Efficienza energetica in clima mediterraneo Il prototipo RhOME vincitore del Solar Decathlon 2014 continua la sperimentazione in Italia

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1 Efficienza energetica in clima mediterraneo Il prototipo RhOME vincitore del Solar Decathlon 2014 continua la sperimentazione in Italia Gabriele Bellingeri - Professore Associato, Dipartimento di Architettura, Università degli Studi di Roma3 Ilaria Montella - Ph.D. student - Tecnologia dell'architettura - Università di Firenze, Assistente di Tecnologia - Università di Roma TRE, Consulente energetico CasaClima - Bolzano Rispondere alle esigenze climatiche che richiede la zona mediterranea, è una sfida che impone equilibrio sapiente tra la conoscenza costruttiva del passato e le tecnologie moderne in grado di interpretare e migliorare, con sistemi intelligenti, le stesse conoscenze della tradizione garantendo il comfort richiesto oggi dalle normative. Il clima di Roma è un clima temperato con estati calde, inverni non rigidi, e temperature decisamente confortevoli nelle mezze stagioni. Se volgiamo lo sguardo al passato, proprio queste condizioni climatiche suggerivano l utilizzo di materiali massivi nella costruzione, di bilanciare i vuoti ed i pieni in facciata per sfruttare il soleggiamento invernale e godere della ventilazione naturale. La competizione internazionale del Solar Decathlon, svoltasi tra Giugno e Luglio 2014 a Versailles, ha richiesto ai team partecipanti di sfidarsi progettando un prototipo pensato per il contesto e clima di provenienza, proponendo strategie di recupero delle problematiche urbane (fig.1). fig.1 Un immagine fotorealistica dell edificio urbano tipo. 1

2 Il team italiano, dell Università degli Studi di Roma Tre, si è proposto di sperimentare il recupero delle aree degradate della Capitale, nello specifico dell area di Tor Fiscale (fig.2-fig.3), fortemente compromessa dalla coesistenza tra preesistenze storiche ed edilizia spontanea, con un modello abitativo di social housing ad alta efficienza energetica e costi contenuti. fig.2 Tor Fiscale particolare dell area di progetto. fig.3 Tor Fiscale particolare dell area di progetto. Si tratta del prototipo RhOME, a Home for Rome che, facendo sintesi del progetto urbano in un'unica cellula dimostrativa di 62 mq netti (fig.4), ha gareggiato e vinto nella recente edizione del Solar Decathlon 2014, fornendo proprio un modello di risposta all emergenza abitativa romana ed interpretando, in chiave moderna, la sapienza bioclimatica delle case mediterranee del passato. 2

3 fig.4 Pianta del prototipo portato in competizione a Versailles. Dal punto di vista compositivo il progetto RhOME reinterpreta in chiave moderna le caratteristiche dell architettura locale preservando la vocazione formale del luogo, ma affidando ai dettagli compositivi anche il compito di diventare preziosi accorgimenti per l efficienza energetica della casa. Tratte dalla tradizione, la loggia romana, le persiane in legno e la copertura a falda, diventano motori energetici della casa. La loggia, grazie al clima mite in otto mesi l anno, diventa naturale estensione della casa. La copertura a falde, integra la produzione energetica a Sud ed innesca l effetto camino a Nord grazie ad un grande lucernario. Le schermature mobili, rivisitazione delle persiane in legno, vengono utilizzate per ombreggiare la loggia dall irraggiamento eccessivo e produrre allo stesso tempo energia elettrica (fig.5). fig.5 Foto del prototipo. In evidenza la loggia, il tetto a falda, la persiana fotovoltaica. 3

4 Per lungo tempo si è pensato che la chiave dell efficienza energetica di un edificio risiedesse unicamente nelle prestazioni del suo involucro perché fosse in grado di evitare le dispersioni termiche, soprattutto in considerazione dei consumi energetici in regime invernale. L aumento dei consumi energetici dovuti al raffrescamento estivo, ha iniziato a modificare via via anche la progettazione dell involucro pensato come un sistema complesso capace di gestire gli scambi termici in entrambe le direzioni, di incanalare, per forma, la ventilazione naturale per il raffrescamento estivo, di ottimizzare la luce naturale proteggendosi dall irraggiamento e dai carichi termici eccessivi in estate, e captare il guadagno termico solare in inverno per ridurre il fabbisogno termico di riscaldamento. L interpretazione dei progettisti prende in genere due strade divergenti. La prima affida l effici enza energetica all evoluzione dei sistemi impiantistici e, ancor di più, ai sistemi di gestione automatizzata del comfort nei quali la partecipazione dell utente diviene marginale. La seconda, nelle mani di progettisti più attenti alle questioni ambientali, progetta con attenzione la morfologia dell edificio perché tragga vantaggio dalle condizioni macroclimatiche al contorno e perché ponga l utente, ed il suo comportamento virtuoso, al centro del funzionamento e della corretta gestione della propria casa. Certamente la sinergia tra tutti questi elementi è la chiave per realizzare edifici efficienti ed è per questo che il team dell Università di Roma Tre, nella concezione e la realizzazione del progetto RhOME, fa della sinergia e dell equilibrio tra le azioni la strategia vincente (fig.6). fig.6 Analisi energetiche e strategie con l uso dei software. In quattro anni di lavoro, per l edizione del Solar Decathlon 2012, con il prototipo Med in Italy, e per l edizione del 2014, con il prototipo RhOME for dencity, il team ha delineato una strategia di efficienza articolata in 5 punti che è stata simulata in fase di preparazione, grazie all utilizzo di modelli di simulazione statica e dinamica, e messa alla prova durante le competizioni consentendo al team di ottenere, in entrambe le gare, ottimi risultati sperimentali. 4

5 I 5 punti strategici utilizzati possono essere sintetizzati così: 1) usare la massa per ottimizzare il comportamento passivo; 2) concentrare gli impianti per diminuire le dispersioni; 3) concepire il sistema impiantistico come integrazione al funzionamento passivo della costruzione; 4) usare solo materiali a basso contenuto di energia primaria inglobata; 5) rendere l utente informato e consapevole del rapporto tra i consumi energetici e le sue azioni. Essendo progettato per comportarsi al meglio anche in climi caldi, il prototipo RhOME pone al centro della strategia sia l ottimizzazione del comportamento passivo della casa, attraverso il controllo della morfologia e dell orientamento, sia l utilizzo progettato della massa (fig.7). fig.7 Schema del funzionamento bioclimatico della casa. L edificio infatti è inteso come macchina complessa per la generazione del comfort dove l utilizzo della massa non è finalizzato all aumento dello sfasamento dell onda termica che attraversa l involucro, ma è concepito come un vero e proprio ammortizzatore termico, capace di stabilizzare la temperatura interna sia in regime invernale che in regime estivo, scaricando durante la notte l energia termica accumulata di giorno. Il prototipo RhOME cerca dunque di fare una sintesi tra l innovazione tecnologica e l integrazione architettonica al fine di dare ad un edificio leggero in legno, i benefici termici degli edifici pesanti tipici delle aree mediterranee. Il materiale scelto da utilizzare come massa all interno delle pareti del prototipo è la sabbia sfusa che ha come vantaggio anche quello di migliorare le prestazioni acustiche ed il comportamento a fuoco della struttura (fig.8). 5

6 fig.8 Sezione della stratigrafia parete esterna del prototipo. Partendo da un intuizione, l obiettivo è stato quello di validarla attraverso l utilizzo mirato e sinergico di strumenti di simulazione e di prove sperimentali volte a determinare come lo strato di sabbia riuscisse ad influenzare il microclima interno degli ambienti riducendo il dispendio energetico dovuto all utilizzo degli impianti di riscaldamento e di raffrescamento. Lo strato di sabbia è stato quindi addizionato sul lato interno della parete perimetrale e posa to in tubi di alluminio, per facilità di trasporto e montaggio durante la competizione (fig.9). fig.9 I tubi di alluminio riempiti di sabbia prototipo in competizione a Versailles Al fine di validare le simulazioni dinamiche effettuate con l utilizzo di software, il team ha lavorato in collaborazione con l Istituto per le Energie Rinnovabili EURAC di Bolzano realizzando un provino in scala reale (fig.10) della parete del prototipo e lo ha sottoposto a test in camera climatica in regime stazionario e dinamico (fig.11) nel laboratorio INTENT (INTegrated Energy wall Test facility) dell Eurac. 6

7 fig.10 Provino in scala reale della parete del prototipo fig.11 Camera climatica dell Istituto EURAC di Bolzano Dai risultati ottenuti dai test sul provino, il comportamento reale è compatibile con quello delle simulazioni con software e sembra supportare la tesi che il modello con sabbia abbia consumi minori di quello senza sabbia dovuti al contributo della massa che determina un tempo di funzionamento degli impianti inferiore (fig.12). 7

8 fig.12 Grafici di simulazione confronto parete con massa e senza massa Tuttavia sarà effettuata un altra prova della parete, escludendo lo strato di sabbia, per confrontare i risultati di entrambi ed isolare il beneficio dello strato di sabbia. Lo scopo di questo iter è di approdare ad una vera e propria metodologia di dimensionamento della massa termica necessaria che si affranchi dall uso intuitivo della stessa ed approdi verso una più accurata interazione tra edificio ed ambiente. Nella strategia è essenziale considerare anche la collocazione del cuore tecnologico della casa. Infatti i sistemi impiantistici sono concentrati in un 3d Core (fig.13), interamente realizzato in stabilimento, che contiene al suo interno tutte le dotazioni impiantistiche come cucina, bagno, locale tecnico, VMC e sistemi di controllo. La concentrazione degli impianti è pensata per ridurre i costi di cantiere grazie all utilizzo della prefabbricazione spinta consentendo allo stesso tempo di ridurre i consumi in fase di esercizio grazie alla riduzione delle dispersioni dovute alle canalizzazioni di distribuzione. fig.13 Il 3D core durante la fase di trasporto e montaggio a Versailles. 8

9 Il sistema impiantistico scelto prevede l utilizzo di una pompa di calore reversibile, messa a punto da Daikin, che lavora in sinergia con pannelli radianti di Eurotherm ed è pensato per lavorare ad integrazione del funzionamento passivo. In regime invernale, infatti, il sistema di riscaldamento viene attivato durante le ore diurne quando il campo fotovoltaico è in grado di fornire energia elettrica, momento in cui la massa presente nella costruzione assorbe l energia termica prodotta, restituendola nelle ore serali e notturne permettendo all impianto di climatizzazione di disattivarsi al tramonto e non assorbire energia della rete. Il captatore fotovoltaico, leggero e flessibile, è costituito da celle monocristalline prodotte da Solbian che compongono pannelli solari fotovoltaici flessibili integrati su un tessuto microforato e applicati su un telaio scorrevole in alluminio. Il sistema così composto fornisce energia alla casa assolvendo anche la funzione di tenda ombreggiante ad assetto variabile che garantisce la difesa delle vetrate meridionali da eccessivi guadagni termici in estate e consente, al contrario, in inverno di massimizzare i guadagni termici da irraggiamento diretto delle vetrate sud attivando così la funzione di volano termico della massa (fig ). fig.14 Foto della pensilina fotovoltaica fig.15 Configurazioni possibili della pensilina fotovoltaica nel prototipo 9

10 fig.16 Immagine della tenda fotovoltaica nel prototipo in fase di montaggio Per la produzione di acqua calda sanitaria il parapetto della loggia, con un rendimento pari a sei volte il consumo elettrico speso, integra un pannello termodinamico, messo a punto in collaborazione con CGA Technologies e ENERGIE, in grado di captare il calore dalla radiazione solare e dalla temperatura dell aria e di entrare in funzione proprio per la differenza di temperatura tra il gas del circuito e l esterno. Grazie ad una pompa di calore, il calore del gas termovettore viene ceduto all acqua del serbatoio principale dell acqua sanitaria e, per effetto della differenza di temperatura, il pannello si raffredda e condensa migliorando allo stesso tempo il microclima della loggia (fig.17). fig.17 Parapetto con sistema termodinamico integrato. Il progetto è stato realizzato quasi esclusivamente con materiali naturali. Infatti tutti gli elementi strutturali sono in legno e quelli di isolamento in lana di legno seguendo un utilizzo responsabile 10

11 che favorisce la forestazione per migliorare, grazie al potenziale assorbente degli alberi in fase di crescita, la trasformazione di CO2. L attenzione al bilancio energetico globale dell edificio infatti non è stata intesa unicamente in base alla riduzione dei consumi in fase di esercizio ma tenendo in considerazione tutte le componenti energetiche come quella della scelta dei materiali dalla pochissima energia grigia inglobata e dal costo ambientale irrisorio in fase di dismissione. In un edificio virtuoso, il comportamento dell utente è indispensabile per raggiungere il risultato cercato soprattutto se la ricerca personale del comfort è legata inevitabilmente alle abitudini di vita dell utente e ai cambiamenti che esse determinano negli spazi abitati. Per questo gli automatismi tra il rilevamento dei dati e le azioni che i sistemi di gestione avanzata mettono in essere, si adattano poco alle esigenze dell utente stesso che vede agire la propria casa in autonomia senza poter interagire con essa. Per tale ragione infatti, con la convinzione che qualsiasi progetto di casa ad alta efficienza, per rendere al meglio, debba essere anche gestito con grande attenzione, la strategia del team ha messo l utente al centro dell efficienza energetica affidandogli la collaborazione piena, consapevole e sapiente nella gestione della propria casa. È stato quindi elaborato un sistema di interfaccia, sviluppato in collaborazione con Almaviva (fig.18-19), capace di dare all utente la massima consapevolezza del rapporto tra le sue azioni ed i consumi della casa, permettendo di visualizzare in tempo reale le conseguenze positive o negative di ogni azione dal punto di vista energetico, permettendo di aggiustare la rotta nel tempo e di modificarne via via le abitudini legate ai consumi. fig.18 Schermata del sistema di interfaccia 11

12 fig.19 Schermata del sistema di interfaccia Attraverso un interfaccia simile al cruscotto di un automobile, l utente è messo in condizione di capire la dinamica dei consumi della casa imparando a gestirne meglio le risorse e le apparecchiature per garantirsi il migliore comfort e, nello stesso tempo, ridurre i costi delle bollette energetiche. I successi ottenuti dai prototipi Med in Italy e Rhome for dencity, hanno dimostrato che utilizzare strategie energetiche capaci di lavorare in completa sinergia è certamente la soluzione vincente. Ai fini di certificare con dati alla mano il comportamento virtuoso della casa RhOME, si è deciso di seguire anche l iter di certificazione CasaClima effettuando tutto il calcolo richiesto dall Agenzia, partner del progetto, con il software ProCasaClima 2013 e progettando con esso le stratigrafie e l efficienza energetica di involucro e quella complessiva che pone l accento sulla qualità della strategia impiantistica. Come è noto, l Agenzia CasaClima non certifica il singolo appartamento (fig.20) ma predilige la certificazione dell intero edificio a vantaggio del rapporto di superficie lorda disperdente d involucro su volume lordo riscaldato (S/V). 12

13 fig.20 Cellula tipo portata a Versailles Nell intento di iniziare l iter, l Agenzia ha scelto di certificare l intero edificio urbano progettato e non unicamente la cellula portata a Versailles. Per questa ragione, durante la fase progettuale e costruttiva della cellula abitativa, l Agenzia ha seguito da vicino tutto l iter di progettazione e realizzazione del prototipo in cantiere per vigilare sulla corretta realizzazione dei dettagli costruttivi e di involucro, sulle strategie impiantistiche proposte e la corrispondenza del costruito al progetto presentato. A conferma della virtuosa progettazione, per l intero edificio è stata ottenuta una classe di efficienza energetica di involucro CasaClima A con un fabbisogno di calore di 22,35 KWh/m2a. È stato scelto anche di seguire il Protocollo CasaClima Nature, a verifica del rispetto dei criteri di sostenibilità in relazione ai materiali e sistemi messi in campo e al comfort indoor ottenuto. Dai calcoli eseguiti dal Consulente Energetico CasaClima, e validati ed approvati dall Agenzia stessa, è stato ottenuto anche il marchio di sostenibilità Nature, ottenendo una certificazi one finale complessiva soddisfacente (fig.21 - fig.22): Classe energetica ottenuta: CasaClima A+ Nature Efficienza dell involucro edilizio (fabbisogno di calore per riscaldamento specifico riferito alla superficie netta): 22,35 KWh/m2a Zona Climatica: D Località: Roma Volume Lordo Riscaldato: 3890,88 m3 Superficie Netta dei piani: 851,12 m2 13

14 Superficie disperdente dell involucro: 2724,15 m2 S/V (rapporto superficie lorda disperdente d involucro/volume lordo riscaldato: 0,70 Efficienza energetica complessiva: 57,74 KWh/m2a fig.21 Risultati della certificazione CasaClima dell edificio urbano fig.22 Targhetta CasaClima A Nature consegnata per l edificio urbano. Essenziale per la validazione di quanto progettato è stata senza dubbio la fase di gara che ha permesso di tenere sotto controllo, grazie al sistema di sensori di rilevamento obbligatorio che richiedeva la competizione, ogni reazione della casa e le conseguenze dei comportamenti degli utenti sul risultato finale. A partire da questa edizione, al fine di incentivare e premiare l efficienza di involucri performanti, il limite massimo di produzione energetica da fonti rinnovabili era fissato a 5 kwp. 14

15 Per tale ragione, durante i giorni di gara il concorso prevedeva numerose prove e questo ha permesso, sulla base dei consumi effettuati, e delle previsioni di produzione elettrica legate alle condizioni climatiche, di pianificare ogni giorno la strategia più idonea da mettere in campo in considerazione delle prove obbligatorie e del picco massimo di produzione che la gara imponeva (fig.23). fig.23 Esempio di monitoraggio durante la fase di gara temperature interne e temperature esterne. Questa pianificazione di gara, ed il comportamento corretto degli utenti, ha permesso al prototipo RhOME di conquistare non solo il primo premio assoluto ed altri numerosi premi ma anche il secondo premio in Condizioni di comfort ed il primo premio in Funzionamento della casa. Al fine di rendere fruttuose, migliorabili e fruibili nel tempo le sperimentazioni messe a punto per il Solar Decathlon, i prototipi Med in Italy e Rhome for dencity, sono stati ricostruiti a Chienes (BZ) nello stabilimento Rubner, sponsor del team, ed il loro utilizzo come laboratori sperimentali, unitamente a tutto il patrimonio di raccolta dati collezionato durante le fasi di monitoraggio in gara, permetterà al gruppo di ricerca di continuare a lavorare sul tema affinando le strategie capaci di migliorare il delicato equilibrio tra consumo e produzione che si richiede agli edi fici a quasi zero energia e consentirà, allo stesso tempo di applicare questo know-how anche a sperimentazioni sul patrimonio edilizio esistente (fig ). 15

16 fig.24 Foto fronte Sud-Est fig.25 Foto della loggia Sud fig.26 Foto fronte Sud-Ovest 16