Impianti meccanici per nZEB a sviluppo verticale

Progettato da Pelli Clarke & Partners, MSC Associati e Ariatta Ingegneria dei Sistemi, Gioia 22 è il più recente grattacielo completato nel business district Porta Nuova a Milano

Unità polivalenti basate sulla geotermia a ciclo aperto, tecnologie impiantistiche ad alta efficienza energetica e lo studio di soluzioni ad hoc per ottimizzare il comfort degli spazi di lavoro distinguono l’ultimo grattacielo realizzato a Milano.

Gioia 22 è il più recente edificio completato nel business district di Porta Nuova, nel sito dell’ex grattacielo INPS. La sua immagine iconica – che gli è già valsa il soprannome di “scheggia di vetro” – esprime contenuti evoluti in tema di qualità architettonica, efficienza energetica e sostenibilità ambientale.

Si tratta infatti di uno degli edifici a torre più performanti finora realizzati in Italia, caratterizzato da soluzioni mirate al drastico contenimento del fabbisogno energetico complessivo, dall’esteso ricorso alle fonti rinnovabili termiche ed elettriche e dall’impiego di tecnologie all’avanguardia per il benessere degli utilizzatori. Il riferimento dello standard nZEB (nearly Zero Energy Building) per le prestazioni energetiche e l’approccio cradle to cradle nella scelta dei materiali e nell’implementazione dei processi costruttivi sono certificati secondo i protocolli LEED BD+C: Core and Shell (v2009), rating Platinum, e WELLBuilding Standing Standard v1 – Core and Shell, rating Silver.

L’edificio in sintesi

Sviluppata e gestita da COIMA SGR, Gioia 22 è una costruzione a torre per attività terziarie (capienza circa 2.700 persone) che si sviluppa per 25 livelli fuori terra (altezza complessiva circa 120 m) e 4 livelli interrati (34.183 m2 di superficie commerciale utile). Gli spazi ipogei ospitano l’autorimessa (392 posti auto, 80 posti moto, ciclodeposito con spogliatoi e docce), depositi, archivi e spazi tecnici.

Coronato da una terrazza, il basamento si eleva per ulteriori due livelli fuori terra occupati da un’ampia lobby d’ingresso a doppia altezza, spazi commerciali, area amenity, sale riunioni e l’accesso al core della circolazione verticale (12 elevatori). Articolati in semipiani funzionalmente autonomi caratterizzati da un’elevata flessibilità spaziale, ai piani superiori gli ambienti per uffici sono distribuiti prevalentemente in open space. Il livello sommitale è destinato ai locali tecnici, estesi anche alla copertura piana soprastante.

Il design architettonico è caratterizzato da piani continui inclinati marcati da frangisole aggettanti, che restituiscono un’immagine solida e dinamica. Le facciate del corpo in elevazione sono composte da un sistema a cellule (modulo tipo 1.500 x 4.100 mm) con vetrocamera a doppia intercapedine, particolarmente performante dal punto di vista energetico (U < 1,0 W/m2K).

Certificato LEED e WELL, Gioia 22 risponde ai principi nZEB: le fonti rinnovabili geotermica e fotovoltaica coprono il 65% del fabbisogno energetico complessivo

Anche grazie all’involucro edilizio ad alte prestazioni, Gioia 22 si propone come una delle best practice per l’edilizia sostenibile: il 65% del fabbisogno energetico complessivo è fornito da fonti rinnovabili, come la geotermia a ciclo aperto, e dal recupero termico operato sugli impianti meccanici. La strategia per il contenimento dei consumi interessa anche l’ambito elettrico: un evoluto BMS si occupa della gestione automatica delle condizioni ambientali interne, mentre l’impianto fotovoltaico integrato all’involucro edilizio (superficie captante circa 6.000 m2; 990 kWp) concorre alla riduzione delle emissioni, nell’ordine di 2.260 tCO2 annue.

Tutte le fasi di progettazione sono state sviluppate attraverso un processo BIM completo, per il coordinamento e la condivisione dell’attività degli studi di architettura (Pelli Clarke & Partners; Mpartner), ingegneria strutturale (MSC Associati) e impiantistica (Ariatta Ingegneria dei Sistemi) e di tutti gli altri consulenti. In particolare, i modelli del progetto degli impianti termomeccanici sono stati sviluppati fino al LOD 300, modellando fino a 390.000 oggetti MEP, per restituire al committente un database estremamente dettagliato da utilizzare e implementare nelle fasi di costruzione e di gestione e manutenzione dell’edificio.

Le scelte del progettista

Ing. Marco Zoppo Vigna, Ariatta Ingegneria dei Sistemi

«La geotermia è stata protagonista nel progetto di Gioia 22 – afferma l’ing. Marco Zoppo Vigna, Responsabile del progetto degli impianti meccanici per Ariatta Ingegneria dei Sistemi. L’acqua di falda è utilizzata per il pre-raffreddamento dell’aria primaria trattata dalle UTA e di quella di ritorno dal circuito delle travi induttive, quindi per raffreddare i locali tecnici e, quindi, per la condensazione delle unità polivalenti.

In pratica, soprattutto quando c’è la possibilità di conferire l’acqua al naviglio Martesana, riusciamo a sfruttare interamente il notevole salto termico a disposizione, che si rivela particolarmente utile nel periodo estivo, quando la domanda di raffrescamento è più elevata. Il pre-raffreddamento si traduce in un significativo risparmio energetico, in quanto riduce l’assorbimento elettrico alle sole elettropompe, incrementando il rendimento dell’impianto».

Quali altre scelte hanno contribuito al contenimento dei consumi?

L’involucro edilizio è particolarmente performante dal punto di vista termico ed è rivestito con 6.000 m2 di superfici fotovoltaiche, che mettono a disposizione quasi 1 MWp

«L’edificio presenta un involucro edilizio molto performante dal punto di vista termico, che ci ha permesso di prevedere l’uso delle travi a induzione, attivate solo dall’aria primaria, in luogo delle superfici radianti – anche a vantaggio della flessibilità spazio-funzionale – e dei ventilconvettori – in questo caso riducendo ulteriormente i consumi elettrici e la rumorosità negli ambienti.

Sono state realizzate delle simulazioni CFD mirate a verificare le effettive condizioni di comfort nella lobby d’ingresso e in un piano tipo per uffici, ovvero negli ambienti più “sensibili” dal punto di vista del benessere degli utilizzatori. In sostanza, siamo riusciti a minimizzare il fabbisogno energetico per la climatizzazione e, di conseguenza, a enfatizzare il ricorso alle fonti rinnovabili, che coprono più del 65% dei consumi complessivi dell’edificio. In questo modo è stato anche possibile accedere al bonus volumetrico previsto dalle normative.

Infine, data l’elevato tasso di affollamento dell’edificio e la sua conformazione verticale, sono stati progettati impianti specifici per garantire la sicurezza in caso d’incendio, prevedendo impianti di pressurizzazione al servizio delle vie d’esodo».

Generalità del progetto termomeccanico

Gioia 22 è stato progettato per risultare l’edificio più efficiente dal punto di vista energetico in Italia. Grazie alle notevoli prestazioni dell’involucro edilizio e alle soluzioni impiantistiche adottate, oltre il 65% del fabbisogno per la climatizzazione e la produzione dell’ACS è fornito da fonti rinnovabili. La principale fonte di calore per l’impianto di climatizzazione è l’acqua di falda, utilizzata per il pre-raffrescamento degli ambienti e per lo scambio termico mediante gruppi polivalenti. In questo modo, i contenuti consumi per la produzione dei fluidi termovettori permettono di incontrare gli obiettivi di elevata efficienza energetica e massimo ricorso alle sorgenti rinnovabili, posti alla base dell’intervento anche ai fini delle certificazioni di sostenibilità.

Le reti idroniche, idrico-sanitarie e aerauliche sono generalmente distinte fra low rise (livelli fino ai piani 12 o 13, a seconda dei casi) e high rise (livelli superiori). Le tipologie dei terminali per la climatizzazione e delle reti di ventilazione meccanica degli ambienti comprendono:

  • pavimenti radianti per riscaldamento/raffrescamento e ventilazione meccanica (primaria o a tutt’aria), per la lobby;
  • ventilazione a tutt’aria per l’area amenity;
  • travi induttive per riscaldamento/raffrescamento e immissione dell’aria primaria, collegate a un impianto a 4 tubi, con ripresa dell’aria nella fascia perimetrale delle aree destinate a uffici;
  • armadi condizionatori per riscaldamento/raffrescamento e aria primaria per la control room e raffrescamento dei locali tecnici;
  • circuito water loop per consentire l’installazione, a cura dei tenants, di pompe di calore acqua/aria per riscaldamento/raffrescamento e ventilazione, al servizio degli spazi commerciali;
  • radiatori ed estrazione forzata dell’aria, per spogliatoi e servizi igienici.

Un evoluto building management system provvede all’integrazione, al controllo e alla supervisione di impianti di cli matizzazione, idrico-sanitari, elettrici, illuminazione, rilevazione e spegnimento automatico degli incendi, rilevazione dei gas, anti-intrusione e anti-effrazione, videosorveglianza, controllo degli accessi, diffusione sonora e controllo luci d’emergenza.

Centrale termofrigorifera

L’acqua calda e refrigerata sono prodotte da unità polivalenti (potenzialità complessiva: 3.197 kWt; 2.902 kWf), equipaggiate con compressori a vite semiermetici (R134A), evaporatore e condensatore a fascio tubiero e valvola di espansione elettronica, nel dettaglio:

  • 3 unità polivalenti condensate ad acqua (di cui 1 di riserva/integrazione, più predisposizione per altre 2 unità) per uffici e utenze generali (amenity, spogliatoi, servizi igienici, ecc.), ciascuna con potenze pari a 993 kWt e 902 kWf;
  • unità polivalente condensata ad acqua per lobby e altri locali, con potenza pari a 218 kWt e 196 kWf; in caso di necessità è possibile derivare i fluidi da una rete di soccorso attestata sui collettori delle utenze generali.
La produzione dei fluidi termovettori per gli spazi destinati a uffici è
affidata a tre pompe di calore polivalenti condensate ad acqua di falda

Il water loop riservato agli spazi commerciali può alimentare 3 pompe di calore condensate ad acqua. Nel caso di indisponibilità o carenza dell’acqua di falda, la continuità del funzionamento degli impianti di climatizzazione è assicurata dalla predisposizione di spazi per l’installazione:

  • di torri evaporative e centrale termica (già provvisti delle tubazioni per l’acqua di torre e per il metano), sulla copertura dell’edificio;
  • di ulteriori unità polivalenti, nella centrale termofrigorifera situata nei livelli interrati a fronte della resa inferiore che caratterizzerebbe la nuova configurazione impiantistica.

Distribuzione idronica

A valle delle unità polivalenti si sviluppano i circuiti di distribuzione dell’acqua calda e refrigerata, del tipo a portata variabile, che dispongono di valvole di intercettazione, bilanciamento e sicurezza, contabilizzatore di calore, elettropompa e vaso d’espansione. I circuiti per le utenze low rise e high rise sono attestati su scambiatori di calore, collettori ed elettropompe dedicati.

L’acqua di falda è utilizzata per il pre-raffreddamento dell’aria e dei locali tecnici, quindi serve alla condensazione delle unità polivalenti

Nel dettaglio, i collettori dell’acqua calda distribuiscono i circuiti destinati a:

  • batterie UTA, radiatori e lame d’aria (lobby);
  • circuito di soccorso (lobby);
  • travi induttive e radiatori per gli uffici (low rise);
  • batterie UTA per gli uffici (low rise), ventilconvettori e radiatori (piano terra);
  • travi induttive e radiatori per gli uffici (high rise);
  • batterie UTA per gli uffici (high rise),
  • pompa di calore booster (ACS).

Dai collettori dell’acqua refrigerata prendono origine i circuiti per:

  • batterie raffreddamento UTA (lobby);
  • circuito di soccorso (lobby);
  • travi induttive per gli uffici (low rise);
  • batterie pre-raffreddamento UTA per gli uffici (low rise);
  • batterie raffreddamento UTA per gli uffici (low rise) e ventilconvettori (piano terra);
  • travi induttive per gli uffici (high rise);
  • batterie pre-raffreddamento UTA per gli uffici (high rise);
  • batterie raffreddamento UTA per gli uffici (high rise).

Le reti di distribuzione, comprese quelle per il pre-raffreddamento mediante acqua di falda, percorrono in verticale i cavedi principali situati ai lati del core strutturale. La suddivisione delle reti ai singoli piani rende ciascun semipiano completamente indipendente dall’altro e consente la contabilizzazione dei consumi individuale.

In particolare, la temperatura di mandata dell’acqua refrigerata alle travi induttive è controllata da valvole motorizzate a 3 vie, installate a monte delle elettropompe: il set-point è mantenuto miscelando l’acqua pre-raffreddata di ritorno dalle travi induttive con l’acqua refrigerata prodotta dai gruppi polivalenti. Il circuito per i pannelli radianti (lobby) è invece di tipo misto (acqua calda/refrigerata): il set-point è mantenuto da una valvola motorizzata a 3 vie comandata dalla sonda di temperatura installata sulla tubazione dell’acqua calda.

Tutte le tubazioni dell’impianto di climatizzazione sono realizzate in acciaio nero termoisolato, con tratto terminale flessibile per il collegamento alle travi induttive e stacco valvolato per ciascuna unità immobiliare di tipo commerciale.

GEOTERMIA A CICLO APERTO

L’acqua di falda è emunta attraverso 5 pozzi situati nei livelli interrati, equipaggiati con elettropompe sommerse dotate di inverter pilotati dalle sonde di pressione differenziale installate sulla tubazioni prementi dell’acqua di pozzo, e quindi filtrata con filtri autopulenti. Il circuito primario collega i pozzi alla vasca di raccolta e decantazione, dotata di un circuito per il riempimento di soccorso proveniente dall’acquedotto. Attraverso circuiti distinti dotati di elettropompe a inverter, valvole di intercettazione, ritegno e sfiato automatico, trasmettitori di livello, misuratori di portata, rubinetti per prelievi, saracinesca, ecc., l’acqua di falda è utilizzata:

  • direttamente, per il reintegro della vasca d’accumulo delle acque meteoriche e per la riserva antincendio;
  • indirettamente, quale vettore energetico, ai fini del preraffreddamento dell’acqua refrigerata di ritorno dalle travi induttive e dell’aria trattata dalle UTA condominiali.
L’uso della geotermia a ciclo aperto ha consentito di ridurre drasticamente i consumi: i circuiti dell’acqua di falda sono realizzati in polipropilene rinforzato

A valle della vasca, l’acqua di falda transita in 11 scambiatori di calore, di cui:

  • 1 per circuito travi induttive e batterie di pre-raffreddamento delle UTA, per le utenze low rise (655 kWf);
  • 1 per circuito travi induttive e batterie di pre-raffreddamento delle UTA, per le utenze high rise (538 kWf);
  • 1 per circuito travi induttive e batterie UTA, per le utenze high rise (858 kWf), con predisposizione per un secondo scambiatore;
  • 4 per alimentare le unità polivalenti (di cui: 3 da 940 kWt / 1.068 kWf ciascuno;
  • 1 da 149 kWt/140 kWf);
  • 2 (di cui 1 di riserva) per i circuiti dei locali tecnici (945 kWf ciascuno);
  • 1 per i circuiti di locali tecnici e carichi critici (303 kWf), per le utenze high rise;
  • 1 per il water loop al servizio degli spazi commerciali (88 kWt / 210 kWf), con predisposizione per un secondo scambiatore.

In pratica, il calore contenuto nell’acqua di falda è utilizzato per lo scambio termico a vantaggio sia della maggior parte dei circuiti di climatizzazione al servizio delle diverse utenze (pre-raffreddamento), sia dei generatori polivalenti. La logica di attivazione delle elettropompe è implementata nel sistema di supervisione, per evitare un numero eccessivo di avviamenti.

A valle dello scambio termico, l’acqua di falda è restituita a:

  • 5 pozzi di restituzione al sottosuolo;
  • una vasca di calma, in vista dell’immissione nel naviglio Martesana che scorre interrato a breve distanza dall’edificio.

I circuiti dell’acqua di falda sono realizzati in polipropilene rinforzato.

L’impianto aeraulico

Le UTA principali sono posizionate nel basamento ipogeo e in copertura. Sono equipaggiate con silenziatori, serrande (ricircolo, ripresa, espulsione, immissione), prefiltro tipo G4 e filtro tipo F9, recuperatore di calore entalpico (efficienza 77%), ventilatori binati (ripresa, mandata) comandati da inverter, batterie (riscaldamento, pre-raffreddamento, raffreddamento) e separatore di gocce. Ogni UTA è predisposta per l’inserimento di filtro a carboni attivi, umidificatore adiabatico e batteria di post-riscaldamento.

L’impianto aeraulico si sviluppa a partire dalle macchine dedicate a:

  • lobby (mandata 18.400 m3/h; aria esterna 6.6.70 m3/h; 11.730 m3/h ripresa), che opera a integrazione dell’impianto a pannelli radianti garantendo la sovrappressione necessaria a contrastare le rientrate d’aria durante la stagione invernale;
  • uffici e utenze generali (control room, locale manutenzione, ecc.) low rise (mandata / aria primaria 30.200 m3/h; ripresa/ estrazione 26.000 m3/h);
  • uffici low rise (mandata / aria primaria 37.200 m3/h; 33.000 m3/h);
  • locale amenity (mandata 13.000 m3/h; aria esterna 3.060 m3/h; ripresa 9.940 m3/h), equipaggiata solo con serrande (ricircolo, presa aria esterna), prefiltro e filtro, ventilatore (mandata) e batteria di riscaldamento;
  • uffici high rise (mandata/aria primaria 30.200 m3/h; ripresa/ estrazione 28.100 m3/h);
  • uffici high rise (mandata/aria primaria 38.700 m3/h; ripresa/ estrazione 35.300 m3/h);
  • area nobile a doppia altezza (mandata 12.300 m3/h; aria esterna 3.400 m3/h;
  • ripresa 8.900 m3/h).

L’immissione e l’espulsione dell’aria utilizzata dalle UTA e dai ventilatori al servizio dei locali sprovvisti di aerazione naturale, situati nel basamento, è affidata a totem con aperture posizionate ad altezze opportune.

Nell’area commerciale l’aria è approvvigionata tramite aperture ricavate nelle pareti perimetrali. La circolazione dell’aria negli ambienti è affidata:

  • nella lobby, a diffusori ad alta induzione (per la parte inferiore del locale) e a diffusori motorizzati a ugello (per la parte a doppia altezza), con ripresa tramite griglie a filo pavimento e a controsoffitto; gli ingressi sono protetti mediante lame d’aria;
  • nel locale amenity e nell’area commerciale, a diffusori ad alta induzione e griglie di ripresa;
  • negli uffici, alle travi induttive (mediante canali flessibili fonoisolanti con serranda autoregolante della portata) e alle aperture perimetrali utilizzate per la ripresa dell’aria.

Le canalizzazioni aerauliche sono generalmente in lamiera d’acciaio zincata e, ove necessario, in materiale refrattario. Le reti transitano nei cavedi posti ai lati del core strutturale, che accolgono anche i canali per l’espulsione dell’aria esausta proveniente dai servizi igienici di tutti i piani, dalle cappe dell’area commer ciale, dai depositi e dai locali tecnici e per i rifiuti, tutti attestati sugli estrattori presenti o previsti in copertura.

Alcuni depositi e locali tecnici e per rifiuti sono dotati di impianti per la ventilazione forzata, attestati su ventilatori (singoli o doppi, nei locali per gruppi di continuità e SEFCC) con immissione ed estrazione mediante a griglie a pavimento e a parete.

L’analisi CFD
Per verificare l’effettiva capacità di abbattimento dei carichi termici e di mantenere le condizioni ideali di comfort durante l’intero arco dell’anno, i progettisti hanno effettuato delle simulazioni fluidodinamiche relative:

  • alla lobby e agli spazi direttamente connessi;
  • a una porzione di un piano tipo a uffici in configurazione open space, ampia circa 55 m2.

L’analisi ha interessato anche la verifica delle velocità dell’aria e degli eventuali fenomeni di turbolenza entro la zona occupata (h lim 1,8 m; v lim ≤ 0,2 m/s), oltre all’eventuale ottimizzazione della posizione dei terminali e/o inclinazione del flusso dell’aria immessa in ambiente. Il processo ha interessato dapprima la modellazione 3D (caratteristiche geometriche, costruttive, distributive, impiantistiche), quindi l’inputazione di tutte le informazioni relative alle attività svolte e ai carichi termici interni (indice di affollamento, illuminazione, dispositivi elettronici ecc.), per ciascun giorno della settimana nell’arco delle 24 ore.

I modelli di calcolo sono stati simulati in regime dinamico, per determinare le temperature superficiali interne (involucro opaco e trasparente, partizioni interne) e la temperatura media dell’aria in ambiente, definendo il primo set di condizioni al contorno per il dominio di calcolo CFD.

Si è quindi proceduto con il posizionamento puntuale delle condizioni al contorno di progetto (modalità e requisiti di immissione/estrazione dell’aria, volumi orari di immissione/estrazione, temperatura di immissione, angoli di immissione, ecc.). Le successive simulazioni CFD sono state effettuate per i due giorni di progetto (stagioni invernale ed estiva) e per altri due giorni significativi (stagioni intermedie), secondo un processo di calcolo CFD iterativo conclusosi solo con il raggiungimento della convergenza.

Gli spazi per uffici sono climatizzati con travi a induzione: le effettive condizioni di comfort sono state verificate mediante una simulazione CFD

I risultati delle simulazioni relativi a temperatura, velocità dell’aria e comfort percepito sono stati visualizzati graficamente in sezioni cartesiane sugli assi X, Y e Z, per verificare la capacità di abbattimento dei carichi termici e di mantenimento delle condizioni di comfort. Infine, ove necessario, sono state ottimizzate le condizioni di immissione dell’aria in ambiente.

Le simulazioni hanno restituito risultati estremamente incoraggianti per quanto attiene la distribuzione delle temperature e la velocità dell’aria, permettendo di individuare:

  • per la lobby, un angolo di immissione verticale dell’aria in ciclo di riscaldamento pari a -10°, per la regolazione degli ugelli a parete presenti nella zona a doppia altezza, eliminando i fenomeni di turbolenza in ambiente;
  • al piano tipo, un angolo di immissione laterale dell’aria pari a 15°, per le travi a induzione, limitando al massimo la turbolenza.

Altri impianti meccanici

La centrale idrico-sanitaria è attestata sull’acquedotto comunale. A valle di contatori e disconnettori sono installati filtri dissabbiatori autopulenti automatici, serbatoio pre-autoclave e le derivazioni dirette alle vasche per riserva antincendio e raccolta delle acque meteoriche. A seconda delle necessità sono previsti trattamenti di addolcimento e dosaggio (anticorrosivi, passivanti, filmanti, antincrostanti, disinfettanti, ecc.), prima della distribuzione alle utenze dell’acqua fredda sanitaria (uffici low rise e high rise, spazi commerciali, utenze generali) e tecniche.

La produzione dell’ACS è affidata a una pompa di calore booster ad altissima temperatura, alimentata con l’acqua calda prodotta dalle unità polivalenti. La distribuzione è demandata a 3 circuiti distinti (spogliatoi e servizi igienici; servizi igienici low rise; servizi igienici high rise) del tipo a ricircolo, attestati su altrettanti bollitori (ciascuno 2.000 l), scambiatori di calore e sistemi di disinfezione con lampade a raggi UV.

L’impianto idrico antincendio è attestato sulla vasca di riserva, con alimentazione mediante pompe sottobattente e centrali di pressurizzazione, al servizio degli impianti per idranti e sprinkler (a umido e a secco), progettati e dimensionati in relazione alle diverse classi di rischio delle zone protette, anch’essi articolati in low rise e high rise.

È inoltre presente un impianto di pressurizzazione dell’aria, progettato considerando le diverse condizioni di funzionamento per la protezione delle scale, delle relative lobby e dei filtri antincendio situati nei lati nord e sud dell’edificio. Ogni zona protetta dispone di ventilatori a doppio stadio ridondanti.

Uffici, amenity e area commerciale sono serviti da un impianto SEFFC che prende origine sulla copertura, composto da ventilatori F400 ridondanti e condotte di controllo fumo multicomparto al servizio dei lati nord e sud. I filtri del connettivo ai piani interrati e l’autorimessa dispongono rispettivamente di un impianti di pressurizzazione e di ventilazione forzata.