UN PROTOTIPO INNOVATIVO

Transcript

1 innovazione_med in Italy Gabriele Bellingeri prof. arch. Construction Manager Team MED in Italy Università di Roma Tre Mario Grimaudo arch. Energy Manager & Contest Captain Team MED in Italy Università di Roma Tre UN PROTOTIPO INNOVATIVO PER LA CASA MEDITERRANEA L esperienza di MED in Italy al Solar Decathlon Europe 2012 Il concorso Il progetto Per la prima volta nel 2002 a Washington D.C., nel parco di fronte alla Casa Bianca, venti università si sfidavano sul tema dell innovazione in edilizia, proponendo prototipi di abitazioni ad alta efficienza alimentate da energia solare. L iniziativa denominata Solar Decathlon, ideata dal Prof. Richard King e finanziata dal Dipartimento per l Energia del Governo degli Stati Uniti, aveva lo scopo di sensibilizzare l opinione pubblica e gli utenti finali sul tema dell energia nel settore delle costruzioni e promuovere la ricerca di settore. Nel 2010 il concorso approda anche in Europa e si svolge ad anni alterni a Washington e a Madrid. Il concorso prevede una prima fase di presentazione delle proposte, alla quale partecipano università di tutto il mondo, e una seconda fase nella quale le 20 università selezionate dalla giuria del concorso realizzano le costruzioni proposte e si sfidano sul campo di gara mettendo a confronto per 15 giorni le prestazioni dei loro prototipi. La competizione prevede 10 prove valutate da giurie differenti, composte ciascuna da specialisti del settore. I punteggi di molte di queste prove derivano dal monitoraggio delle case in gara e sono aggiornati ogni 15 minuti sul sito web del concorso. Durante i 15 giorni del contest i team sono quindi impegnati costantemente nell ottimizzare la gestione della casa per migliorare le prestazioni e salire in classifica. In 10 anni di Solar Decathlon nessuna università italiana era mai riuscita a superare la selezione della prima fase. Il nostro team, composto da studenti e docenti di Roma Tre, con la partecipazione per il design di interni dell Università La Sapienza e con la consulenza della Libera Università di Bolzano per la modellizzazione energetica, condotto dai docenti di Architettura Gabriele Bellingeri e Chiara Tonelli, è quindi il primo a partecipare alla fase due del concorso confrontando il proprio lavoro con quello di università provenienti da quattro diversi continenti. Per questa sfida abbiamo impostato la logica di progetto su 5 punti, 5 caratteristiche considerate irrinunciabili per la casa mediterranea di domani. Punto 1: ottimizzare il comportamento passivo In un clima caratterizzato da inverni miti ed estati calde, le case con un rendimento migliore sembrano essere quelle in muratura. Pesanti muri in pietra o in laterizio, infatti, funzionano bene come elementi di massa capaci di accumulare calore durante il giorno in inverno assorbendo la radiazione solare e di rilasciarlo lentamente durante la notte. Ma la massa è ancora più utile in regime estivo per smaltire il calore in eccesso durante la notte e mantenere gli ambienti freschi durante il giorno. Il team Med in Italy è formato da persone provenienti da diverse aree e con diverse competenze (tra le altre anche comunicazione, marketing, grafica, innovazione) ed è rappresentato da docenti della facoltà di Architettura, Economia e Ingegneria dell Università Roma3 e dal team di industrial design dell Università Sapienza, entrambe di Roma. Inoltre, la Facoltà di Scienze e Tecnologie dell Università di Bolzano e il Fraunhofer Institut hanno provveduto a testare la stratigtafie dell involucro. 86 _06

2 In alto in senso orario: Low-Tech High-Tech, materiali tradizionali e tecnologie innovative; interno del soggiorno della casa, in primo piano uno degli strumenti di monitoraggio dell organizzazione di Solar Decathlon, sullo sfondo il grande affresco realizzato con sabbia, terre e polveri fotoluminescenti; vista del patio. Il concorso prevedeva però una costruzione prefabbricata, ma la prefabbricazione pesante non ci sembrava la strada giusta da percorrere. L alternativa più logica appariva essere quella del legno, materiale che consente di realizzare case prefabbricate con ottime caratteristiche di isolamento, buona trasportabilità e interessanti possibilità di industrializzazione per l uso di macchine a controllo numerico. Costruzioni di questo tipo offrono grandi prestazioni in regime invernale, ma in regime estivo nell area mediterranea non sono in grado di garantire un buon funzionamento passivo per la scarsità di massa. Si è pensato quindi di ovviare a questo inconveniente inserendo nella stratigrafia della parete esterna, a ridosso della finitura interna, una intercapedine di 10 cm che potesse essere riempita di sabbia una volta montata la casa. In questo modo è possibile avere una costruzione leggera al trasporto e pesante in condizioni di esercizio, utilizzando la massa, secondo uno schema classico di comportamento passivo, come ammortizzatore termico. In particolare per il contest ci sembrava difficile, per i limiti imposti dal regolamento, inserire sabbia sfusa nell intercapedine e ancora di più estrarla nel momento dello smontaggio. È stato quindi necessario pensare a inserire la sabbia in contenitori che potessero facilmente essere trasportati e montati a mano. Abbiamo optato per cilindri in alluminio riciclato che abbiamo riempito di sabbia in stabilimento e quindi montato a Madrid lungo le pareti perimetrali. Alla prova dei fatti il sistema ha funzionato molto bene, assolvendo appieno alla sua funzione di ammortizzatore termico e garantendo un ottimo comportamento passivo, consentendoci così di utilizzare al minimo gli impianti. Punto 2: ottimizzare il comportamento attivo Sebbene l attenzione messa nella progettazione dell involucro e della morfologia della costruzione ci consentisse un ottimo comportamento passivo della casa, le regole del contest ci imponevano il mantenimento di una temperatura interna di 24 C sia innovazione 87

3 A sinistra, dall alto: il prototipo completato, le operazioni di assemblaggio del campo fotovoltaico condotte dagli studenti del team: montaggio della sottostruttura e installazione dei pannelli. In basso, i tubi in alluminio riciclato riempiti di sabbia installati all interno delle pareti con funzione di massa termica. in estate sia in inverno, il controllo dell igrometria e dei livelli di CO 2. Era quindi opportuno dotare la casa di un sistema impiantistico che fosse in grado di assolvere questi compiti con il minimo consumo energetico. Le regole del concorso ci davano solamente un ora di tempo per ripristinare le condizioni di comfort dopo la visita del pubblico. Era necessario avere una macchina molto potente per compensare in breve tempo lo squilibrio tra condizioni ottimali di gara e quelle che si erano venute a creare a causa del sovraffollamento. Dal momento che un altra prova era quella relativa al contenimento dei consumi energetici, avevamo bisogno di una macchina capace di esprimere grande potenza termica in regime sia estivo sia invernale quando era necessario, ma di consumare come una macchina di potenza 5 volte inferiore in condizioni di esercizio correnti. Per questo è stata progettata, in collaborazione con l azienda Frost Italy, una pompa di calore modulante compatta per la generazione del fluido caldo e freddo e per l ACS. Per sfruttare a fondo le caratteristiche dell impianto e per rendere il suo funzionamento sinergico con il comportamento passivo della costruzione, è stato progettato anche un sofisticato sistema di gestione e controllo, dotato di un interfaccia che consentisse all utente di avere in ogni momento la consapevolezza di cosa il sistema si proponesse di fare e, in caso lo ritenesse opportuno, di intervenire manualmente. Punto 3: minimizzare i tempi di assemblaggio Gli obiettivi della casa mediterranea di domani sono la riduzione dei costi, l ottimizzazione delle prestazioni e la riduzione dei tempi di costruzione. La nostra strategia di progetto è stata quella di concentrare tutta l impiantistica in un unico elemento prefabbricato contenente bagno, cucina, armadio tecnico e tutte le canalizzazioni. In questo modo, al momento dell assemblaggio in cantiere, non è necessario intervenire con la stesura di cavi elettrici o tubazioni idrauliche, consentendo così grande rapidità di montaggio. Questo modulo tecnico è stato realizzato, sia dal punto di vista impiantistico sia da quello relativo alle finiture, interamente nello stabilimento dello sponsor principale Rubner Haus, in modo da poter essere scaricato dal camion già completamente funzionante. Chiaramente la priorità era per noi quella di avere tempi di assemblaggio compatibili con quelli imposti dal regolamento di gara, ci siamo dunque impegnati molto sulla rapidità di mon- Nella pagina a fianco, in alto a destra, operazioni di posizionamento del modulo tridimensionale contenente tutti gli impianti meccanici, elettrici e idraulici sulle travi di fondazione. In basso, il cantiere e l organizzazione delle fasi costruttive. I tempi e gli spazi ristretti hanno richiesto un attento coordinamento delle fasi di realizzazione in totale sicurezza. 88 _06

4 Sopra, aggregazione del modulo abitativo in pianta e alzato. Sotto, gli impianti meccanici. A sinistra, un immagine della pompa di calore installata nel modulo tridimensionale; a destra, la pompa di calore ed il sistema di ventilazione meccanica con recupero di calore dell aria in uscita. taggio, perché pensiamo che una contrazione dei tempi di cantiere sia comunque una chiave importante per diminuire i costi di costruzione (vedi immagini a destra). Punto 4: possibilità di aggregazione Il rapporto superficie/volume di una piccola casa isolata è sempre troppo sfavorevole perché si raggiungano livelli di efficienza davvero significativi. Ci è sembrato quindi essenziale che la nostra casa unifamiliare fosse concepita come un modulo abitativo espandibile e aggregabile in pianta e in alzato con modifiche minime. Punto 5: minimizzare l impatto ambientale Il tema della sostenibilità ambientale ci è apparso da subito un po il nocciolo della questione. Approcciare il tema dell efficienza energetica pensando solo all energia impiegata in condizioni di esercizio ci sembrava limitativo e miope. A questo proposito la nostra strategia si è articolata essenzialmente su due punti: il trasporto e i materiali. Per prima cosa abbiamo quindi tentato di concepire la morfologia della costruzione e la sua componentistica in modo da renderla compatibile con il trasporto su ferro. Nel nostro caso abbiamo utilizzato il sistema delle casse mobili che possono essere staccate dal pianale ferroviario e fissate sul pianale di un tir per raggiungere il cantiere di montaggio. Il sistema è stato studiato e ottimizzato con l ausilio di Trenitalia Cargo. Il secondo punto riguardava la scelta dei materiali che compongono la costruzione e tutte le sue finiture. L obiettivo era quello di ridurre il più possibile il contenuto di energia primaria innovazione 89

5 A sinistra, il trasporto: interscambio gommarotaia. A fianco, materiali naturali a basso impatto ambientale. nei materiali utilizzati. Non ci sembrava sensato, infatti, proporre una casa ad altissima efficienza capace di essere estremamente virtuosa in condizioni di esercizio ma realizzata con materiali molto energivori nel loro processo di produzione. In questa ricerca siamo stati affiancati dalla ditta Naturalia-Bau la quale ci ha aiutato a realizzare una costruzione che al momento della dismissione fosse quasi interamente compostabile (vedi imm. sopra a destra). MED in Italy. Una casa ad alta efficienza Il tema della qualità ambientale interna è di grande importanza e riveste, oltre che un carattere di benessere termico, visivo, acustico, ergonomico e di qualità dell aria, anche un aspetto di utilità sociale, essendo gli utenti più soddisfatti quindi sani e produttivi. Per questo motivo il concorso Solar Decathlon, incoraggiando la ricerca finalizzata alla realizzazione di edifici ad altissima efficienza, valuta il progetto e in particolare le soluzioni adottate per l involucro e per gli impianti, l utilizzo di sistemi passivi e le strategie attive orientate a soddisfare le esigenze degli utenti in termini di gestione del comfort ambientale. Per il concorso, ma anche per tutti gli edifici che si vogliono fregiare dell etichetta dell Alta Efficienza Energetica, è necessaria una buona corrispondenza tra progetto e costruzione. Definite le strategie generali del progetto, le elevate prestazioni energetiche dell edificio sono state raggiunte con l uso di strumenti di simulazione termica con calcolo in regime dinamico attraverso successive operazioni di regolazione fine e ottimizzazione. Per l importanza, nell economia complessiva, del comportamento energetico, gli studi sulle caratteristiche fisiche dei componenti di involucro sono stati avvalorati da prove sperimentali: i provini di parete sono stati analizzati in camera climatica e i relativi risultati inseriti come dati di ingresso nel software di simulazione. Con tali strumenti di indagine, posto che i dati di ingresso siano completi, corretti e coerenti, abbiamo raggiunto elevati livelli di accuratezza di calcolo determinando le caratteristiche di tutti gli elementi facenti parte dell involucro e dell impianto. In sintesi, il modello di simulazione generato e analizzato sarà coerente e congruente con il comportamento dell edificio reale in relazione alla quantità e qualità dei dati inseriti, divenendo base per procedere a definire i parametri per la costruzione del sistema di gestione della casa, in grado di elaborare le informazioni acquisite secondo le priorità imposte: MED in Italy privilegia gli interventi sull involucro attraverso l integrazione di sistemi, anche meccanizzati, che possano influire positivamente sulle condizioni interne, con l obiettivo di minimizzare il consumo di risorse energetiche e ottimizzare l uso di quelle strettamente necessarie, favorendo la contemporaneità dei carichi tra produzione elettrica da fonti rinnovabili e consumi per gli usi finali (vedi grafico qui sotto). Non c è energia più pulita e conveniente di quella non consumata In linea con le Direttive Europee, MED in Italy adotta strategie innovative, effettivamente attuabili e a basso costo. Benchè il Concorso prevedesse una temperatura di progetto media compresa tra 23 e 25 C durante tutto l arco dell anno, il progetto della casa è stato portato avanti seguendo anche un altro tipo di modello di comfort che tiene in debita considerazione le capacità degli utenti di adattarsi al clima prevalente, cioè il modello di Comfort Adattivo definito dalla UNI EN 15251, applicabile in particolare per quegli edifici in cui vengono utilizzati sistemi di raffrescamento passivo. La flessibilità prevista dal modello termico adattivo prevede che gli occupanti possano interagire con la casa, aprendo o chiudendo le fine- Il grafico mostra la contemporaneità dei consumi. Produzione elettrica da PV consumi per usi finali. 90 _06

6 clicca qui per acquistare la rivista completa innovazione 91

7 stre, attuando dispositivi di protezione solare e quindi tutto quel complesso di cambiamenti che regolano il bilancio termico corporeo portando a un aumento della soddisfazione delle condizioni termiche percepite, in funzione della temperatura di esercizio media esterna, con il risultato di ridurre in maniera considerevole i consumi derivanti dall uso di impianti di climatizzazione. Solo se il controllo passivo non è sufficiente, si correggeranno le variazioni rispetto alle condizioni ideali di temperatura attraverso l uso degli impianti di climatizzazione previsti (vedi schemi a pag. 91). Componenti di involucro tra innovazione e tradizione Particolare attenzione è stata posta a ogni singolo materiale scelto, alla successione degli strati, allo studio dei punti critici della costruzione, alla riduzione dei ponti termici, all attenzione alla tenuta all aria delle strutture di confine. La progettazione di tecniche dell assemblaggio a secco consentono il montaggio e lo smontaggio della costruzione ma anche la sostituzione di singoli elementi tecnologici durante l uso della casa, riducendo al minimo gli scarti derivanti dalla sua dismissione al termine della vita, favorendo l adattabilità delle soluzioni, il riuso e il riciclo, in un ottica di ottimizzazione di un ciclo di vita dove i rifiuti generati in fase di dismissione sono del tutto trascurabili (nell ordine del 5% in peso dell intero edificio). La stratigrafia delle pareti progettate per MED in Italy può essere quindi descritta come costituita da 3 elementi funzionali. La struttura portante leggera, facilmente trasportabile e movimentabile, costituita da un sistema platform frame, collegata in opera in continuità con tutte le strutture dei solai di pavimento e copertura, realizzata in stabilimento a partire dagli elaborati di progetto da macchine a controllo numerico. Una parte esterna, comprensiva dell isolamento termico a cappotto per ridurre i ponti termici e ottenere una parete ad alta resistenza termica, associata a uno strato esterno con funzione di schermo alle radiazioni solari e di intercapedine fortemente ventilata, utile alla riduzione delle temperature superficiali in periodo estivo, personalizzabile in relazione alle scelte architettoniche e di disponibilità di materiali locali, nonché in relazione alle richieste di isolamento termico della zona climatica in cui l edificio è situato. Uno strato interno di massa elevata che interagisce con i dispositivi di ventilazione naturale della casa. L elevata capacità Analisi dei ponti termici. 92 _06

8 Sezione di dettaglio della parete, rivestimento in canapa su telaio in legno compresa camera di ventilazione (70 mm), telo di tenuta al vento (0,3 mm), cappotto in fibra di legno ad alta densità (100 mm), pannello OSB (15 mm), struttura portante in legno con interposto isolamento in fibra di legno a bassa densità (200 mm), pannello OSB (15 mm), cartongesso (13 mm), tubi in alluminio riciclato riempiti con sabbia (80 mm), strato di ventilazione della massa (30 mm), rivestimento con pannello in legno di abete a tre strati. Sopra, operazioni di assemblaggio delle pareti. Sotto, a sinistra, dettagli delle soluzioni passive della casa MED in Italy: la ventilazione della parete e del campo fotovoltaico; i radiatori passivi posizionati nell ambiente riscaldato. Qui sotto, possibili alternative progettuali: varietà compositiva e ampia scelta di materiali per essere sostenibile ambientalmente, socialmente, economicamente. termica della parete è raggiunta esclusivamente grazie all uso di sabbie o inerti diversi provenienti direttamente dal luogo in cui l edificio è collocato, riducendo in maniera considerevole costi economici e ambientali, rendendo la casa leggera durante il trasporto, pesante in fase di esercizio. Anche i solai sono costruiti secondo lo stesso concetto: una struttura portante fortemente isolata a elevata inerzia termica contenente tutti gli elementi necessari affinché ogni elemento costituente sia realizzato in stabilimento, pronto per essere assemblato in opera. L utilizzo della sabbia come massa termica, combinata a un elevato spessore di isolamento termico (U=0,149 W/m 2 K), consente di ottenere un elevata attenuazione dell onda termica (Y ie = 0,004 W/m 2 K) che, in sinergia con la ventilazione notturna della massa termica e un corretto studio degli ombreggiamenti, rendono ottimale il comportamento termico dell involucro. Il monitoraggio in gara delle prestazioni Molto interessante e utile è il confronto delle soluzioni adottate dai diversi team in gara a partire dalle stesse condizioni al contorno. Nei grafici della pagina seguente si possono comparare i cominnovazione 93

9 PASSIVE EVALUATION. Comparazione delle temperature interne rilevate. PASSIVE EVALUATION. Comparazione dei livelli di illuminamento. portamenti di 3 case partecipanti al concorso durante 3 giorni di valutazione del funzionamento passivo. Il confronto tra CANOPEA (verde) ECOLAR (rosa) e MED in Italy (celeste) evidenzia come i comportamenti degli ambienti monitorati siano piuttosto simili nonostante le scelte progettuali di ogni team siano completamente differenti. Canopea (F), con le sue ampie superfici vetrate, utilizza sistemi di protezione dell involucro dall irraggiamento solare diretto attraverso la previsione di una serie diffusa di schermature solari, oscuramenti e zone buffer su tutto il perimetro dell edificio che la portano a chiudersi completamente dalle interferenze esterne, come si può osservare dal grafico relativo all illuminazione della zona workstation: gli unici intervalli in cui è rilevato un livello di illuminamento adeguato sono nel momento dell accensione del sistema di illuminazione, che avviene costantemente durante le ore in cui il contest ne richiede il monitoraggio. Di fatto, benchè la strategia adottata in condizioni di gara favorisca tale soluzione per il punteggio ottenuto, al comfort termico rilevato non corrisponde un benessere visivo e condizioni coerenti con lo svolgimento naturale delle attività domestiche (vedi imm. pag. 95, in alto a sinistra). Ecolar (D) è realizzata con struttura portante in legno, ben protetta da aggetti accuratamente studiati, prevede l utilizzo di sistemi di involucro innervati di materiali a cambiamento di fase e argilla cruda; dai grafici emerge un buon comportamento passivo e una risposta alle sollecitazioni ambientali del tutto simile a quella di MED in Italy. La temperatura massima durante il giorno più caldo della competizione però tocca i 28 C, contro i C di MED in Italy e i C di Canopea nello stesso istante (vedi grafici in questa pagina). MED in Italy ha realizzato una casa mediterranea ben protetta dall irraggiamento solare attraverso i suoi caratteristici aggetti, con attenzione alla corretta implementazione della ventilazione naturale degli ambienti e attenta all economia sostenibile: i bassi costi di trasporto dovuti alla movimentazione di componenti leggeri, i costi di acquisto inferiori dovuti all uso di materiali poveri ed economici ma naturali, rinnovabili e reperibili in situ, danno come risultato una casa dall ottimo rapporto tra prestazioni energetiche e benessere psico-fisico. I risultati Siamo partiti a ottobre del 2010 con una proposta programmatica ben strutturata e dopo due anni di lavoro con un gruppo di 40 studenti e numerosi partner e sponsor, siamo arrivati alla realizzazione della costruzione a giugno 2012, e finalmente ad assemblare il prototipo sul campo di gara in settembre a Madrid, dove abbiamo potuto confrontare le prestazioni della nostra casa con quelle dei migliori team universitari di quattro continenti. I risultati sono stati largamente positivi: 3 posto assoluto in Solar Decathlon Europe classificato in Sustainability 2 classificato in House Functioning 3 classificato in Architecture 3 classificato in Electrical Energy Balance 3 classificato in Communication and Raising Social Awareness 3 classificato in Innovation Honorable Mention in Social Housing Honorable Mention in Energy Efficiency Il terzo posto assoluto, precedendo in classifica i due temibilissimi team tedeschi, significa che le strategie generali di approccio al progetto si sono rivelate corrette e che la strada italiana verso l efficienza energetica in clima mediterraneo conduce a risultati concreti. Abbiamo particolarmente apprezzato il buon piazzamento nel contest relativo alla qualità architettonica, perché non riteniamo che la casa di domani debba essere solo una macchina efficiente, ma siamo convinti debba essere innanzitutto un elemento capace di inserirsi in maniera armonica nel suo contesto. Anche il terzo posto sui contenuti innovativi del progetto ci ha molto confortato perché ha dimostrato che si può fare innovazione anche utilizzando un ben calibrato mix di high-tech e low-tech. Particolarmente importante ci è sembrata infine la vittoria nel contest sulla sostenibilità. Ci sembrava un punto assolutamente prioritario per la concezione delle case di domani che, oltre ad assicurare il massimo comfort senza consumare energia primaria, debbano garantire un assoluta compatibilità ambientale. Il settore delle costruzioni infatti è responsabile non solo di oltre il 40% dell energia da combustibili fossili impiegata nel nostro pianeta, ma anche di un impronta ecologica sempre più pesante in rapporto alla cresciuta antropizzazione del nostro mondo. Trovare strade alternative per realizzare edifici in equilibrio con l ambiente è quindi oggi possibile e, anzi, noi siamo assolutamente convinti sia ormai un preciso dovere dei progettisti di domani. Un ringraziamento a tutti gli studenti del team che hanno contribuito in modo corale e determinante in ogni fase delle attività di progettazione, di realizzazione e della competizione. A loro dobbiamo tutti gli elaborati progettuali esposti in questo articolo. 94 _06

10 A fianco, Canopea (F), prima classificata: si difende dal caldo chiudendosi all ambiente esterno. A destra, Ecolar Home (D), quarta classificata. pianta MED in Italy sezione trasversale sul soggiorno (MED in Italy) innovazione 95