Un progetto Data Driven per il grattacielo che respira

Fig. 1 – La Tower at PNC Plaza di Pittsburgh

Il progetto della Tower at PNC Plaza dimostra come la raccolta, l’elaborazione e la condivisione dei dati consente di realizzare edifici più sostenibili e al tempo stesso migliorare la soddisfazione, la salute e la produttività degli occupanti.

È ormai evidente come l’In­telligenza Artificiale e il Cloud stiano rivoluzionan­do anche le modalità di progettazione e di gestione dei luoghi di lavoro. La Tower at PNC Plaza, un edificio di grande altezza per uffici realizzato a Pittsburgh (Pennsylvania, USA) con un costo di 400 milioni di dollari (figura 1), presenta una super­ficie complessiva di 56.000 m2 su 172 metri di altezza e 33 piani ed è stata progettata dallo studio di architettura Gensler in stretta collaborazione con la società di ingegneria Buro Happold che ha sviluppato il progetto delle strutture e degli impianti MEP.

Fin da subito, l’obiettivo dichiarato dalla proprietà, una delle principali organizzazioni finanziarie americane, è stato quello di costruire il grattacielo più green al mondo per il quartier ge­nerale della società. In effetti, l’edificio ha ottenuto la certifica­zione LEED Platinum ed è andato ad aggiungersi ai 300 edifici certificati LEED di proprietà della PNC.

Nello scenario sempre più complesso della progettazione, la raccolta dei dati ha il pote­re di determinare come e che cosa progettare in modo da otte­nere il migliore risultato finale. La sfida con la torre PNC Plaza è stata quella di analizzare e trasformare questi dati in informazio­ni significative e utilizzabili dai progettisti, dalla proprietà e dagli occupanti dell’edificio.

Un approccio open source

Le aspirazioni per il progetto derivavano dalla precisa convinzio­ne che la sostenibilità dipenda essenzialmente dall’uso efficiente delle risorse, siano esse finanziare, ambientali o umane. Di con­seguenza, i fattori per il successo sono stati raggruppati in tre categorie fondamentali: comunità, ambiente e luogo di lavoro. Il team di progetto si è proposto di definire un nuovo punto di riferimento in termini di prestazioni, sia per l’edificio che per le persone che lo utilizzano. Essendo ben consapevoli di non esse­re stati i primi a dichiarare questa ambizione, i progettisti hanno analizzato altri interventi simili realizzati in precedenza.

A tale scopo è stata condotta una ricerca di casi di studio e sono state effettuate numerose visite presso edifici esistenti in tutto il mon­do in modo da capire che cosa avesse funzionato e che cosa no. Questa missione conoscitiva ha richiesto un approccio “open source” che dipendeva dalla disponibilità di altri progettisti a condividere le proprie esperienze. Per chi punta a realizzare una visione di progetto di questo tipo, lo scopo va al di là del singolo edificio. Il concetto di comunità risulta quindi fondamentale per creare edifici e ambienti a elevate prestazioni.

Questa attività di analisi ha fornito alcune lezioni chiave. Innanzi­tutto, è stato stabilito il principio base della semplicità di utilizzo. Inoltre, dato che le prestazioni degli occupanti, e non solo quelle dell’edificio, rappresentavano un obiettivo, il team di progetta­zione ha sviluppato l’intera concezione della torre secondo un approccio che si può definire umanistico.

La sensibilità nei confronti della comunità si è invece tradotta in azioni che avessero un impatto positivo nei confronti del quartie­re circostante. Oltre al concetto della trasparenza e dell’inclusi­vità, rappresentato anche dall’ingresso vetrato a doppia altezza (figura2), a tale scopo il team ha sviluppato un programma fun­zionale con spazi che avrebbero potuto essere utilizzati anche dagli esterni, come ad esempio un auditorium.

Fig. 2 – L’ingresso trasparente della torre

Inoltre, è stato previsto uno spazio per la ristorazione della giusta dimensione, ovvero in grado di soddisfare i bisogni dei dipendenti, ma non così grande da dissuaderli a uscire dall’edificio per utilizzare esercizi nelle vicinanze. In questo modo la società ha voluto so­stenere la comunità locale, le piccole attività commerciali e il vi­cino mercato agricolo.

L’analisi del sito

Nella fase iniziale il team di progetto si è posto una serie di do­mande. Una delle prime è stata: come ottenere il massimo dalle condizioni ambientali offerte dal sito? Ciò ha portato diretta­mente a sviluppare l’idea progettuale fondamentale: orientare l’edificio in modo da raccogliere tutta la luce naturale possibile e sfruttare al massimo la ventilazione naturale per fornire l’aria di ricambio. Questo concetto è stato elaborato sviluppando una combinazione di strategie passive e attive che sono state clas­sificate in base a costi, recupero e risparmio di energia.

Dato che le soluzioni passive, come l’orientamento solare, erano le più economiche ed efficaci, è stato adottato un approccio “pas­sive first”, che è diventato uno dei principi guida del progetto. L’adozione di tutti gli approcci passivi possibili ha aumentato l’efficacia delle tecnologie attive e delle fonti rinnovabili. L’orien­tamento solare dell’edificio verso sud, quindi divergente rispetto alla griglia urbana dell’area centra di Pittsburgh, ha consentito di aumentare l’apporto di luce naturale, di ridurre l’abbagliamento e di controllare il carico dovuto alla radiazione solare.

Per raggiungere questo obiettivo, fondamentale è stato il proget­to dei volumi dell’edificio. Oltre a garantire la massima superficie totale lorda utilizzabile, è stata infatti ottimizzata la profondità dello spazio in modo da consentire alla luce naturale di occupare l’intera area di lavoro, unitamente alla disposizione degli arredi e al rapporto tra superficie di facciata e pavimento. Il risultato di quest’analisi ha confermato la possibilità di garantire la luce na­turale nel 91% della superficie dei piani, coprendo praticamen­te la totalità dell’area di lavoro.

Inoltre, i dati meteorologi hanno smentito lo stereotipo di una città calda e umida d’estate e fred­da d’inverno. In realtà, per circa la metà delle ore annue i valori di temperatura e umidità risultano adatti alla ventilazione naturale e in questi periodi anche i livelli della qualità dell’aria e della con­centrazione di polline e di altri contaminanti risultano accettabili. L’uso della ventilazione naturale è diventato quindi un altro ele­mento centrale del progetto, non solo come potenziale strategia energetica, ma anche come mezzo per fornire il massimo livello di benessere e salute negli ambienti di lavoro.

Un metodo scientifico

Sebbene il concetto della ventilazione naturale sia da sempre utilizzato in modo efficace in molte forme vernacolari di archi­tettura, ben diversa è la sua applicazione nei moderni edifici per uffici in cui le aspettative di comfort richiedo­no di mantenere condizioni di temperatura in una fascia molto stretta, tipicamente tra 22 e 24 °C. Di conseguenza, nel caso in questio­ne è stato deciso di adottare un approccio scientifico basato sulla raccolta e analisi dei dati, in modo da valutare l’effettiva possibili­tà di utilizzare questa strategia come mezzo principale per risparmiare energia e fornire un ambiente confortevole per gli occupanti.

Pre­vedere risultati certi utilizzando questo meto­do nella fase di progettazione concettuale ha rappresentato una sfida impegnativa. Per ga­rantire un funzionamento ottimale del sistema è stato necessario analizzare innanzitutto in modo accurato le condizioni del vento intorno al sito e quale sarebbe stato l’impatto dei flus­si d’aria sulla facciata. Inoltre, sono state valu­tate e messe a confronto le prestazioni di due diverse strategie: la ventilazione trasversale (cross ventilation) e la ventilazione per effetto camino (stack ventilation) basata sull’aumento della temperatu­ra dell’aria.

L’analisi della ventilazione trasversale ha rivelato che il movimento del vento all’esterno dell’edificio avrebbe causato troppa incertezza in relazione al flusso d’aria interno a ogni livello di piano. Ciò andava contro l’obiettivo di immettere aria a ogni piano in modo controllato. Si è quindi proceduto con la valuta­zione della seconda opzione basata sulla ventilazione per effetto camino eseguita attraverso simulazioni CFD.

Doppia pelle e camino solare

Fig. 3 – La facciata a doppia pelle

La ventilazione per effetto camino si basa sulla combinazione di un camino solare con una facciata a doppia pelle sull’intero edi­ficio (figura 3). Il camino solare è costituito da due cavedi posti all’interno del nucleo dell’edificio sormontati sulla sommità da una piastra in cemento di colore nero a sua volta ricoperta da una lastra in vetro. Questa struttura alta 2 metri e inclinata di cir­ca 25 gradi consente di assorbire il calore, riscaldando l’aria nei cavedi e creando così l’effetto di tiraggio termico (figura 4).

Fig. 4 – La strategia di ventilazione naturale passiva si basa su un camino solare collegato con facciata a doppia pelle

Il funzionamento del sistema varia a seconda delle stagioni. Du­rante le fredde giornate invernali l’aria viene trattenuta all’interno dell’intercapedine che, riscaldandosi, fornisce uno strato isolan­te termico (figura 5). In estate l’intercapedine viene flussata e le tende motorizzate poste al suo interno bloccano il guadagno so­lare diretto, riducendo il consumo energetico e l’abbagliamento (figura 6). Nelle mezze stagioni, se le condizioni dell’aria esterna sono idonee, le griglie disposte sui vetri interno ed esterno della facciata si aprono per consentire all’aria di entrare nell’edificio a tutti i piani e salire fino alla sommità attraverso due cavedi (fi­gura 7).

L’altezza dell’edificio e il calore accumulato dal camino solare creano l’effetto di stratificazione termica che consente di ottenere il movimento naturale dell’aria attraverso gli spazi di la­voro di ogni piano e all’interno dei cavedi senza uso di ventilatori. In pratica, si crea un regime di pressione negativa dell’aria sulla facciata, in modo da farla entrare all’in­terno dell’edificio e farla salire attraver­so il core centrale.

Sulla parete di vetro interna, sono disponibili grandi porte scorrevoli ad azionamento manuale per consentire agli occupanti dipendente di aumentare la ventilazio­ne del proprio spazio. Quando le condizioni esterne di tempera­tura, vento e polline sono idonee all’utilizzo dell’aria esterna, si accendono delle luci verdi che avvisano che è possibile aprire le porte scorrevoli senza effetti negativi sul sistema di ventilazione. Quando invece le spie sono spente, le porte scorrevoli devono restare chiuse per evitare che l’ambiente diventi troppo freddo, caldo o umido.

L’impiego di energia rinnovabile in loco in que­sto caso è quindi realizzato utilizzando l’energia solare gratuita per sostituire il consumo di energia associato alla ventilazione mecca­nica. La torre PNC Plaza è l’unico edificio al mondo che combina un camino solare con una facciata a doppia pelle dotata di serramenti apribili. Il sistema consente all’e­dificio di sfruttare la ventilazione naturale fino al 42% delle ore lavorative, con una riduzione del consumo di energia per i ventilatori e per il riscaldamento e il raffreddamento dell’aria primaria.

Il guadagno di efficienza in termini energetici si abbina con il miglioramento dell’esperienza degli occupanti. Essi sono infatti coinvolti direttamente nell’uso e nel funzionamento dell’edificio e nel controllo delle condizioni ambientali, il che consente di aumentare il livello di soddisfazio­ne e di benessere nei confronti di temperatura e qualità dell’aria.

Questa soluzione è stata adottata in quanto più facile da con­trollare, sia su scala complessiva di edificio sia sui singoli piani. Essa è stata validata mediante un’estesa modellazione CFD svi­luppata nelle fasi iniziali della progettazione e successivamente verificata con test effettuati nella galleria del vento in modo da valutare se le condizioni del vento sul sito avrebbero prevalso su quelle dell’effetto camino.

I dati hanno anche dimostrato che questo movimento d’aria na­turale, realizzato in modo gra­tuito, avrebbe garantito una portata d’aria di ricambio tre volte superiore rispetto al valo­re minimo prescritto dalla nor­mativa, creando ambienti di lavoro dotati di molta più venti­lazione rispetto a un tipico edi­ficio per uffici e quindi con mi­gliori condizioni di benessere e IAQ.

Un’ulteriore simulazio­ne CFD ha permesso di perfe­zionare l’opzione selezionata. Dapprima sono state condotte analisi semplificate in piccole aree isolate, poi ampliate per valutare un intero piano, se­guite dall’intero edificio. Una volta validato il progetto a li­vello complessivo, sono state valutate modifiche aggiuntive di vari scenari modificando i criteri di input. Per esempio, è sta­to verificato l’intervallo di temperatura alla quale la doppia pelle avrebbe funzionato. Per testare la temperatura nella cavità ed eseguire l’analisi del flusso d’aria naturale e dei consumi energe­tici dell’intero edificio sono stati utilizzati i software FloVent, CFX e IES.

Per le simulazioni sono stati utilizzati i dati meteorologici del sito per verificare che nella realtà l’edificio avrebbe funziona­to come previsto. Inoltre, sono stati importati nel modello CFD i risultati dei test effettuati nella galleria del vento.

Il mockup di costruzione

Una volta confermata l’ipotesi progettuale attraverso le simula­zioni CFD, la verifica è proseguita attraverso prove eseguite su un mockup in scala reale di un tipico piano con una su­perficie di 100 m2 completo di facciata, travi fredde, illu­minazione, sistemi di arredo e pavimenti galleggianti, che ha consentito la valutazione dell’interazione tra tutti questi com­ponenti (figura 8).

Fig. 8 – La verifica delle simulazioni CFD è stata effettuata mediante un mockup in scala reale

I dati ottenuti dalle prove hanno confermato che le temperature minime e massime previste per la cavità della facciata a doppia pelle erano vicine a quelle ottenute con le simulazioni. Inoltre, il test ha permesso di aggiornare alcune ipotesi e condizioni al contorno delle simulazioni, ad esempio la posizione dei sensori e le modalità di attivazione dei serramenti apribili. Il mockup ha offerto anche l’opportunità di sperimentare direttamente il comportamento degli occupanti in rapporto con lo spazio di lavoro.

Gli impianti MEP

La torre PNC è in grado di operare in modo passivo per gran parte dell’anno, ma in piena estate e nel cuore dell’inverno è previsto l’impiego di sistemi attivi per mantenere condizioni am­bientali confortevoli per gli occupanti. Nei caldi giorni d’estate il raffrescamento è fornito da travi fredde di tipo induttivo installato a filo del controsoffitto (figura 9) mentre durante i mesi invernali il riscaldamento è fornito da pannelli radianti posti in facciata che garantiscono un’elevata efficienza di riscaldamento mitigando le dispersioni di calore.

Fig. 9 – Gli ambienti sono climatizzati mediante un impianto a travi fredde induttive

La ventilazione meccanica è fornita da un sistema di distribuzione di aria primaria trattata da UTA, poste all’interno di locali tecnici posti agli ultimi piani della torre, dotate di sistema di recupero energetico con doppia ruota che utilizza l’aria espulsa per preriscaldare o preraffreddare l’aria esterna. Durante l’inverno, quando il camino solare non viene utilizzato, la struttura posta sulla sua sommità viene utilizzata anch’essa per preriscaldare l’aria esterna.

Come mezzo per produrre i flu­idi termovettori a servizio dell’impianto HVAC inizialmente era stata presa in considerazione l’ipotesi di sfruttare la geotermia a circuito aperto come sorgente per pompe di calore, dato la di­sponibilità di acqua di falda e la vicinanza ai fiumi Alleghany e Monongahela per la restituzione.

Sfortunatamente, le sonde esplorative hanno messo in evidenza che il flusso e la capacità di accumulo termico della falda non erano tali da garantire un significativo bilanciamento dei carichi dell’edificio. Di conseguenza, questa soluzione è stata abban­donata a favore di una centrale di tipo tradizionale con gruppi frigoriferi collegati a torri di raffreddamento e caldaie a gas.

Per quanto riguarda gli impianti idrosanitari, è stato previsto un siste­ma di raccolta e trattamento dell’acqua piovana che consente di risparmiare fino a 4,5 milioni di litri d’acqua potabile all’anno, pari al 77% del consumo di acqua di un edificio tradizionale. L’acqua riciclata viene utilizzata per il flussaggio dei WC, per il reintegro delle torri di raffreddamento e per l’irrigazione del verde.

Il trattamento dell’acqua di scarico in loco svolge anche la fun­zione di evitare di sovraccaricare la rete fognaria, soprattutto du­rante i temporali, quando è consentito lo scarico diretto dell’ec­cesso delle acque meteoriche direttamente in questa rete.

Il sistema BMS

Le soluzioni adottate per la regolazione e la supervisione rifletto­no l’enfasi posta su Internet of Thing, connettività e condivisione dei dati. L’edificio gestisce la raccolta dati con sensori posti all’e­sterno e all’interno per misurare i livelli di temperatura, umidità, qualità dell’aria esterna e luce che sono elaborati dal sistema di supervisione BMS.

Oltre agli impianti HVAC, questo controlla sia l’impianto di illuminazione artificiale in base al livello rilevato di luce naturale sia l’attivazione della ventilazione naturale median­te l’apertura delle finestre motorizzate. Tutti i sistemi di regola­zione sono gestiti da una postazione centrale che permette di monitorare e controllare ogni singolo componente operativo.

Per garantire che il sistema di gestione potesse soddisfare le ef­fettive esigenze in fase operativa, è stato costituito un apposito team, comprendente commissioning agent, responsabile del facility management della proprietà, architetto, ingegneri MEP, consulente per le facciate e fornitore dei sistemi di controllo, che ha collaborato nello sviluppo di scenari “what if” con relative ri­sposte.

La peer review del progetto

Una volta completate le fasi di sviluppo e modellazione, un grup­po esterno di esperti ha sottoposto il progetto a peer review, il che ha comportato diverse modifiche. Questa attività di valida­zione è stata eseguita con il pragmatismo che solitamente viene utilizzato per un intervento speculativo. Nel cercare di evitare le insidie spesso associate con i progetti ambiziosi degli head­quarter, la peer review è stata utilizzata come mezzo per con­frontare la progettazione rispetto alle migliori pratiche.

Fig. 10 – Gli spazi a doppia altezza sul lato ovest

Una delle più grandi potenziali trappole era quella legata alla creazione di una soluzione così personalizzata da non garantire la flessibilità richiesta per apportare modifiche nel corso dell’utilizzo dell’edi­ficio. La peer review ha portato a una maggiore efficienza e fles­sibilità con una riduzione del costo complessivo. Ad esempio, è stato aggiunto un terzo gruppo refrigeratore per ottimizzare le prestazioni delle travi fredde. Sul lato ovest dell’edificio sono sta­ti previsti dei cosiddetti “neighborhoods”, ovvero spazi a doppia altezza che forniscono uno spazio di lavoro sociale e collaborati­vo (figura 10).

Questi spazi sono utilizzati per funzioni tempora­nee, quindi possono essere mantenuti su una banda più ampia di temperatura rispetto al tipico spazio ufficio con postazioni di lavoro. Una terrazza al 28° piano offre uno spazio esterno con vista panoramica. Sullo stesso piano un giardino pensile coperto offre a dipendenti e ospiti la possibilità di godere di uno spazio protetto dalla pioggia e dalle temperature estreme (figura 11).

Fig. 11 – Lo Sky Garden coperto al 28° piano

Scelta dei materiali e Commissioning

La scelta dei materiali è stata fondamentale per garantire le prestazioni in termini sia quantitativi, in relazione a consumi ed emissioni, sia qualitativi, ovvero legati all’esperienza dell’utente. L’uso di un vetro trasparente per tutta la facciata presenta il van­taggio di fornire luce naturale e vista e di ridurre del fabbisogno energetico legato all’impiego dell’illuminazione artificiale, men­tre le veneziane poste nell’intercapedine della doppia pelle ga­rantiscono il controllo solare (figura 12).

Fig. 12 – La facciata a doppia pelle come appare dal livello stradale

La finitura del vetro è interamente a basso contenuto di ferro, con un rivestimento termoisolante applicato solo sulla superficie della facciata interna. L’impiego di profili in legno, oltre a fornire una migliore esperienza sensoriale, sostiene l’economia della comunità attraverso l’uso di materiali di provenienza locale e consente di ridurre il contenuto di carbonio incorporato. In termi­ni di emissioni è stato calcolato un risparmio pari a circa 122 mila tonnellate di CO2 rispetto a una facciata con profili in alluminio. Inoltre, sono state previste finiture con verniciatura a polvere per tutti i componenti in metallo per garantire la possibilità di riciclo completo.

Il progetto è stato sottoposto a Commissioning di tipo avanzato, con un coinvolgimento della CxA fin dalle prime fasi di proget­tazione, in modo da essere consapevole del processo decisio­nale e di come doveva funzionare l’edificio. In questo ambito il mockup ha fornito una prima opportunità per testare l’interfac­cia tra i diversi sistemi tecnologici, come i sistemi di controllo della luce naturale e i vari sensori. Il Commissioning è proseguito per un anno intero di funzionamento iniziale per la raccolta dei dati. Come previsto, l’edificio ha raggiunto il livello operativo otti­male delle prestazioni a partire dal secondo anno di occupazio­ne dopo un periodo di fine tuning.

Conclusioni

Gli ambienti per ufficio garantiscono quindi un’esperienza com­pletamente nuova per gli utenti che abilita una modalità di lavoro ad alte prestazioni. Grazie all’approccio olistico improntato all’efficienza, è quindi possibile non solo ridurre il fabbisogno di energia, e quindi le emissioni di carbonio, ma anche garantire una condizione espe­rienziale ottimale per gli occupanti.

Il concetto alla base di questo progetto è che tutti possiamo be­neficiare tutti di un ambiente migliore, in cui gli edifici siano più efficienti, le risorse non vengano sprecate e le persone possano godere delle migliori condizioni di lavoro. Come il team che ha sviluppato il progetto ha sfruttato le esperienze altrui, l’obiettivo è che altri possano ispirarsi a questo edificio che, man mano che vengono raccolti sempre più dati sulle effettive prestazioni, è in grado di fornire informazioni significative che possono essere condivise.

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