In base all’accordo di Parigi sulla lotta al cambiamento climatico, il Giappone si è impegnato a ridurre del 40% le emissioni di gas serra entro il 2030 rispetto al 2013. Per raggiungere questo obiettivo le politiche nazionali di risparmio energetico del paese nipponico hanno imposto che gli edifici pubblici di nuova costruzione siano a energia zero (ZEB) già a partire dal 2020 e che tutti gli altri nuovi edifici dovranno essere ZEB entro il 2030.
Poiché gli edifici con una superficie lorda pari o inferiore a 10.000 m2 rappresentano il 98% di tutti gli immobili per uffici di piccole e medie dimensioni in Giappone, ottenere risparmi energetici in questa tipologia di costruzioni rappresenta uno strumento fondamentale per rispettare l’impegno di riduzione delle emissioni.
Fondata a Osaka nel lontano 1610, la Takenaka Corporation è uno delle 5 più grandi imprese giapponesi del settore delle costruzioni, dell’ingegneria e dell’architettura, con più di 13000 impiegati e un fatturato annuo di oltre 8 miliardi di dollari. Di proprietà della 17a generazione della famiglia Takenaka, nonostante più di 400 anni di presenza sul mercato la società si vanta di essere tuttora all’avanguardia per quanto riguarda l’impiego di tecnologie innovative.
Molti degli edifici progettati e costruiti dalla società rappresentano dei veri e propri landmark (come la Tokyo Tower e il Tokyo Dome) e sono concepiti per svolgere un ruolo sociale secondo una filosofia aziendale che mira a esprimere la cultura del tempo presente e a trasmetterla alle generazioni future. Un esempio di edificio esistente oggetto di riqualificazione con prestazioni ZEB è la filiale della società situata a Higashi- kanto, quartiere di Chiba, citta che fa parte della cosiddetta Grande Area di Tokyo.
L’immobile si sviluppa su 2 piani fuori terra con una superficie di circa 1300 m2 (figura 1) ed è stato ristrutturato mentre gli uffici erano in uso. Si è trattato del primo caso di un edificio ZEB realizzato in Giappone mentre era occupato. La ristrutturazione ha permesso di ottenere sia un confortevole ambiente per uffici sia un consistente risparmio energetico grazie all’adozione di una serie tecnologie e soluzioni quali isolamento termico, ventilazione e illuminazione naturale, raffreddamento e riscaldamento radiante e trattamento dell’aria mediante sostanze essiccanti, il tutto sfruttando il calore geotermico e la radiazione solare e utilizzando sistemi di controllo delle condizioni di benessere in modo da fornire un microclima interno ottimale per soddisfare le preferenze individuali.
L’intervento di ristrutturazione si è basato sul massimo sfruttamento possibile dell’illuminazione naturale attraverso lo spazio e ha anche previsto una diversificazione dell’ambiente per uffici allo scopo di fornire spazi adatti sia alla concentrazione sia alla comunicazione, oltre a consentire agli occupanti di condividere apparecchiature per ufficio, terminali e altre strutture, riducendo i carichi elettrici delle prese e i consumi per luci e climatizzazione e migliorando al tempo stesso la produttività.
Per coprire il consumo energetico rimanente e rendere l’edificio più resiliente, il progetto di riqualificazione ha previsto di generare energia utilizzando un sistema fotovoltaico e di accumularla con batterie a ioni di litio. Il risultato finale della ristrutturazione ha prodotto un edificio che supera le prestazioni ZEB nette.
Efficienza energetica
Per massimizzare le prestazioni energetiche si è operato su due fronti: la riduzione del carico termico e dei consumi. Ottenere una drastica riduzione del carico termico dovuto all’involucro esterno ha rappresentato un fattore essenziale in ottica ZEB.
Sulle pareti opache esterne e sulla copertura è stato applicato un materiale isolante aggiuntivo mentre i serramenti sono stati sostituiti con doppi vetri a bassa emissività riempiti con gas argon. Inoltre, sono state installate tende alla veneziana e vetri singoli come rivestimento esterno per formare una doppia pelle sulla superficie esterna. I frangisole verticali già presenti sulla facciata vetrata prima della ristrutturazione sono stati riapplicati alla superficie esterna della doppia pelle.
Il carico termico di picco annuale effettivo è stato ridotto a soli 60 W/m2. La figura 2 mostra i dettagli del bilancio energetico mensile e annuale negli scenari ante e post intervento. Il profilo dell’energia prodotta e di quella consumata dall’impianto di climatizzazione e dalla ventilazione mostra una variazione su base mensile stagionale. Il consumo totale annuo di energia primaria, compresa l’elettricità fornita tramite le prese per le apparecchiature d’ufficio, è risultato pari a di 403 MJ/m2·anno, mentre la quantità totale di energia generata ammonta a 417 MJ/m²·anno.
Per ridurre al minimo il tempo di funzionamento, e quindi il consumo, delle apparecchiature che forniscono l’energia termica e frigorifera, è stato impiegato un sistema che permette di raffreddare e riscaldare l’ambiente utilizzando direttamente l’energia geotermica e la radiazione solare.
Nello specifico, l’acqua che scorre attraverso un campo di sonde geotermiche profonde 67 metri viene raffreddata tra 19 e 21 °C per mezzo dello scambio termico con il terreno (che ha una temperatura costante di 17 °C) e quindi viene distribuita direttamente ai pannelli radianti a soffitto per il raffreddamento dell’ambiente (figura 3). Durante l’estate l’acqua riscaldata a una temperatura compresa tra 45 e 60 °C dal sistema solare termico installato sulla copertura viene utilizzata come fonte di calore per rigenerare l’essiccante (figura 4).
Durante l’inverno l’acqua calda prodotta dal sistema viene utilizzata anche per il riscaldamento radiante a soffitto. Quando il fabbisogno frigorifero termico supera la produzione, l’energia necessaria viene garantita dal funzionamento di una pompa di calore ausiliaria che fornisce raffreddamento o riscaldamento.
In media l’edificio ristrutturato copre circa il 40% dell’energia richiesta per il raffreddamento utilizzando direttamente la fonte geotermica e quasi il 100% dell’energia richiesta per la rigenerazione dell’essiccante sfruttando il calore fornito dalla radiazione solare. Il calore solare raccolto rappresenta invece circa il 21% dell’energia termica per il riscaldamento. La figura 5 mostra il dettaglio dei consumi dovuti alle diverse utenze.
IAQ e comfort termico
Per fornire agli occupanti un ambiente termico confortevole è stata prevista una combinazione di quattro diverse soluzioni:
- riscaldamento e raffreddamento mediante soffitti radianti per il controllo della temperatura;
- trattamento dell’aria primaria mediante sostanze essiccanti per il controllo dell’umidità;
- ventilatori individuali per il controllo del flusso d’aria;
- ventilazione naturale con controllo automatico durante le mezze stagioni nelle giornate con idonee condizioni climatiche.
La figura 6 mostra i valori medi di temperatura e umidità interna misurati negli uffici nei mesi di febbraio, maggio e agosto. È possibile evincere che la temperatura e l’umidità sono risultate sempre all’interno della zona di comfort definita dallo standard ASHRAE 55 in funzione del diverso tipo di abbigliamento, definito dal parametro clo.
Nel mese di maggio, che rappresenta un periodo intermedio, viene utilizzata la ventilazione naturale e la temperatura e l’umidità variano entro un più ampio intervallo di valori. È stata condotta un’indagine sulla sensazione termica di tutti gli occupanti prima e dopo la ristrutturazione. I risultati hanno mostrato che in estate, dopo l’intervento di ristrutturazione, è aumentata la percentuale di persone che si dichiarano soddisfatte dell’ambiente termico e della qualità dell’aria.
Per la ventilazione meccanica dell’ambiente interno è stato previsto un impianto di aria primaria a volume variabile con trattamento dell’aria esterna mediante sostanze essiccanti. L’unità modula la portata dell’aria immessa in modo da mantenere l’ambiente entro livelli prefissati della concentrazione di CO2 e dell’umidità relativa. In estate, gli occupanti a volte hanno sensazione di caldo dopo essersi spostati, quindi per tutte le postazioni di lavoro è stato previsto un ventilatore personale per fornire un flusso d’aria individuale.
Il ventilatore utilizza un ugello installato sul soffitto per creare un flusso d’aria diretto verso il viso della persona. Ogni occupante può regolare la portata dell’aria dal proprio computer o dallo smartphone. La velocità del flusso attorno al viso è di 0,5 m/s nella modalità di velocità media e di 0,8 m/s in modalità di alta velocità, fornendo una sensazione di raffreddamento.
Le aperture per la ventilazione naturale sono state ubicate in facciata a livello del pavimento mentre quelle per l’espulsione dell’aria viziata sono state installate sui lucernari. Tutte le aperture sono controllate in modo automatico in base alle condizioni ambientali rilevate all’interno e all’esterno dell’edificio e ciascuna delle aperture è anche regolabile localmente dagli occupanti. In media nel mese di maggio le ore di utilizzo del sistema di ventilazione naturale con raffreddamento notturno rappresentano oltre il 50% del totale delle ore di funzionamento.
Il ricambio orario dell’aria ambiente è pari a 10 volumi ora o anche superiore durante il giorno. La velocità dell’aria all’interno dell’ambiente è adeguatamente controllata e gli occupanti si sentono a proprio agio.
Benessere radiante e valutazione exergetica
Grazie all’elevato livello di isolamento termico, alle tende e al sistema di raffreddamento e riscaldamento radiante (figura 7) è stato possibile creare un ambiente termico in cui la differenza tra le temperature superficiali risulta molto contenuta.
In questo modo è stato possibile migliorare l’ambiente dell’edificio in termini di consumo exergetico del corpo umano per ottenere spazi con un minimo stress termico. In base alla distribuzione della temperatura superficiale, la differenza di temperatura tra le pareti perimetrali, il soffitto e le superfici in vetro risulta ridotta e ciò ha permesso di creare un ambiente radiante ideale.
Grazie all’intervento di ristrutturazione il valore del consumo exergetico del corpo umano è stato ridotto. È stata analizzata la differenza del consumo exergetico che si verifica in estate, tra il momento in cui gli impiegati si trovano all’aperto nella calura dalla stazione di transito più vicina e il momento in cui si siedono alla scrivania. Durante la camminata all’aperto il consumo exergetico è elevato, mentre quando entrano in ufficio il consumo diminuisce rapidamente.
Una volta acceso il ventilatore personale il corpo umano raggiunge uno stato stazionario in un tempo più breve, quindi il successivo consumo di exergia diventa ridotto.
Innovazione
Una soluzione ad alto contenuto di innovazione prevede il controllo del benessere tramite dispositivi indossabili. A tale scopo è stato sperimentato il controllo automatico del flusso d’aria e del raffreddamento radiante in base alle condizioni degli occupanti, misurate mediante questi dispositivi. Un aumento della soddisfazione per l’ambiente termico dell’ufficio ha un effetto significativo sulla produttività sul posto di lavoro. Tuttavia, persone diverse hanno livelli diversi di soddisfazione all’interno dello stesso ambiente termico.
Nel corso dell’esperimento, le informazioni sulla posizione di ciascun occupante sono state correlate al suo tasso metabolico e l’ambiente termico di ciascun occupante è stato raccolto mediante i dispositivi indossabili e sensore wireless. Dal canto loro le persone hanno descritto la sensazione termica che hanno provato utilizzando il proprio smartphone. Gli indici di comfort sono stati corretti e interpretati sulla base delle informazioni raccolte e sono stati utilizzati per realizzare un sistema che controlla in modo automatico il funzionamento dei ventilatori personali e le impostazioni della temperatura interna.
I risultati ottenuti dall’indagine basata sul questionario relativa al sistema di controllo del benessere hanno evidenziato un aumento della soddisfazione nei confronti dell’ambiente termico di circa il 50% e della produttività di circa il 25%, rispetto alla regolazione manuale dei diffusori personali da parte degli utenti.
L’altra innovazione è rappresentata dal sistema di trattamento dell’aria mediante sostanze essiccanti. L’impiego di un’unità di trattamento molto compatta garantisce una bassa umidità in estate e un risparmio energetico tutto l’anno. È stato ideato e brevettato un nuovo blocco essiccante ed è stata sviluppata un’unità ad altezza ridotta per poterla alloggiare nel soffitto. L’unità è dotata di uno scambiatore di calore totale, di tre batterie destinate rispettivamente a raffreddamento, riscaldamento e rigenerazione dell’essiccante ed è in grado di utilizzare il calore geotermico e quello ricavato dalla radiazione solare.
Gestione e manutenzione
Poiché l’edificio è piccolo, non è previsto un building manager fisso sul posto. Un sistema di monitoraggio centralizzato da remoto che utilizza il cloud computing consente alla società di facility di eseguire la gestione e il controllo dell’edificio. Il sistema permette di modificare le impostazioni nel modo più appropriato in tempo reale, riducendo ulteriormente il consumo energetico. La quantità di consumo energetico viene inoltre visualizzata su schermi web e su display digitali per sensibilizzare gli occupanti.
Analisi costi-benefici
Si prevede che il pay-back semplice dei benefici energetici derivanti dall’investimento effettuato nell’intervento di ristrutturazione in edificio ZEB sarà ottenuto in circa 20 anni. Se si tiene conto anche della riduzione delle spese per il personale determinata dal miglioramento della produttività sul posto di lavoro, il recupero dell’investimento sarà raggiunto in circa 12 anni.
E’ stato calcolato che nel caso in cui sia utilizzato un modello di edificio di nuova costruzione, invece che oggetto di ristrutturazione, il tempo necessario per il recupero dell’investimento si riduce a 14 anni, che diventa di 8 anni se si considera il miglioramento della produttività sul posto di lavoro.
Impatto ambientale
La quantità di emissioni annuali di CO2 provenienti dall’edificio è risultata di 25,8 tonnellate. La neutralità carbonica è stata effettivamente ottenuta poiché l’entità della riduzione di CO2 dovuta alla produzione di energia mediante il sistema fotovoltaico è stata di 26,7 tonnellate (figura 8). Rispetto all’edificio originario prima della ristrutturazione il consumo di energia primaria è stato ridotto del 71%.
Poiché la produzione di energia è stata pari al 30%, è stato ottenuto un edificio a energia positiva netta pari all’1% (figura 9). Inoltre, riciclando i rifiuti al 100% mediante attività di riduzione, riutilizzo e riciclo, è stato raggiunto un rapporto di smaltimento finale dello 0% nei lavori di ristrutturazione, un risultato che solitamente risulta estremamente difficile da ottenere negli interventi di costruzione di nuovi edifici.
Conclusioni
Il progetto è stato il primo caso in Giappone relativo alla ristrutturazione di un immobile per uffici che viene convertito a edificio ZEB restando occupato. L’intervento ha permesso di ottenere consumi energetici pari a zero e ha apportato ulteriori benefici in termini di maggiore comfort, aumento della soddisfazione e della produttività degli occupanti, innovazione nella modalità di lavoro, salubrità e resilienza.
