La ristrutturazione di edifici storici. The Engine Shed di Stirling in Scozia

Engine Shed
Fig. 1 – Costruito originariamente nel 19° secolo, l’Engine Shed è stato ristrutturato e ampliato con due nuove ali

L’Engine Shed è un grande capannone costruito a fine Ottocento per ospitare i motori a vapore nel deposito di ordigni militari di Forthside a Stirling, in Scozia. Dopo la scomparsa del vapore la costruzione venne utilizzata dal Ministero della Difesa come officina per la riparazione di autocarri fino all’abbandono nel 1976. L’edificio è rimasto vuoto fino a quando è stato scelto dall’ente pubblico Historic Environment Scotland (HES) come sede per il personale dedicato alla conservazione degli edifici storici, e allo stesso tempo come spazio pubblico per approfondire la conoscenza del patrimonio storico e delle competenze e dei materiali necessari per costruirli e conservarli (figura 1).

Il progetto di ristrutturazione prevedeva di utilizzare l’Engine Shed come fulcro della nuova struttura estendendone la planimetria con due nuove costruzioni poste sul fianco est ed ovest. L’ala ovest ospita la reception, due aule didattiche, uffici e servizi igienici, mentre l’ala est ospita altri uffici, uno studio, un laboratorio, una cucina, un locale tecnico e la centrale impianti. Nella parte originaria dell’edificio è stata invece collocata una sala conferenza.

La check list della sostenibilità

Nell’ambito del restauro e dell’ampliamento della struttura il committente si è posto l’obiettivo di realizzare una serie di interventi orientati alla sostenibilità. Per comprendere quali fossero le priorità del progetto è stato organizzato un primo incontro per la definizione del brief con la partecipazione del committente, degli utenti dell’edificio e dei responsabili del team di progettazione. Ciò ha consentito di stabilire quali fossero gli obiettivi chiave in modo da poter produrre la check list inziale della sostenibilità.

Il successo del progetto di riqualificazione deriva dallo sviluppo di questo strumento che si è rivelato fondamentale per stabilire gli obiettivi del progetto e garantire che le misure fossero implementate man mano che esso procedeva, dalle fasi di ideazione, progettazione e installazione, fino alla consegna e all’assistenza post-occupazione. La check list includeva aspetti quali gestione dell’energia, comfort termico, materiali da costruzione, rifiuti, gestione e istruzione, per ognuno dei quali sono stati stabiliti gli obiettivi di sostenibilità.

Al workshop iniziale ne è seguito uno più dettagliato al quale sono stati invitati i responsabili dei team dedicati alla gestione del patrimonio immobiliare e alla sostenibilità del committente per analizzare il documento e consentire al team di progettazione di comprendere come sarebbero state implementate le misure operative. L’elaborazione della check list si è basata sul concetto espresso dal committente di considerare la sostenibilità come qualcosa di realizzabile e misurabile e non come una semplice aspirazione che avrebbe potuto essere ridimensionata con l’avanzare del progetto. Inoltre, poiché i team di progettazione e costruzione erano stati incaricati direttamente dal committente, questi ha mantenuto uno stretto controllo degli aspetti di sostenibilità del progetto.

Le strategie passive

L’obiettivo principale del progetto era quello di creare un edificio efficiente dal punto di vista energetico e a basse emissioni di carbonio in primo luogo attraverso elevate prestazioni dell’involucro e strategie passive. La scelta di riutilizzare il capannone originale è stata la prima azione intrinsecamente sostenibile. Per sostituire una parte dei muri in pietra ammalorati è stato utilizzato il materiale di recupero proveniente dalla demolizione di un ponte a Stirling, di tipo molto simile alla pietra originale, riducendo quindi l’impronta di carbonio.

Inoltre, in linea con le aspirazioni del committente, anche in questo caso è stato adottato un approccio fabric first per ridurre al minimo il consumo energetico dell’edificio. I due nuovi corpi posti su entrambi i lati forniscono un efficace isolamento al capannone principale. Entrambe le ali sono state progettate con strutture in legno, pareti con alti livelli di isolamento termico in lana di pecora e serramenti con triplo vetro. Il tetto del capannone esistente è stato dotato di isolamento in Aerogel ad alte prestazioni, per migliorarne le prestazioni termiche senza aumentarne significativamente il peso.

Per le pareti dei due timpani posti alle estremità del capannone è stato adottato un isolamento interno anch’esso in lana di pecora rivestita con argilla porosa per mitigare i problemi di condensa (figura 2).

Engine Shed
Fig. 2 – Le prestazioni dell’involucro sono state migliorate grazie a innovativi sistemi di isolamento termico

Nella scelta delle soluzioni e dei materiali isolanti si è potuto fare affidamento sulle specifiche competenze del committente in materia di conservazione e retrofit di edifici storici. Nonostante questo approccio, non è stato possibile garantire la totale ermeticità all’aria. All’inizio del progetto era stato fissato un obiettivo di ottenere un valore di perdite pari a 3,5 m3/h.m2 a 50 Pa che, tuttavia, non è stato possibile raggiungere a causa dell’obbligo di conservare le finestre originali e la struttura del tetto del capannone principale. I requisiti del committente non includevano il test di tenuta all’aria, di conseguenza non è stata quantificata l’ermeticità delle ali di nuova costruzione e dell’edificio nel suo insieme.

Il controllo delle condizioni ambientali

L’edificio è parzialmente ventilato in modo naturale. Nel capannone principale l’aria esterna entra attraverso le finestre del timpano e fuoriesce prevalentemente attraverso i lucernari posti lungo entrambi i lati del colmo del tetto. Queste finestre a vasistas, fisse nella parte inferiore e con apertura inclinata verso l’interno, vengono azionate mediante il sistema originale di funi e carrucole, tuttora funzionante. In origine i lucernari venivano aperti manualmente, mentre ora vengono azionati via cavo da attuatori remoti montati a parete.

Il funzionamento è automatico in modo da fornire un flusso di espulsione dell’aria per la sala conferenze, con la possibilità di un intervento manuale per ventilare lo spazio principale. L’effetto di stratificazione e di ventilazione incrociata consente al pubblico di occupare tutto lo spazio principale in occasione di grandi eventi. Negli uffici e nelle aule didattiche nelle ali est e ovest, l’aria esterna entra attraverso griglie di ventilazione indipendenti dalle vetrate fisse. L’aria viziata può essere espulsa anche attraverso i lucernari.

Un sistema di ventilazione meccanica viene invece utilizzato per trattare il laboratorio e lo studio, con portate d’aria controllate in base ai livelli di CO2. Questi spazi sono dotati anche di fan coil per il raffreddamento. La sala conferenze è una struttura indipendente posta al centro del capannone principale e può essere aperta o chiusa per soddisfare un pubblico più o meno ampio (figura 3). La sala è l’unico spazio dell’edificio dotato di un impianto di riscaldamento ad aria calda tramite un’unità di trattamento dell’aria che provvede anche alla ventilazione (figura 4).

Engine Shed
Fig. 3 – La sala conferenze è una struttura indipendente posta al centro del capannone principale e può essere aperta o chiusa in base al suo utilizzo
Fig. 4 – La sala conferenze è dotata di un sistema di riscaldamento ad aria calda che provvede anche alla ventilazione

L’aria esterna entra nel capannone da un pannello forato posto sulla parete nord e viene poi fornita all’unità di trattamento mediante condotte poste sottopavimento. L’aria viene riscaldata o raffreddata dall’UTA e convogliata nella sala attraverso griglie posizionate sotto le sedute. L’aria viziata sale verso l’alto ed esce dalla sala da aperture poste a soffitto trattate acusticamente in modo che il rumore non entri nel capannone.

È da notare che la sala è stata realizzata utilizzando la pavimentazione riciclata della palestra di una scuola, sempre secondo un approccio improntato all’uso sostenibile dei materiali. Il resto degli ambienti è riscaldato e raffrescato da un sistema radiante a pavimento (figura 5). Questa soluzione è risultata la più adatta in quanto si combina in modo ottimale con le pompe di calore, oltre a soddisfare il requisito di pulizia architettonica interna. La figura 6, infine, mostra le strategie per il controllo ambientale utilizzate nelle diverse zone.

Il sistema geotermico di Engine Shed

Per la produzione di acqua calda e refrigerata viene utilizzato un sistema geotermico con pompe di calore ad acqua collegate a un campo di sonde profonde 180 metri realizzate fuori dall’impronta dell’edificio (figura 7).

Engine Shed
Fig. 7 – L’acqua calda e refrigerata è prodotta da pompe di calore ad acqua collegate con un campo geotermico con sonde profonde 180 metri

In inverno le pompe di calore prelevano il calore dal terreno e lo utilizzano per produrre acqua calda che alimenta le tubazioni del sistema radiante annegate nel massetto in cemento. Quattro sensori, strategicamente posizionati nel capannone principale, controllano la portata d’acqua del sistema radiante. Il set point della temperatura ambiente della sala principale è tenuto volutamente più basso rispetto agli altri spazi per risparmiare energia, in parte perché questo spazio non è molto ermetico alle infiltrazioni, in parte perché i visitatori indossano abiti da esterno al loro arrivo, mentre il personale viene dotato di giacche di pile da indossare se sente freddo.

In estate le pompe di calore sono spente, mentre la pompa continua a far circolare l’acqua attraverso il circuito geotermico. Ciò consente di operare in regime di free cooling fornendo l’acqua raffreddata dal terreno direttamente ai fan coil che sono stati progettati in modo da funzionare con una temperatura dell’acqua di 12 °C in ingresso e di 17 °C in uscita, invece dei tradizionali valori di 7 e 12 °C. Ciò significa che il sistema presenta un COP pari a 20, dato che si utilizza solo l’energia della pompa.

Un altro vantaggio di questa soluzione è che il calore rimosso dall’edificio viene immagazzinato nel terreno e ne aumenta la temperatura, di conseguenza in inverno le pompe di calore funzionano in modo efficiente per fornire energia termica. Per gli spazi individuali è stata effettuata la verifica del surriscaldamento.

In qualità di cliente esperto e custode di una vasta proprietà di edifici storici, HES ha deciso di apprendere dall’esperienza nell’utilizzo dell’edificio prima di prendere decisioni su modifiche future. La possibilità di far scorrere l’acqua raffreddata dal terreno nei massetti che integrano le tubazioni offre un’opzione di mitigazione per affrontare in futuro l’eventuale surriscaldamento.

Engine Shed, il monitoraggio delle prestazioni

L’edificio è stato inaugurato a luglio 2017 e la check list di sostenibilità includeva azioni specifiche in materia di gestione dell’energia per garantire che l’edificio completato funzionasse in linea con le intenzioni del progettista. Tali azioni includono il commissioning avanzato su base stagionale, il fine tuning, la formazione del personale e il monitoraggio dell’energia consumata.

La verifica delle prestazioni in uso dell’edificio è stata implementata utilizzando un approccio di tipo soft landing con due anni di assistenza post-occupazione. Di conseguenza, dopo il completamento effettivo, il progettista ha organizzato riunioni mensili che hanno coinvolto l’appaltatore principale, i subappaltatori e gli specialisti della regolazione, nonché incontri e visite guidate con gli utenti dell’edificio.

Sono stati prodotti report trimestrali con il dettaglio delle prestazioni degli impianti e dei consumi energetici e raccomandazioni per ulteriori azioni. Le misure adottate hanno avuto un impatto: i report hanno infatti mostrato una riduzione del consumo di energia nel secondo anno. Ad esempio, il consumo di gas è risultato inferiore del 30% rispetto al primo, principalmente perché sono stati risolti i problemi che avevano causato il fermo delle pompe di calore e l’accensione delle caldaie. Anche la riduzione dei set point in fase di riscaldamento e le modifiche al BMS hanno contribuito al risparmio.

Tuttavia, i report mostrano che il consumo di gas è ancora leggermente superiore a quanto previsto, sebbene nell’edificio il personale a tempo pieno sia in numero doppio rispetto a quanto previsto a progetto e l’obiettivo di numero di visitatori nel primo anno è stato raggiunto dopo soli tre mesi. Anche il consumo di elettricità è diminuito nel secondo anno, principalmente grazie al controllo dell’illuminazione e ai miglioramenti nella regolazione degli impianti. Inoltre, le prestazioni delle pompe di calore mostrano un COP medio di 5,2, che supera il valore 4 indicato dal produttore.

SOFT LANDING

Soft Landing è l’attività che consente di risolvere il divario di prestazioni tra le intenzioni di progettazione e i risultati operativi, divario che può avere origine in ogni fase del progetto:

  • in fase di concept, quando gli obiettivi e i requisiti sono definiti ma potrebbero non considerare l’esperienza e il feedback tratti da altri progetti;
  • in fase di progettazione, quando vengono fissati specifici obiettivi prestazionali e di conformità normativa, ma tali obiettivi non vengono né rivisti con spirito critico né verificati nella realtà durante la progettazione esecutiva;
  • in fase di costruzione, quando le carenze di budget possono compromettere le migliori intenzioni e vengono apportate varianti al progetto dell’edificio e dei suoi impianti che cambiano il modo in cui sarà utilizzato l’edificio;
  • durante la consegna, quando la messa in servizio e la formazione degli utenti finali possono essere affrettate o cancellate per rispettare le scadenze;
  • durante l’occupazione iniziale, quando non è disponibile un supporto sufficiente per occupanti e gestori per garantire che l’edificio sia concepito sul lungo termine.

Secondo l’approccio Soft Landing, il team di progettazione e il costruttore restano coinvolti nella conduzione del nuovo edificio oltre il completamento e nel periodo critico di occupazione iniziale, con una particolare attenzione ai dettagli nelle settimane immediatamente precedenti e successive alla consegna. Questa estensione in termini di coinvolgimento e responsabilità richiede che il Soft Landing venga considerato fin all’inizio e integrato in tutte le specifiche di progettazione e costruzione.

La fase di pre-consegna consente agli operatori di dedicare più tempo alla comprensione dei sistemi prima dell’occupazione e di garantire che il BMS sia impostato nel modo corretto. Coinvolgendo i gestori dell’edificio nella messa in servizio, essi acquisiscono familiarità con il funzionamento e la manutenzione dell’edificio non appena si verifica la consegna, rendendoli più preparati a gestire l’edificio senza problemi. Ciò migliora la soddisfazione degli utenti dell’edificio sin da subito.

Durante la fase iniziale dell’assistenza post-occupazione, il team di progetto rimane in loco per un periodo compreso tra sei e otto settimane per individuare i problemi emergenti. Ciò comporta intervistare le persone, scoprire come funzionano i sistemi e se soddisfano le aspettative degli occupanti e gli effettivi requisiti, adeguarli ove necessario, supportare i gestori dell’edificio e misurare e monitorare i consumi. Ciò permette di eseguire il debug dei sistemi e garantire che gli occupanti possano comprendere come controllarli e utilizzarli al meglio, migliorando il comfort e riducendo i costi di gestione.

La fase finale è l’assistenza estesa, per un periodo più lungo e meno intensivo che può durare fino a tre anni, per monitorare il consumo energetico e la soddisfazione degli occupanti e verificare il funzionamento dei sistemi che potrebbero richiedere una messa a punto stagionale. Al termine dei tre anni sarà possibile giudicare le prestazioni dell’edificio rispetto agli obiettivi fissati in fase di progettazione.

Un anno dopo l’apertura dell’edificio è stata condotta una valutazione post-occupazione per fornire un feedback sul funzionamento dell’edificio e valutare quanto esso soddisfa le esigenze degli utenti. La valutazione è stata effettuata l’11 luglio 2018, una giornata molto calda durante una lunga ondata di calore. I risultati positivi includono una buona acustica e un’efficace ventilazione naturale nei capannoni est e in quello principale, quelli negativi il surriscaldamento e l’eccesiva umidità nel capannone ovest.

In effetti, il surriscaldamento ha rappresentato un tale problema che si è dovuti ricorrere all’utilizzo di un’unità di condizionamento temporanea. Anche la qualità dell’aria e l’umidità sono risultati essere un problema, con molti occupanti che trovano lo spazio troppo secco in inverno e troppo umido in estate. È stato poi appurato che un’errata impostazione del sistema BMS escludeva il comando manuale delle prese di ventilazione, chiudendole in piena estate e aprendole per ventilare eccessivamente lo spazio in inverno. Questo difetto è stato prontamente eliminato una volta evidenziato.

A parte questi piccoli inconvenienti, il progetto dell’Engine Shed è riuscito a raggiungere e, in alcuni casi, a superare gli obiettivi di sostenibilità, che è stata integrata in ogni fase del progetto, dalla prima riunione di briefing fino all’attività di assistenza in fase di post-occupazione dell’edificio.