Architettura e Tecnologia: il progetto

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1 VELUXlab BOVISA, Milano - Campus Bovisa, 2012

2 Dati Generali Coordinamento generale: Prof.ssa Manuela Grecchi, delegato del Rettore all edilizia - Politecnico di Milano Coordinamento scientifico: Prof. Marco Imperadori, Dipartimento BEST - Politecnico di Milano Concept Architettonico originario ATIKA: ACXT/IDOM-Javier AjaCantalejo e Roberto Aparicio Ronda Progetto Architettonico, tecnologico, direzione lavori e coordinamento per la sicurezza VELUXlab: Atelier 2 - Milano Coordinamento simulazioni energetiche, impiantistiche e progetto del sistema di monitoraggio: Ing. Michele Sauchelli - Dipartimento BEST, Politecnico di Milano Team sviluppo tecnologico: Prof. Marco Imperadori, Ing. Michele Sauchelli, Ing. Narghes Doust - Dipartimento BEST, Politecnico di Milano Team sviluppo energetico/impiantistico: Prof. Mario Motta, Ing. Alberto Mauro - Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano Team sviluppo sistema di monitoraggio: Prof. Gianpaolo Cugola, Ing. Alessandro Sivieri - Dipartimento DEI, Politecnico di Milano Impresa di costruzioni: Bertolani - costruzioni compatibili di Bertolani Alessandro Responsabile tecnico di cantiere: Geom. Marco Talassi Impianti elettrici: Forlani Impianti Impianti meccanici e idrico-sanitari: Idronova Serramenti verticali esterni: Kaser - Schüco Finestre a tetto e pannelli solari termici: VELUX Finanziamento: VELUX Italia Spa Amministratore Delegato VELUX Italia Spa: Dott. Massimo Buccilli Coordinamento tecnico per VELUX: Arch. Marco Soravia Responsabile Relazioni Esterne VELUX Italia Spa: Dott.ssa Elen Bono Responsabile comunicazione Politecnico di Milano: Dott.ssa Mascia Sgarlata

3 Introduzione VELUXlab è il primo edificio italiano NZEB (Nearly Zero Energy Building) a energia quasi zero inserito in un campus universitario. Il modulo sperimentale VELUXlab realizzato all interno del Campus Bovisa del Politecnico di Milano rappresenta un caso pilota di edificio ad altissima efficienza energetica. Il progetto si inserisce nel panorama futuro degli edifici a energia quasi zero previsto a partire dal 2020 dalla direttiva europea 2010/31/UE. Partendo dal progetto architettonico originario di ACXT/IDOM per VELUX lo studio Atelier 2 di Milano ha riprogettato completamente l involucro esterno e il layout degli spazi interni, concependo il nuovo edificio come un modulo sperimentale ad alto contenuto tecnologico e innovativo. Il progetto, promosso dalla Prof.ssa Manuela Grecchi, prorettore con delega all edilizia del Politecnico di Milano e dal Prof. Marco Imperadori del dipartimento BEST del Politecnico di Milano, è stato interamente finanziato da VELUX. L edificio sarà destinato ad attività di ricerca dei dipartimenti BEST ed Energia del Politecnico di Milano e sarà utilizzato come laboratorio per testare nuove tecnologie e materiali per l efficienza energetica in edilizia e per lo studio della luce e ventilazione naturale. Concepito come un modulo sperimentale in cui la stessa forma consente una risposta attiva al mutare delle condizioni climatiche esterne, VELUXlab presenta ottimi livelli di confort interno e di efficienza energetica. L attenta progettazione dell involucro unita alla progettazione energetica ed impiantistica svolta in sinergia tra i dipartimenti BEST ed Energia del Politecnico di Milano guidati dai Prof. Marco Imperadori e Prof. Mario Motta, ha consentito di minimizzare il fabbisogno energetico dell edificio. Il comportamento energetico dell involucro, costruito con tecnologia stratificata a secco, è stato simulato attraverso modelli energetici in regime dinamico valutandone l efficacia e le prestazioni.

4 Introduzione Parte dell edificio, compreso l impianto termico, sarà costantemente monitorato attraverso una innovativa rete di sensori wireless messa a punto per l occasione dal Prof. Gianpaolo Cugola del dipartimento DEI del Politecnico di Milano (primo edificio in Italia di questo tipo). L intero intervento è stato condotto con un occhio di riguardo verso l efficienza energetica e l impatto ambientale. Sono stati infatti impiegati materiali isolanti a matrice lignea o facilmente riciclabili i quali, assieme ai pannelli di rivestimento esterno in fibra di vetro riciclata, al riempimento delle intercapedini con polistirene sbriciolato derivante dagli sfridi triturati delle lavorazioni e alla pavimentazione esterna in legno di iroko riutilizzato, contribuiscono alla riduzione dell impatto ambientale dell edificio nel suo intero ciclo di vita. La stessa tecnologia costruttiva a secco consente una facile smontabilità e riciclabilità dell edificio nelle sue componenti e al contempo il raggiungimento di ragguardevoli prestazioni energetiche ed acustiche. Il confort all interno dei locali è garantito grazie all attenta progettazione energetica e all integrazione di sistemi impiantistici radianti a bassa temperatura ma anche grazie all ottima luminosità interna degli ambienti garantita dai lucernari integrati nelle falde di copertura. In aggiunta, l uso di controsoffitti fonoassorbenti realizzati con lastre di gesso rivestito additivato di zeolite consente di migliorare il confort acustico interno e al contempo ridurre il quantitativo di inquinanti nell aria. VELUXlab rappresenta quindi un modello di edificio, un prototipo per gli edifici per uffici di futura costruzione, un esempio che aprirà le porte a future sperimentazioni e implementazioni. L edificio è anche un esempio di riuso, essendo stato montato a Bilbao (2007), Roma (2008) e Milano (2009).

5 Architettura e Tecnologia: il progetto Il layout planimetrico è caratterizzato da una disposizione a corte aperta con orientamento in direzione Nord-Sud. La forma dell edificio consente di proteggere le porzioni vetrate maggiormente esposte alla radiazione solare estiva e allo stesso tempo favorisce la ventilazione naturale degli ambienti. Le falde di copertura a differente inclinazione integrano lucernari in grado di garantire il corretto illuminamento dei locali convogliando negli spazi la luce zenitale. Sezione AA scala 1:100 Pianta scala 1:100

6 Architettura e Tecnologia: le stratigrafie Sistema costruttivo stratificato a secco con materiali isolanti di diversa densità e differenti caratteristiche termiche. Controllo del comportamento termico dinamico dell involucro attraverso la progettazione avanzata dello stesso, assicurando elevati valori di sfasamento termico e bassa trasmittanza termica. I materiali che costituiscono l involucro sono per la maggior parte facilmente riciclabili o ad alto contenuto di riciclato riducendo l impatto ambientale dell edificio nel suo ciclo di vita. Le soluzioni tecnologiche adottate rappresentano un caso sperimentale di applicazione di soluzioni di involucro leggero ad alte prestazioni, le quali saranno monitorate per validare e testare i modelli di calcolo adottati. Trasmittanza termica media involucro = W/m 2 K Sfasamento termico medio = 10h 30m Chiusura inclinata opaca U = W/m 2 K Chiusura orizzontale controterra U = W/m 2 K Chiusura verticale opaca U = W/m 2 K

7 Architettura e Tecnologia: i principali materiali impiegati Pannelli isolanti in fibra di legno Celenit N Costituiti dal 65% di fibre di legno d abete marchio ANAB-ICEA, per le caratteristiche di ecobiocompatibilità λ = W/mK, d = 430 kg/m 3 Pannelli isolanti in lana di roccia, materiale naturale con capacità di isolamento termico e fonoassorbente. E eco-compatibile: permette di risparmiare fino a 100 volte l energia utilizzata per la sua produzione. λ = W/mK, d = 40 kg/m 3 Pannelli isolanti in fibre minerali prodotto con il 95% di materie prime naturali e riciclate. Materiale con alta capacità fonoassorbente λ = W/mK Sistema isolante esterno ventilato realizzato mediante pannelli isolanti in poliuretano espanso con integrato il profilo di ventilazione e di supporto del rivestimento esterno λ = W/mK d = 38 kg/m 3 Utilizzo di materiale riciclato (sbriciolato di polistirene derivante dagli scarti delle lavorazioni) a riempimento delle intercapedini Pannelli in OSB (oriented strand board, pannello a scaglie orientate) è un pannello tecnico a base di legno costituito da scaglie incollate insieme

8 Architettura e Tecnologia: i principali materiali impiegati Finestre a tetto VELUX ad alte prestazioni. Triplo vetro bassoemissivo, intercapedine con gas Krypton U g = 0.5 W/m 2 K, U w = 1.0 W/m 2 K Serramenti esterni realizzati con profili di alluminio a taglio termico ad alte prestazioni e triplo vetro bassoemissivo U g = 0.5 W/m 2 K, U w = 1.05 W/m 2 K Rivestimento esterno opaco ventilato realizzato con lastre porta intonaco StoVentec composte da materiale riciclato (fibra di vetro) e un intonaco organico come finitura. Controsoffitto fonoassorbente con lastre Knauf Cleaneo: lastre di gesso rivestito con additivi ad effetto catalitico (zeoliti) in grado di ridurre gli inquinanti presenti nell aria degli ambienti Struttura portante in acciaio facilmente smontabile e riciclabile. Solo il solaio controterra è in calcestruzzo armato per garantire inerzia termica Deck esterno in legno di Iroko, recuperato da precedenti installazioni: riduzione dell impatto ambientale dell edificio

9 Architettura e Tecnologia: il cantiere Riutilizzo dell edificio Bilbao Agosto 2011, h 6:00 am Politecnico di Milano, Campus Bovisa 4 Mesi di lavoro: più di viti impiegate, 100 m 3 di materiale isolante Roma 2008 Milano 2009 VELUXlab: il cantiere ha inizio

10 Simulazioni energetiche e schema impiantistico Per testare le soluzioni tecnologiche progettate e valutare l'efficienza energetica complessiva dell'edificio, sono state condotte delle simulazioni energetiche in regime dinamico. Il vantaggio di questo complesso sistema di simulazioni risiede nel poter disporre dell'andamento orario del comportamento energetico dell'edificio lungo tutto l'arco dell'anno. Questo metodo di simulazione, sebbene attualmente non sia previsto da nessuna normativa italiana, consente di avere una stima verosimile del comportamento energetico del sistema edificio/impianto durante la stagione estiva, dove le condizioni climatiche esterne (ma anche interne se si considera la fluttuazione dei carichi termici) sono in continuo mutamento per cui un'analisi con un metodo semi-stazionario porterebbe a risultati non fedeli alla realtà (spesso ampiamente a favore di sicurezza con considerevoli sovradimensionamenti dell impianto di climatizzazione estiva). Le simulazioni energetiche sono state condotte servendosi del software Trnsys (Transient System SimulationTool), che consente di modellare qualsivoglia edificio e sistema impiantistico per valutarne il comportamento energetico. In questo caso si è operato dapprima costruendo il modello generale dell'edificio e successivamente si sono creati differenti scenari per stabilirne il comportamento energetico e i benefici in termini di riduzione del fabbisogno energetico complessivo. Sono quindi state svolte quattro differenti simulazioni per testare l'efficacia di più soluzioni bioclimatiche ed impiantistiche al fine di giungere a un modello dell'edificio particolarmente realistico e successivamente confrontabile con il monitoraggio previsto.

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12 Simulazioni energetiche e schema impiantistico L impianto installato prevede un sistema radiante a pavimento a bassa temperatura con una resa termica di circa 90 W/m 2 in inverno e 30 W/m 2 in estate. Generatore termico con pompa di calore reversibile (aria-acqua) modulante ad alta efficienza da 7 kw in riscaldamento (con acqua da 30/35 C e 0 C aria esterna) e 6.1 kw in raffrescamento (con acqua da 7/12 C e 35 C aria esterna). Ventilazione meccanica controllata con recupero di calore ad alta efficienza (oltre 90%) dall aria di estrazione munito di bypass motorizzato e batteria fredda, portata max 470 m 3 /h. Ottimizzazione consumi energetici attraverso sonda climatica esterna più cronotermostati per ogni singolo ambiente. Impianto solare termico per la totale copertura del fabbisogno di acqua calda sanitaria. Monitoraggio continuo di tutto il sistema impiantistico e dei suoi consumi. Raggiungimento di ottimi valori di fabbisogno energetico: pre-certificazione energetica (secondo metodo CENED) in classe A

13 Monitoraggio L'edificio verrà interamente monitorato per valutare non solo i suoi reali consumi energetici ma anche il comportamento termico dinamico dell'involucro progettato e validare i modelli analitici adottati. E' infatti previsto un sistema di sensori di temperatura superficiale e di intercapedine e di ulteriori contatori per il calcolo del consumo energetico finale dell'edificio. L innovativo sistema di monitoraggio messo a punto è basato su una rete di acquisitori dati senza fili di ultimissima concezione (WSN, Wireless Sensor Network). Il progetto di coordinamento e di messa a punto del software di acquisizione dei dati è stato seguito dal Prof. Gianpaolo Cugola del Dipartimento di Elettronica ed Informazione del Politecnico di Milano. Il monitoraggio delle prestazioni dell edificio è volto alla valutazione dell'efficacia delle chiusure opache con rivestimento ventilato in climi miti, delle condizioni di comfort termico interno e allo svolgimento di alcune considerazioni sull'applicazione di soluzioni di involucro stratificate leggere alle nostre latitudini in edifici a destinazione d'uso non residenziale. I dati acquisiti verranno poi resi disponibili, attraverso un gateway sulla rete del Politecnico per poter successivamente essere accessibili da un qualsiasi computer connesso ad internet.

14 Monitoraggio I nodi della rete di sensori wireless (WSN) sono rappresentati da dispositivi TelosB ai quali è stata collegata una scheda di acquisizione dati progettata ad hoc al fine di rimanere nelle specifiche di progetto (< 0,1 C di errore nella lettura della temperatura) utilizzando sonde PT1000. I TelosB consentono l acquisizione dati, la loro elaborazione e la trasmissione. Essi sono autoalimentati attraverso quattro semplici batterie AA (il cui tempo di vita è in fase di sperimentazione). Il software utilizzato è stato messo a punto dal dipartimento DEI del Politecnico di Milano. I sensori di temperature installati sono così suddivisi: - 14 Sonde di temperatura superficiale PT 1000 classe A con elemento sensibile al Platino per il monitoraggio dell involucro - 6 Sonde di temperatura superficiale PT 1000 classe A con elemento sensibile al Platino e 2 contatori elettrici dedicati per il monitoraggio dell impianto - 7 Micro Data-logger wireless TelosB a cui sono collegati i sensori di temperatura

15 Conclusioni L edificio sperimentale VELUXlab si inserisce nel panorama futuro degli edifici a energia quasi zero, NZEB (Nearly Zero Energy Building) previsti a partire dal 2020 dalla direttiva 2010/31/UE e rientra nel progetto più ampio, voluto dal Politecnico di Milano denominato Campus Sostenibile, azione primaria dell Ateneo nell anno delle celebrazioni del suo 150esimo anno di fondazione. Il fabbisogno energetico molto basso e il suo complesso sistema di monitoraggio consentirà di validare i modelli analitici analizzati e ricavarne il reale consumo energetico. Confrontato con un edificio per uffici tradizionale il suo fabbisogno energetico risulta essere nettamente inferiore e rappresenta un possibile modello per il futuro delle costruzioni. Le prospettive future per questo prototipo sono molteplici e riguardano dapprima il suo sistema di monitoraggio delle prestazioni senza fili, il quale potrà essere sviluppato in futuro e potenzialmente integrato anche con i sistemi di gestione e conduzione dell impianto per ottimizzare sempre più i consumi energetici. VELUXlab sarà di fatto un laboratorio d eccellenza dove poter sperimentare e testare innovative soluzioni tecnologiche e di involucro e ospiterà un numero di ricercatori dei dipartimenti BEST ed Energia del Politecnico di Milano che potranno lavorare in sinergia in un ambiente luminoso, confortevole e stimolante. VELUXlab si presenta come un edificio prototipo, un progetto pilota per il futuro delle costruzioni e il suo comportamento potrà essere costantemente verificato e mostrato grazie all innovativo sistema di monitoraggio.

16 VELUXlab: immagine di cantiere, Gennaio 2012