Forma, ombreggiante, tecnologia ed energia: l efficienza attraverso mezzi architettonici o impiantistici?

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1 TECNOLOGIE Forma, ombreggiante, tecnologia ed energia: l efficienza attraverso mezzi architettonici o impiantistici? 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). 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 può essere generato da fonti alternative e rinnovabili, realizzando così un edificio Net Zero Energy. 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 Nasa Sustainability Base. Sistemi 58 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012 di schermatura orizzontali TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNOE

2 Global Ecology Center. Mensole riflettenti esterne Census Boreau. Lamelle in legno di quercia curvate Global Ecology Center. Mensole riflettenti esterne Genzyme Building. Forma compatta ed atrio centrale Pearl River Tower. Fotovoltaico integrato in facciata 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). 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- 60 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO

3 Fase Ridurre i carichi con la Progettazione Architettonica Ridurre i carichi con altri mezzi Progettazione di controlli, illuminazione e HVAC Tecnologie ad energie alternative Energie rinnovabili e Active System Design Caratteristiche Site Design (materiali altamente riflettenti 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 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 Sistemi radianti Deumidificazione Sistema di recupero calore Sistema di riscaldamento efficiente Sistema di raffreddamento efficiente Cogenerazione Celle a combustibile Fotovoltaico (anche integrato nel sistema di schermatura) Solare per l acqua calda Geotermia Turbine eoliche Tabella 1. Principali caratteristiche di progettazione energetica che si trovano nei casi studio. 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- Monitoba Tower. Diversi sistemi di ombreggiamento integrati in funzione dell esposizione Green Light House. Forma compatta, aerodinamica e veneziane esterne 62 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO

4 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 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 64 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO

5 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 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 ventilati 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, 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 66 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO

6 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 %. 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 %. 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 impiantistici 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 68 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO

7 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, quando 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 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 kwh/anno ed una serie di pannelli solari termici che forniscono il 60 % del fabbisogno di acqua calda. Insieme, questi sistemi sono stimati per fornire il % 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. 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 70 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO 2012 TENDA IN&OUT - MAGGIO/GIUGNO

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