Come progettare edifici veramente nZEB

Per ridurre l’impatto ambientale causato dagli impianti di climatizzazione è necessario adottare un nuovo approccio per la definizione delle condizioni di benessere che consenta l’utilizzo di soluzioni più efficienti.

La nuova sede della School of Design and Environment presso la National University di Singapore (NUS) è caratterizzata da una copertura aggettante sul fronte sud (foto Rory Gardiner).

Dal 1995 ogni anno la comunità globale si riunisce alla Conferenza delle Parti per discutere sull’implementazione di strategie atte ridurre l’uso dei combustibili fossili e le emissioni ad effetto serra. Nel frattempo, il settore delle costruzioni continua a registrare indici di forte crescita su scala globale e per questo motivo rappresenta una delle fonti di maggiore preoccupazione per l’impatto che avrà sull’ambiente nei prossimi anni. Si valuta che entro il 2030 nelle città di tutto il mondo verranno realizzati edifici nuovi o ristrutturati per una superficie pari a 84 miliardi di metri quadrati, una cifra equivalente alla ricostruzione dell’intero patrimonio edilizio degli Stati Uniti moltiplicata per tre volte e mezzo. Quasi il 60% dello sviluppo globale avverrà in Asia e la maggior parte di questi nuovi edifici sarà costruita in climi caldi e umidi che dovranno essere dotati di impianti di climatizzazione. Questi saranno sempre più necessari anche per gli edifici costruiti nei climi temperati nel caso in cui verrà confermata l’attuale tendenza a un aumento delle temperature dovuta al riscaldamento globale.

La riduzione del fabbisogno energetico costituisce il passo essenziale verso edifici a basse emissioni. Solo riducendo sostanzialmente la richiesta di energia termica e frigorifera è possibile realizzare edifici che siano davvero nZEB, alimentati al 100% con energie rinnovabili.

Per raggiungere tale obiettivo è tuttavia necessario modificare radicalmente il modo di costruire gli edifici. In primo luogo, bisogna adottare le cosiddette strategie passive, riducendo le superfici vetrate dell’involucro, aumentando la massa della struttura e adottando sistemi che consentano di sfruttare la ventilazione naturale. L’altra strategia riguarda invece la progettazione degli impianti di climatizzazione per quanto riguarda non solo le tipologie di impianto o di apparecchiature ma anche, e soprattutto, con riferimento alle condizioni di progetto relative ai parametri che definiscono il benessere: temperatura, umidità, velocità dell’aria. Da questo punto di vista il modo in cui siamo stati finora abituati a definire le condizioni di comfort gioca infatti un ruolo significativo. Se si continuerà a seguire un approccio che prevede l’ottenimento delle condizioni interne di benessere finora definite su scala globale, il fabbisogno energetico richiesto dagli edifici sarà enorme. Ma se mettessimo in discussione questa impostazione? I parametri convenzionalmente adottati per il progetto dei sistemi di climatizzazione degli spazi interni rappresentano davvero l’unico modo per raggiungere il comfort termico?

In realtà un’alternativa che va oltre i concetti convenzionali di climatizzazione esiste già ed è stata sperimentata con successo in alcuni recenti progetti internazionali. Essa è basata su un approccio di tipo ibrido che consente di ridurre notevolmente sia la potenza installata degli impianti di climatizzazione sia il fabbisogno di energia, con tagli compresi tra il 30 e il 50% senza compromettere il comfort termico e la qualità dell’aria interna. Non si tratta di un concetto del tutto nuovo ma piuttosto di un approccio diverso al problema che consente di comprendere come sia possibile ottenere condizioni di benessere uguali, o addirittura migliori, utilizzando meno energia.

Per supportare questo processo di cambiamento è tuttavia necessaria una revisione degli attuali riferimenti legislativi e normativi su scala globale e locale.

Progettare per il comfort

Se vogliamo essere sinceri, bisogna riconoscere che le persone non sono veramente interessate agli aspetti energetici o ambientali e alle tecnologie di costruzione. Siamo tutti invece particolarmente attenti a come ci sentiamo all’intero di un ambiente, ovvero alla qualità dell’aria interna, al comfort termico, alla luce naturale, alle condizioni acustiche, alle qualità spaziali, ecc. Se poi tutto ciò può essere ottenuto con soluzioni “low tech” e a bassa intensità energetica, tanto meglio.

Fig. 2 – Le facciate sui fronti est e ovest della School of Design and Environment di Singapore sono dotate di schermature in lamiera ondulata di alluminio (a) che consentono di sfruttare l’illuminazione naturale (b) (foto Rory Gardiner).

Oggi, quando si tratta di sviluppare il progetto di un edificio che deve garantire elevate condizioni di benessere in regime estivo di raffreddamento, in genere viene data priorità ai sistemi e alle tecnologie specificamente finalizzate a una valutazione convenzionale del comfort termico che si basa sull’assunto di immettere aria a bassa temperatura, con differenziali superiori a 10 K. Ciò vale sia per gli impianti a tutt’aria sia per quelli basati su terminali idronici o ad espansione diretta. Le soluzioni normalmente adottate sono basate sulla diffusione di aria a bassa velocità per evitare lamentele dovute alle correnti d’aria fredda.

L’elemento chiave di un diverso modo di progettare consiste nel ripensare alle soluzioni atte a garantire un sempre elevato livello di comfort ma riducendo i consumi. Un approccio di questo tipo è quello basato sulla progettazione di sistemi ibridi, che risulta molto più semplice di quanto si potrebbe pensare e che può supportare un cambiamento del paradigma alla base della definizione del comfort per ridurre in modo sostanziale il consumo delle risorse e di energia.

Siamo tutti sensori

L’essere umano è un sensore vivente. Milioni di sonde poste sulla nostra pelle e nel nostro corpo sono chiamate a bilanciare le condizioni ambientali in base all’attività e all’abbigliamento attraverso un complesso intervento di controllo delle funzioni metaboliche. L’obiettivo finale è quello di mantenere la temperatura corporea all’interno di un intervallo di benessere. Per fare ciò il corpo umano ha bisogno di dissipare il calore. I meccanismi di raffreddamento predominanti sono il raffreddamento con aria (convezione), l’irraggiamento e la sudorazione. Il nostro corpo ha quindi a disposizione diverse scelte di tipo adattativo per reagire a un ambiente in continua evoluzione. La presenza di temperature ambiente più elevate può ad esempio essere compensata con un abbigliamento più leggero e/o con una leggera brezza d’aria.

In totale contrasto con questa ampia varietà di scelta, attualmente gli edifici climatizzati riducono il comfort umano a un solo parametro: la temperatura dell’aria ambiente. Tuttavia, sappiamo bene che il benessere non dipende soltanto dalla temperatura. Se si prendono in considerazione anche gli altri parametri ambientali, come umidità, velocità dell’aria e scambio radiante, si hanno più possibilità di scelta per creare spazi confortevoli.

Il modello tradizionale

La pratica comune, adottata ormai su scala globale, è quella di progettare edifici climatizzati con impianti che garantiscono una temperatura compresa tra 22 e 24 °C tutto l’anno, in modo da soddisfare le rigorose specifiche delineate dagli standard di comfort termico universalmente riconosciuti, quali ASHRAE 55, ISO 7730, EN 15251 o altri standard locali.

Il controllo delle condizioni di benessere è ottenuto con la combinazione di un sistema di ventilazione naturale e ventilatori a soffitto (foto Rory Gardiner).

Secondo questi standard gli edifici sono progettati considerandoli completamente isolati dall’ambiente esterno e quindi non sfruttano le favorevoli condizioni esterne, quando queste sono disponibili. Qual è la ragione di tutto ciò? Gli standard di comfort termico sono basati su un modello di bilancio termico sviluppato negli anni 70 per gli spazi climatizzati. Questo modello è di tipo statico e ​​tende a preferire basse temperature ambiente e ridotti valori della velocità dell’aria che si ottengono con le tecniche convenzionali di climatizzazione. È inoltre da considerare che il modello è stato sviluppato per zone climatiche a media latitudine e per questo motivo sono state riscontrate delle sistematiche incongruenze quando esso viene applicato in zone più calde. Inoltre, il modello di comfort basato sul bilancio termico non è in grado di valutare in modo completo le condizioni di benessere che si verificano in edifici dotati di sistemi di ventilazione naturale con presenza di un’elevata velocità dell’aria. Per queste tipologie di edifici e di sistemi risulta quindi necessario utilizzare modelli di comfort di tipo adattivo, sviluppati sulla base di ampi studi realizzati sul campo su scala globale.

Elevate velocità dell’aria

L’utilizzo di elevate velocità dell’aria costituisce una pratica a lungo adottata come mezzo per compensare temperature ambiente più elevate.  Mediante i modelli di tipo adattivo il comfort termico può essere valutato in modo affidabile per un’ampia gamma di sei parametri ambientali e soggettivi: temperatura dell’aria, temperatura radiante media, umidità relativa, velocità dell’aria, fattore di abbigliamento e tasso metabolico. In questo modo può essere ben rappresentato l’effetto di raffreddamento ottenuto con un’elevata velocità dell’aria. Il rispetto degli obiettivi di comfort si ottiene quando il 90% degli occupanti è soddisfatto delle condizioni ambientali. Questo approccio consente di valutare strategie alternative per il benessere, come ad esempio quelle basate su sistemi ibridi. In questi sistemi l’elevata velocità dell’aria si combina con l’immissione di aria temperata e con la progettazione di edifici in cui le facciate sono apribili per sfruttare la ventilazione naturale.

I sistemi ibridi

Il concetto dei sistemi ibridi si basa sull’immissione di aria esterna adeguatamente filtrata e a temperatura più elevata rispetto ai valori convenzionali, in combinazione con l’utilizzo di ventilatori a pale installati direttamente nell’ambiente di lavoro che provvedono ad aumentare la velocità dell’aria per soddisfare i requisiti di comfort termico.

L’impianto di climatizzazione di tipo ibrido prevede l’impiego di ventilatori a pale a soffitto per aumentare la velocità e la temperatura di comfort (foto Rory Gardiner).

Le portate dell’aria di ricambio sono definite in modo da garantire una buona qualità dell’aria interna e mantenere bassi i livelli di CO2 generata dagli occupanti. Con l’aumentare della temperatura interna gli occupanti possono incrementare la velocità dell’aria in prossimità della postazione di lavoro secondo le preferenze personali. In genere la velocità può variare tra un valore minimo, che produce la sensazione di una leggerissima brezza, e un valore massimo che corrisponde ad un flusso d’aria percepibile.

In considerazione del fatto che la temperatura ambiente può aumentare, i sistemi di ripresa dell’aria ambiente con recupero di calore diventano meno efficienti e convenienti, con la conseguenza che l’impianto di ventilazione meccanica può essere semplificato e ridotto ai soli sistemi di immissione dell’aria. Anche se si utilizzano sistemi di recupero del calore latente e sensibile ad alta efficienza, i risparmi energetici risultano bassi e ampiamente compensati dal consumo di energia ausiliaria per i ventilatori del sistema di distribuzione dell’aria. Limitando l’impianto di ventilazione al sistema di mandata, si ottiene un impatto significativo in termini di riduzione dei costi di investimento.

Gli ostacoli da superare

Se il comfort può essere soddisfatto mediante un approccio basato sull’impiego di sistemi ibridi, per quale motivo non si progettano gli edifici per queste condizioni? Perché non progettare con un’elevata velocità dell’aria prodotta da ventilatori dedicati e sistemi di ventilazione naturale in combinazione con impianti di climatizzazione di minore taglia?  In questo modo sarebbe possibile beneficiare di una riduzione sia dei costi di investimento sia delle emissioni inquinanti, grazie alla riduzione della taglia degli impianti (e in particolare dei gruppi frigoriferi) e quindi del fabbisogno di energia.

Questa pratica progettuale è ancora poco diffusa in quanto ci sono una serie di ostacoli da superare.

In primo luogo, vi sono gli standard esistenti, che prescrivono bassi valori della temperatura interna con tolleranze ridotte, nonché assenza di movimento dell’aria. Sebbene ormai ben consolidati, i risultati degli studi sul comfort adattivo devono ancora affrontare una serie di critiche dal punto di vista tecnico e la riluttanza degli esperti del settore e dei membri dei comitati tecnici che sviluppano gli standard.

Gli uffici dell’Unisphere sono dotati di travi fredde e ventilatori a pale comandati dall’utente.

Un altro ostacolo è rappresentato dai modelli che definiscono le condizioni di benessere. Soltanto di recente, con l’aggiornamento dello standard ASHRAE 55 avvenuto nel 2013, è stato sviluppato un modello di comfort di tipo adattivo insieme a una metodologia per valutare il comfort termico in presenza di un’elevata velocità dell’aria. Tuttavia, vi sono ancora limiti molto rigorosi al suo utilizzo costituiti, ad esempio, dal fatto che questo modello può essere applicato soltanto agli edifici privi di impianti di ventilazione meccanica (e quindi dotati unicamente di sistemi di ventilazione naturale. Una combinazione intenzionale di strategie di progettazione come quella basata sui sistemi ibridi non è contemplata sebbene gli edifici siano spesso gestiti involontariamente con questo tipo di modalità mista. La norma EN 15251 prevede invece che il modello possa essere applicato anche a edifici dotati di impianti di tipo ibrido ma a condizione che il sistema meccanico non sia in funzione.

Vi è infine da considerare che i progettisti e gli esperti del settore hanno familiarità con le modalità convenzionali per la progettazione dei sistemi di climatizzazione, mentre risulta ancora poco diffuso il know-how in termini di progettazione integrata e di utilizzo di una serie più completa di parametri ambientali nella valutazione del comfort termico, soprattutto in combinazione con un’elevata velocità dell’aria.

Conclusioni

Per la progettazione delle condizioni di benessere è fondamentale adottare una visione olistica di tutti i parametri che compongono il comfort umano. I progettisti possono e devono espandere le strategie adottate in fase di progettazione, finora limitate a fissare un unico set-point di temperatura, per includere i fenomeni fisici dello scambio radiante, nonché parametri ambientali come la velocità del vento allo scopo di progettare ambienti adattivi. Nei climi caldi, una progettazione basata sui sistemi ibridi rappresenta una scelta conveniente per realizzare ambienti confortevoli con sistemi di climatizzazione e centrali frigorifere di taglia inferiore e con una minore richiesta di energia.

Comfort adattivo e sistemi ibridi rappresentano le basi per un approccio consapevole rivolto ad un diverso modo di intendere l’architettura, con nuove soluzioni estetiche e funzionali, facciate apribili con un collegamento tra ambiente interno ed esterno, e un design sensibile al contesto in risposta al clima e alle condizioni culturali del luogo.

Per sostenere questo cambio di paradigma sarà tuttavia necessario modificare alcuni riferimenti legislativi e normativi.  In primo luogo, gli standard dovranno tenere in considerazioni le best practice locali e riflettere l’identità locale in relazione al clima e alla cultura.

Gli standard e i sistemi di certificazione dovranno classificare gli edifici in base non tanto al clima interno, ma piuttosto a quanto sono buone le prestazioni dell’edificio e a quanto poca energia viene utilizzata per creare condizioni di comfort adeguate.

Nella pratica standard di progettazione degli impianti dovrebbe essere introdotta l’applicazione di strumenti adeguati che consentano una valutazione olistica del comfort per il clima locale. Ciò consentirebbe l’adozione di pratiche come la progettazione di sistemi ibridi che integrano l’utilizzo appropriato di ventilatori per ridurre la taglia degli impianti e delle centrali frigorifere.

Un esempio di una promettente iniziativa locale che promuove la progettazione sostenibile basata sull’elevata velocità dell’aria è costituito dallo standard francese High Quality Environmental (HQE) dedicato ai green building. Esso riconosce in modo esplicito l’effetto prodotta dall’aumento della velocità dell’aria per compensare temperature e umidità dell’aria più elevate. Lo standard prevede che è possibile ottenere punteggi elevati in termini di comfort termico se il progetto consente di avere un’elevata velocità dell’aria controllata dall’utente.

Per gli edifici che dovranno essere realizzati in Europa in climi temperati che dovranno affrontare condizioni estive sempre più calde, l’utilizzo di sistemi con elevata velocità dell’aria presenta una soluzione interessante per garantire le condizioni di benessere negli uffici e nelle abitazioni, evitando in molti casi l’installazione di sistemi di climatizzazione o riducendo notevolmente la loro taglia.

La riduzione dei consumi energetici del settore edilizio rappresenta la chiave per ottenere una riduzione significativa delle emissioni di gas ad effetto serra. Questi obiettivi sono stati da tempo ratificati dalla comunità globale ma ora sono necessarie azioni e politiche di attuazione. Andare oltre gli attuali confini che definiscono l’approccio convenzionale per la progettazione può consentire di realizzare edifici con un consumo di risorse sostanzialmente ridotto per la costruzione e il funzionamento senza compromettere la qualità termica dell’ambiente interno.

USCIRE DAL CIRCOLO VIZIOSO

L’impatto degli impianti di climatizzazione, in termini di energia consumata, è destinato a crescere nei prossimi anni in modo esponenziale a causa di una serie di fattori quali la continua crescita della popolazione e della disponibilità economica, la riduzione dei prezzi e l’urbanizzazione.

In base agli ultimi dati forniti dalla IEA (International Energy Agency) attualmente nel mondo ci sono 1,6 miliardi di impianti, che consumano il 10% del totale dell’energia elettrica. Di questi, circa 1 miliardo è di tipo residenziale, mentre la parte restante è riferibile al settore commerciale. In termini di potenza frigorifera installata, essa è salita da circa 4 GW nel 1990 a 11,6 GW nel 2016.

Stock e potenza frigorifera nei settori residenziale e commerciale dal 1990 al 2016.

Si prevede che nel 2050 il numero degli impianti salirà a 5,6 miliardi e il consumo sarà tre volte maggiore. La produzione di energia dovrebbe aumentare di una quantità pari a quella prodotta oggi da Usa, Europa e Giappone. In Europa solo per la climatizzazione il consumo annuo di energia è pari a 152 Terawatt, un quarto rispetto a quello degli Stati Uniti.

In assenza di politiche ambientali saliranno anche le emissioni di anidride carbonica. Nel 2018 esse sono cresciute del 2%, il valore maggiore degli ultimi sette anni. La dinamica di questo circolo vizioso è chiara: più aumentano le emissioni dei gas ad effetto serra, più si scalda il clima e quindi aumenta la richiesta di impianti di aria condizionata, che a loro volta emettono direttamente calore (effetto isola urbana di calore) e consumano energia elettrica con un continuo aumento delle emissioni. Purtroppo, il comparto delle costruzioni e dei relativi impianti di climatizzazione è rimasto finora trascurato nelle discussioni sul clima, a favore di argomenti più facili come la mobilità elettrica o l’impatto dei trasporti aerei.

di Luca Stefanutti

 

 

 

 

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here