di tetti ad alta efficienza energetica, pareti esterne, tipi di
vetro, sistemi di ombreggiatura e appropriati rapporti delle aperture sulle pareti non sono un costo neutro, ma il loro periodo di pay-back è molto inferiore
di quella di un efficiente sistema impiantistico.
Negli casi studio di edifici che consumano meno di 100 kWh/m² anno, l’efficienza energetica è stata ottimizzata e le dimensioni dei sistemi impianti-
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TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
stici ridotte attraverso l’uso di modelli energetici di
simulazione a supporto del progetto architettonico.
Il coinvolgimento di un ingegnere meccanico con
spiccate capacità di comprensione dell’architettura è fondamentale per il successo degli edifici verdi
ad alte prestazioni. Durante la programmazione e le
fasi di progettazione iniziale, l’impiantista ha assistito il professionista nella progettazione architettonica
per l’ottimizzazione dell’involucro e dell’orientamento dell’edificio, ancor prima di selezionare il sistema
impiantistico e sono stati considerati anche impianti
alternativi. Un modello di base è stato creato per confrontare i progetti proposti. I modelli sono basati sui
minimi criteri costruttivi locali (ad es. California Title
24 per l’Accademia delle Scienze di Renzo Paino) o dei
riferimenti del protocollo di certificazione LEED.
Spostamento dei carichi
Molti impianti elettrici offrono prezzi di consumo
dell’energia più bassi nelle ore di minor traffico che di
solito si verificano durante la notte. Soprattutto negli
Stati Uniti, la recente generazione di sistemi progettati trae vantaggio da questa situazione, spostando i
carichi energetici a periodi specifici o investendo sulla riduzione degli stessi in momenti particolari. Si capisce quindi come una visione temporale dell’edificio
in funzione del suo uso, della situazione climatica e
del prezzo dell’energia siano importanti. Le seguenti
strategie sono utilizzate nei vari casi studio.
- Pre-ventilazione dell’edificio per ridurre al minimo
i carichi di ventilazione nelle ore di punta. La strategia più comune è espellere di notte con ventilazione
naturale e meccanica. Può essere utilizzata in tutti i
climi. Esempi sono il Green Light House, l’Università
di Copenhagen, le torri Bishopsgate e Broadgate a
Londra, Base Sostenibile della NASA, la sede del BRE,
il BDP Office, la sede della Wessex Water e della Woodland Trust di Feilden Clegg Bradley Studios.
- Raffreddare gli edifici durante la notte per ridurre
il picco del carico di raffreddamento. Per esempio,
presso il Global Ecology Building durante le notti estive un film sottile di acqua viene spruzzato sopra il tetto per implementare le perdite di calore dell’edificio
verso il cielo della fredda notte attraverso lo scambio
per radiazione.
- Esplorare sistemi di accumulo termico (per esempio,
la conservazione termica del ghiaccio). La Bank of
America utilizza un sistema termico di accumulo offpeak del ghiaccio per far funzionare dei refrigeratori
che producano ghiaccio durante la notte quando il
costo dell’elettricità è minore. Lo stesso viene utilizzato per il raffreddamento dell’edificio nel pomeriggio
successivo, quando i costi elettrici sono più alti.
Utilizzare fonti rinnovabili per soddisfare le esigenze energetiche
Una volta che misure di efficienza sono state integrate a livello architettonico, operativo e negli impianti, i
BRE Building. Camini
solari in facciata
TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
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forniscono il 60 % del fabbisogno di acqua calda. Insieme, questi sistemi sono
stimati per fornire il 30-40 % dell’energia necessaria al funzionamento della
struttura.
Geotermia e la produzione combinata di calore ed elettricità (CHP) sono sistemi molto diffusi tra i casi studio. Si tratta di una caratteristica ricorrente in tutti
gli edifici che mirano ad un target Net Zero Energy. Nella sede della Rambool in Copenaghen, l’uso di energia geotermica fornisce l’ 85 % delle esigenze
di raffreddamento. La generazione del vento attraverso le turbine, che viene
realizzata in un solo caso discusso, la Pearl River Tower, è ancora la fonte più
controversa di energia rinnovabile. L’aspetto le rende difficili da integrare nel
progetto architettonico ed il loro volume le rende difficili da integrare in un
sito urbano.
Westminster College.
La facciata a gradoni
fabbisogni energetici rimanenti possono essere soddisfatti utilizzando tecnologie energetiche alternative e rinnovabili. Comuni strategie di generazione
on-site di energia elettrica che si trovano nei casi studio sono fotovoltaico integrato, riscaldamento solare dell’acqua, turbine eoliche, produzione combinata di calore ed elettricità (CHP) e sistemi di geo-scambio.
Nella Kroon Hall e nella Sidwell Friends School, tuttavia, la produzione off-site
da fonti rinnovabili si ottiene con l’acquisto di energia rinnovabile in scala di
grandi dimensioni. Ad ogni modo, l’energia rinnovabile è più costosa dell’ efficienza energetica ottenuta con adeguata progettazione architettonica e dei
sistemi impiantistici.
È meno costoso risparmiare energia che produrre energia rinnovabile. L’equazione dell’energia rinnovabile, scritta di seguito, dimostra che il modo più efficace per raggiungere gli obiettivi energetici si può ottener sia aumentando il
numeratore (energie rinnovabili), nonché riducendo il denominatore (energia
totale):
Energia Rinnovabili
------------------------------------------ = 5% al 100%
Energia Totale
Nei casi studio analizzati, l’energia fornita da fonti energetiche rinnovabili varia dal 5 % al 30 % dell’energia totale necessaria al funzionamento dell’edificio.
In edifici net zero energy, i consumi di energia sono bassi in modo che, quan-
70
TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
do combinati con le fonti rinnovabili, l’edificio può
raggiungere il 100 %.
Il fotovoltaico integrato (BIPV) è l’integrazione del fotovoltaico nell’involucro edilizio piuttosto che applicarlo come caratteristica in più.
Ad esempio, i moduli fotovoltaici sulla Pearl River Tower a Guangzhou in Cina di SOM servono la duplice
funzione di involucro dell’edificio (pannelli spandrel)
e generatore di corrente. Evitando il costo dei pannelli spandrel convenzionali, il costo incrementale del
fotovoltaico si riduce ed i costi del ciclo di vita sono
migliorati. La Kroon Hall a Yale è un esempio di design
in cui vengono massimizzate le superfici per l’integrazione architettonica dei moduli fotovoltaici.
La vasta gamma di pannelli fotovoltaici (PV) fornisce
un quarto del fabbisogno elettrico dell’edificio. L’Accademia delle Scienze di San Francisco di Paino ha
un copertura di pannelli fotovoltaici (PV) che eroga
213.000 kWh di elettricità all’anno.
L’installazione sul tetto prevista per la Base Sostenibile della NASA comprende una gamma da 100 kW
di pannelli fotovoltaici con una potenza di 122.000
kWh/anno ed una serie di pannelli solari termici che
Confrontare le prestazioni degli edifici per uffici
L’energia operativa è una misura significativa della sostenibilità. Essa consente un confronto tra architetture e tecnologie costruttive alternative. Gli edifici
consumano energia per riscaldamento, raffreddamento, ventilazione, illuminazione, apparecchiature ed elettrodomestici. Indipendentemente dalla posizione, i migliori edifici consumano meno di 100 kWh/m² all’anno mentre i
laboratori di ricerca meno di 200 kWh/m². I casi studiati in Gran Bretagna sono
stati progettati con particolare attenzione alla forma dell’edificio e all’involucro per ridurre l’energia operativa. In questi casi, il sistema HVAC interagisce
dinamicamente con la struttura dell’edificio, il grado di occupazione ed la
situazione climatica nel corso dell’anno. Ad esempio la sede della BDP non
ha bisogno di sofisticati sistemi meccanici, dimostrando che attraverso scelte
architettoniche, è possibile raggiungere l’obiettivo di 100 kWh/m2 anno. Allo
stesso modo, l’ufficio della BRE, si basa su sistemi passivi e consuma circa 120
kWh/m²/ anno, la metà del consumo medio per uffici in Inghilterra.
Come nel Regno Unito, la Danimarca ha la cultura di integrare strategie architettoniche e meccaniche quando si guarda all’efficienza energetica. Inoltre,
vi è una forte attenzione alla qualità dell’involucro, definito “climate screen”.
La Danimarca ha i maggiori produttori mondiali di isolamento e componenti vetrati. Pertanto, non sorprende che molti dei casi studio discussi abbiano
obiettivi energetici molto bassi. La sede della VKR Holding ha un consumo
di energia previsto di 78 kWh/m² l’anno. La Direzione Tecnica del Comune di
Århus progettata da CF Møller ha un consumo energetico totale di 50 kWh/
m² per anno, ottenuto con una facciata a fotovoltaico integrato. Il nuovo edificio per uffici di Energinet.dk a Ballerup progettati da Henning Larsen ha un
consumo energetico totale di soli 47,7 kWh/m²/anno fortemente focalizzata
sul raggiungimento di questo obiettivo attraverso la progettazione architettonica. La scelta di integrare pannelli solari, raffreddamento ad acqua di falda e
pompe di calore nel progetto ha ridotto il consumo annuo di energia per soli
35 kWh/m²/anno. La Green Light House ha un carico totale di energia primaria
di 30kWh/m²/anno. Inoltre la struttura è in grado di generare 27kWh/m²/anno,
risultando un edificio che in condizioni ideali richiede l’uso di soli 3kWh/m²/
anno.
Negli Stati Uniti, gli edifici commerciali hanno, in media, un consumo di energia superiore a quella in Europa. Un tipico grande edificio per uffici del Nord
America consuma una media di 400 kWh/m²/anno, ma è anche possibile trovare progetti rivolti a raggiungere meno di 100 kWh/m²/anno. Questo è uno
sviluppo importante, soprattutto quando gli obiettivi a basso consumo si applicano ad edifici alti, come la Bank of America a New York e la Torre di Manitoba in Canada. Fino a poco tempo fa, i grattacieli sono stati visti come megaconsumatori di energia. Tra gli edifici-laboratorio, il Global Ecology Centre di
Stanford prevede un consumo energetico di 157 kWh/m²/anno. Un vicino edificio a zero net energy è la Kroon Hall allo Yale Campus. Mentre la Base Sostenibile della NASA implementa una serie di concetti architettonici ed energie
rinnovabili e si prevede di far produrre più energia di quanta ne consuma.
Conclusione
La progettazione architettonica (della forma, della
facciata, del sistema di schermatura) è la più efficace
strategia di riduzione del consumo energetico. L’ottimizzazione dei sistemi HVAC e sistemi attivi svolgono un ruolo importante, ma meno efficace. Ma
pur essendo ben noto negli ambienti di ricerca che
la progettazione architettonica ha un maggiore impatto in materia di energia, è stato difficile da trasferire ciò nella pratica. Casi studio dimostrano che gli
architetti stanno finalmente prendendo coscienza di
tale potenziale e si è aperta una fase di sperimentazione architettonica. In pochi casi vi è la tendenza ad
utilizzare soluzioni scolastiche e ripetitive soluzioni
passive (cioè grande facciata vetrata a sud, brise solei
orizzontali a sud, ombreggiamento verticale a ovest,
ecc…). In altri casi vi è una interessante ricerca condotta sulle potenzialità di nuove forme, sistemi di
schermatura, materiali e modi di utilizzo degli edifici.
Queste ricerche si basano implicitamente sul fatto
che la fisica dell’edificio permette di ottenere risparmi energetici in molti modi e che le formule convenzionali, non sono adatti per ogni clima. Pochi studi di
architettura, come Foster ed SOM, hanno dedicato
team investigativi a tali argomenti e spesso sono in
grado di connettere la creatività architettonica e gli
obiettivi di riduzione del consumo energetico.
Questa visione sta cambiando la percezione abituale
che gli ingegneri meccanici siano i principali attori
per la riduzione del consumo energetico. Infatti, per
gran parte del secolo scorso, gli standard di comfort
descritti nei manuali di ingegneria di Europa e Nord
America sono stati raggiunti attraverso sistemi meccanici alimentati da impianti basati su fonti energetiche non rinnovabili. I sistemi impiantistici sono tuttavia importanti e devono far parte della strategia. Si
noti che le soluzioni più innovative e le poche NZEB
(net zero Energy Building) al mondo sono il frutto
della creatività e della stretta collaborazione di architetti, consulenti energetici ed ingegneri meccanici. Per esempio, il Design Group Performative nello
studio SOM è composto sia da ingegneri meccanici e
architetti. Il loro sforzo congiunto ha sviluppato una
metodologia per la riduzione energia che può essere
universalmente applicata.
Riferimenti:
Frechette R, Gilchrist R, (2008), Towards Zero Energy A Case Study:
Pearl River Tower, Guangzhou, China. The Proceedings of the Council on Tall Buildings and Urban Habitat’s 8th World Congress Dubai,
United Arab Emirates March 3-5, 2008
“Tall & Green: Typology for a Sustainable Urban Future” Editor: Antony Wood
Lechner N (2000), Heating, Cooling, Lighting: Design Methods for Architects, 2 edition Wiley.
(WBDG), Whole Building Design Guide, National Institute of Building Sciences, Washington, DC
www.wbdg.org/ccb/EPA/sbtm.pdf
TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012
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