Con i suoi 100 metri di altezza, il DaiyaGate è il primo edificio per uffici di grande altezza realizzato in Giappone a cavallo dei binari di una stazione ferroviaria, nel caso specifico quella di Ikebukuro, la terza più trafficata al mondo. La metropoli presenta più del 70% di probabilità di subire un terremoto di magnitudo pari o superiore a 7 nei prossimi 30 anni e il grattacielo è stato progettato pensando in primis alla resilienza.
Progettato dalla Nikken Sekkei, la seconda più grande società di ingegneria e architettura al mondo, l’edificio ospita la sede centrale della società ferroviaria Seibu Group e si sviluppa su una superficie di quasi 50.000 m².
L’analisi si articola sui criteri prestazionali che caratterizzano un edificio ZEB:
- efficienza energetica;
- IAQ e comfort termico;
- innovazione;
- gestione e manutenzione;
- analisi costi-benefici;
- impatto ambientale.
Il sistema HVAC prevede la combinazione di un’unità centralizzata per il trattamento dell’aria esterna (UTA) e di unità di climatizzazione di tipo autonomo a espansione di retta (TWU ovvero Through Wall Units), installate sul perimetro in facciata e comunicanti con l’esterno (figura 1).
Le unità utilizzano il recupero del calore contenuto nell’aria espulsa dall’edificio per effettuare il raffreddamento, il riscaldamento e la ventilazione in modo indipendente, provvedendo quindi a garantire sia il comfort e a una buona qualità dell’aria. Grazie alla loro integrazione nell’involucro (figura 2) e all’armonizzazione con la struttura esterna, esse consentono di ottenere alti valori di illuminazione naturale e di visuale libera, oltre a un elevato rapporto in termini di superficie effettiva degli ambienti open space.
Efficienza energetica
L’effettiva intensità di utilizzo dell’energia (IUE) per l’intero edificio risulta inferiore di circa il 58% rispetto a quanto previsto dalla normativa giapponese sul risparmio energetico e di circa il 44% rispetto allo Standard ASHRAE 90.1-2007. Il consumo annuo di energia primaria dell’edificio è risultato di 1.043 MJ/m²·anno, inferiore al valore medio di 1.814 MJ/ m²·anno per gli edifici adibiti ad uffici a Tokyo.
L’ottenimento di questo risultato è stato reso possibile da una serie di innovative scelte progettuali:
- l’ubicazione del core su lato sud, le passerelle pedonabili e la maglia strutturale esterna, le tende a inseguimento solare (controllate automaticamente) e il vetro basso emissivo migliorano notevolmente le prestazioni della pelle esterna, che hanno prodotto la maggiore riduzione del carico energetico (pari al 28% rispetto al valore standard);
- il sistema di produzione dell’energia frigorifera a servizio dell’UTA è costituito da un mix di gruppi refrigeratori raffreddati ad aria e da gruppi ad assorbimento a gas, considerando il requisito di funzionalità e di ridondanza del funzionamento del sistema di fonte energetica. Inoltre, è stato previsto una vasca per l’accumulo dell’energia frigorifera che consente di livellare il profilo di carico e di ridurre il fabbisogno di potenza frigorifera. Il valore di punta risulta di soli 38 W/m² in quanto l’accumulo di acqua refrigerata permette di supportare la domanda di raffreddamento durante le ore di punta estive (riduzione della domanda di picco del 26% rispetto al caso senza accumulo);
- la verifica delle prestazioni del sistema di produzione frigorifera è stata effettuata utilizzando uno strumento di simulazione della gestione dell’energia nel ciclo di vita (Life Cycle Energy anagement, LCEM). Questo tool, sviluppato in Giappone, è in grado di calcolare il consumo energetico nel funzionamento a carico parziale riflettendo le caratteristiche operative delle apparecchiature che generano energia, come il profilo di carico e i valori della temperatura esterna in diversi momenti della giornata. Mediante questa simulazione è stato possibile stimare che il funzionamento preferenziale del raffreddamento mediante le TWU a espansione diretta durante il giorno e l’utilizzo del sistema di dissipazione del calore mediante l’accumulo frigorifero durante le ore non di punta sono strategie molto efficienti e migliorano il rendimento giornaliero del sistema di circa il 2%. Pertanto, questi risultati si riflettono nell’esercizio reale;
- il funzionamento con espulsione dell’aria ambiente attraverso le unità TWU consente di migliorare l’efficienza di circa il 30% rispetto al funzionamento con circolazione di aria esterna di un’unità standard;
rispetto ai dati statistici relativi al consumo energetico degli edifici commerciali, l’energia primaria effettiva per il sistema HVAC ha mostrato un effetto di risparmio annuo di circa il 46% (figura 4). La riduzione è pari a circa il 55% in estate e a circa il 65% nelle stagioni intermedie. In inverno, invece, il consumo di gas per il riscaldamento dell’aria esterna risulta elevato e la riduzione del consumo è di circa il 30%.
DaiyaGate, IAQ e comfort termico
Per quanto riguarda ventilazione e IAQ, l’aria esterna di ricambio viene fornita agli ambienti dall’UTA mentre l’aria interna viene aspirata dalle TWU installate sul perimetro. La quantità massima di aria esterna immessa in estate è pari a 6 m3/h per m2. Durante le stagioni intermedie, l’UTA aumenta la portata di aria esterna per il free cooling mediante il sistema di controllo e le TWU funzionano in modalità di espulsione. L’aria esterna immessa dall’UTA viene estratta dal ventilatore esterno delle TWU. La quantità massima di aria esterna immessa è di 12 m3/h·m2 (4,5 ricambi d’aria all’ora).
L’efficienza del ricambio d’aria risulta di 0,90, superiore al valore standard di 0,5 di un sistema di climatizzazione di tipo standard con immissione e ripresa dell’aria a soffitto. Indipendentemente dalla direzione e dalla velocità dell’aria, è stato confermato che il flusso d’aria esterna in senso unidirezionale dalla zona interna verso il perimetro attraverso gli ambienti open space (figura 4) contribuisce all’efficienza dell’estrazione dei contaminanti interni e quindi garantisce un’elevata IAQ.
Per quanto riguarda la sensazione termica, durante la fase operativa, nelle diverse stagioni sono state condotte misurazioni sul campo e indagini post-occupazione. Sia in estate che in inverno circa l’80% degli intervistati ha votato rispettivamente per la sensazione neutrale o per il freddo/caldo. Inoltre, indipendentemente dalla stagione, oltre l’80% degli intervistati si è sentito a proprio agio per quanto riguarda la sensazione termica e il flusso d’aria interno (figura 5). La velocità dell’aria all’interno degli ambienti è risultata inferiore a 0,25 m/s, che risulta al di sotto del valore massimo consigliato per evitare la percezione di correnti d’aria. Il voto medio previsto (PMV) per ogni modalità di climatizzazione nelle diverse stagioni è risultato all’interno della zona di comfort.
Per un tale sistema di climatizzazione di tipo ibrido, in relazione alle prestazioni di comfort termico e risparmio energetico l’impostazione della temperatura dell’UTA e delle TWU è stata studiata in condizioni diverse in ogni stagione per determinare il set point appropriato. Ad esempio, la temperatura operativa e l’umidità assoluta sono state rilevate in modo da confrontarle con la zona di comfort definita dallo standard ANSI/ASHRAE 55-2013, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. In estate, la condizione prodotta dalle TWU di 24 °C ha prodotto una sensazione di freddo sotto i piedi. Le distribuzioni dei valori sono risultate al di fuori della zona di comfort nella zona perimetrale e l’abbassamento dell’impostazione della temperatura abbassa la temperatura operativa.
Pertanto, la condizione di 26 °C è risultata quella ottimale poiché le temperature delle zone interne e perimetrali risultano all’interno della zona di comfort per l’occupante con un valore di abbigliamento di 0,5 clo e i PMV sono all’interno dell’intervallo di comfort.
Anche in regime di riscaldamento la differenza verticale della temperatura dell’aria tra il livello del pavimento a + 0,1 metri e un’altezza di +1,1 metri è risultata inferiore a 2 °C sia nella zona interna che sul perimetro. È stato confermato che sia la zona interna che quella sul perimetro rientrano nell’intervallo di comfort della “Categoria A” definita dall’ISO.
La zona perimetrale rappresenta solitamente un ambiente termico impegnativo, tuttavia in questo caso ha mostrato valori più elevati rispetto alla zona interna per quanto riguarda i risultati in termini di comfort e di sensazione termica. Le unità TWU situate sul perimetro garantiscono un’elevata capacità di controllo individuale grazie alla temperatura ambientale liberamente regolabile e ciò potrebbe aver avuto un effetto positivo sulla soddisfazione degli occupanti con postazioni vicino al perimetro.
Innovazione
Un’innovazione significativa per la torre DaiyaGate è stata lo sviluppo di un nuovo sistema di climatizzazione di tipo ibrido costituito dalla combinazione di un’UTA centralizzata per la zona interna e delle unità TWU perimetrali, concetto che ha rafforzato la resilienza del sistema sia nell’uso quotidiano che nelle emergenze (figura 6).
Questa soluzione ha comportato lo sviluppo di unità di climatizzazione di nuova concezione mediante l’aggiunta della funzione operativa basata sul recupero del calore dell’aria interna estratta nello scambiatore di calore del circuito frigorifero, mentre un’unità di tipo convenzionale non è in grado di immettere aria esterna in ambiente o di espellere l’aria interna in facciata.
Le innovazioni rispetto a un’unità convenzionale sono le seguenti:
- l’aria trattata viene fornita all’ambiente dall’UTA, mentre l’aria interna viene estratta dalle TWU, scaricandola in questo modo attraverso l’intera facciata. Le TWU recuperano il calore dall’aria interna estratta mediante un compressore per migliorare l’efficienza del sistema. L’estrazione dell’aria interna migliorato l’efficienza di circa il 30% rispetto a un’unità standard;
- la modalità di funzionamento delle TWU varia in base alla concentrazione di CO2 nell’ambiente che diventa il parametro di controllo. In modalità di raffreddamento ad aria esterna da parte dell’UTA e della TWU, l’aria esterna immessa viene scaricata dal ventilatore esterno delle TWU, che è in modalità di espulsione. Le prestazioni del sistema di ventilazione prodotte dalle TWU consentono di ottenere un flusso d’aria unidirezionale verso le finestre e non provocano turbolenze né la miscela con l’aria interna;
- ciò consente di realizzare la ventilazione naturale senza utilizzare energia elettrica per le UTA e le TWU quando viene interrotta l’alimentazione elettrica.
Le unità TWU sono facili da installare poiché devono essere integrate soltanto all’interno della facciata perimetrale. Si tratta di una soluzione versatile e quindi adatti alla maggior parte di progetti di edifici di grande altezza dato che le funzioni di climatizzazione e ventilazione sono disponibili con una semplice fonte di alimentazione monofase.
Gestione e manutenzione
Non vi è alcuna differenza per quanto riguarda le modalità di manutenzione tra la nuova TWU e un’unità di tipo convenzionale. L’installazione della passerella perimetrale consente una manutenzione sicura, riduce i costi di manutenzione e migliora l’efficienza.
Per la realizzazione dell’edificio è stato previsto il commissioning già in fase di progettazione in base al ciclo di vita utilizzando il Building Information Modeling (BIM). È stato ormai ampiamente riconosciuto che i grattacieli di recente costruzione dotati di sistemi complessi si trovano ad affrontare seri problemi a causa della carenza di società di facility qualificate. Inoltre, la pandemia ci ha insegnato quanto sia importante garantire la gestione remota.
Nel caso specifico, l’efficienza operativa dell’edificio è stata ottenuta utilizzando la tecnologia del gemello digitale basata su BIM e simulazioni. La gestione della struttura tramite il gemello digitale e stata realizzata sviluppando uno strumento di supporto che collega le informazioni sulla posizione dell’edificio virtuale archiviate nel BIM, visualizzate sui tablet, ai disegni e ai documenti as-built in moduli Excel e PDF. È stato sviluppato un tool specifico che sfrutta il BIM per le quattro funzioni fondamentali nella gestione operativa degli edifici: ricerca delle apparecchiature, identificazione dei sistemi, identificazione delle aree interessate e compilazione del rapporto.
Analisi costi-benefici
L’utilizzo delle unita TWU perimetrali ha comportato un aumento dell’investimento iniziale del 25% rispetto alla tipologia di impianto standard. D’altro canto, questo dispositivo elimina la necessità di realizzare tubazioni di scarico della condensa all’interno degli ambienti. Lo scarico viene effettuato direttamente nel punto di installazione, di conseguenza lo sviluppo delle tubazioni risulta notevolmente ridotto.
L’aumento dell’investimento iniziale, che comprende non solo le TWU, ma anche il sistema di controllo automatico, è stato di 28 dollari/m2. L’attuale riduzione dei costi risulta di 26.000 dollari su base annua, con un tempo di payback semplice di circa 4,9 anni per recuperare l’investimento aggiuntivo, presupponendo che i prezzi dell’energia rimangano invariati.
Per quanto riguarda l’intero edificio, rispetto al tipico costo specifico di un immobile in cemento armato nell’area di Tokyo (4.500 dollari/m2), la costruzione dell’edificio è stata realizzata al costo di 6.000 dollari/m2. La percentuale di affitto di un piano ufficio standard e dell’84,3%, ovvero del 10% in più rispetto al normale valore compreso tra 65 e 75%. Inoltre, si prevede che la riduzione dei costi del ciclo di vita in 30 anni sarà ridotta del 36% (145 milioni di dollari rispetto ai 227 milioni di dollari di un edificio standard).
DaiyaGate, l’impatto ambientale
Le emissioni di CO2 dell’edificio risultano ridotte in modo significativo grazie alla riuscita integrazione di unità TWU, sistemi di produzione termofrigorifera ad alta efficienza, accumulo frigorifero e ottimizzazione in fase di funzionamento. Le emissioni sono state di 50,3 kg CO₂/m2・anno, rispetto al valore medio degli edifici per uffici a Tokyo di 88,9 kg CO2/m2・anno, con una riduzione di circa il 43%.
L’edificio si è classificato nel 3% più alto dei 462 campioni di edifici per uffici di Tokyo nel 2017. Il valore delle emissioni di CO₂ calcolate sul ciclo di vita (LCCO2) è stato ridotto del 24% (113,21 kg CO₂/m2・anno rispetto a 152,90 kg CO₂/m2・anno di un edificio standard). Inoltre, per risparmiare le risorse idriche, sono stati installati servizi igienici a basso consumo d’acqua (3,8 L/scarico) e un sistema di recupero dell’acqua piovana che viene filtrata per il riutilizzo. La percentuale di acqua piovana e di acqua di condensa riutilizzata rispetto al consumo totale è del 75%. Il risparmio idrico complessivo è superiore di quasi il 35% rispetto al livello di riferimento locale.
Conclusioni
La soluzione innovativa sviluppata per il sistema HVAC ha permesso di realizzare, grazie una riuscita progettazione integrata, un edificio salubre che combina risparmio energetico, resilienza e comfort ambientale, considerando la salute degli occupanti e la gestione operativa come obiettivi primari. Il progetto ha ricevuto il premio ASHRAE Award of Engineering Excellence 2022.
