Per due innovativi progetti di un grande complesso scolastico e di un avanzato centro di ricerca medica, l’utilizzo della struttura in cemento per fondazioni e solai consente di ottenere notevoli risparmi energetici per gli impianti di ventilazione e raffrescamento.
Negli edifici di recente costruzione le ottime prestazioni di isolamento termico dell’involucro e la presenza di apporti termici endogeni, dovuti a persone, luci e computer, comportano carichi di raffreddamento molto più elevati di quelli di riscaldamento.
Il Decreto Requisiti Minimi del 2015 sulle prestazioni energetiche degli edifici richiede che, per garantire un adeguato sfasamento termico (e quindi una riduzione del carico di punta estivo), devono essere previsti adeguati valori di massa superficiale oppure di trasmittanza periodica. Da questo punto di vista un edificio con una struttura in cemento risulta più performante rispetto a uno realizzato con solai in legno.
Seguendo questo principio sono stati sviluppati due progetti di impianti HVAC che sfruttano le proprietà del calcestruzzo di accumulare energia e raffreddare gratuitamente l’aria di mandata e gli ambienti.
Attivazione termica per un complesso scolastico
La costruzione della Theodor Heuss Schule nella città di Wetzlar è stato il più grande intervento di edilizia scolastica del distretto di Lahn-Dill nello stato tedesco dell’Assia. Il nuovo complesso è costituito da quattro corpi di fabbrica che ospitano le diverse discipline e si sviluppa su una superficie complessiva di 12.000 m2 per 1400 studenti (figura 1).
Un atrio a tripla altezza funge da elemento di collegamento tra i quattro corpi. Realizzato con una struttura in acciaio e pareti esterne completamente vetrate, l’atrio rappresenta un punto focale per i vari percorsi di accesso che conducono a oltre 200 locali (figura 2).
Il progetto dimostra come dovrebbero essere concepiti gli edifici scolastici a prova di futuro. La costruzione sostenibile combina una raffinata estetica con una sofisticata tecnologia edilizia. In particolare, il sistema di ventilazione e raffreddamento integrato nella struttura di calcestruzzo fornisce alle aule l’aria esterna necessaria per il ricambio igienico. Oltre a garantire un microclima interno confortevole, questo sistema consente di sfruttare in modo ottimale il free cooling e quindi di ottimizzare le prestazioni in termini di efficienza energetica.
Lo scopo del team di progettazione è stato quello di progettare ambienti ottimali per l’apprendimento e allo stesso tempo di creare una struttura educativa che fosse efficiente in termini di utilizzo delle risorse, a partire dall’utilizzo delle macerie provenienti dalla demolizione dell’edificio esistente per la costruzione delle fondazioni.
Il complesso scolastico è stato concepito come una costruzione di tipo ibrido seguendo i principi degli edifici passivi: le fondazioni e gli elementi strutturali, come solai, pilastri e scale, sono realizzati in cemento, mentre per le pareti esterne ed interne è stato utilizzato legno lamellare a strati incrociati (CLT), una parte del quale è stato lasciato a vista. L’impiego di un materiale naturale crea interni con un’atmosfera ideale per l’apprendimento, in armonia con le ampie vedute sul verde circostan Concretcoolte. Esternamente, l’insieme degli edifici è unificato in un tutt’uno dal punto di vista visivo mediante un sistema di facciata ventilata in legno (figura 3).
Grazie all’elevato livello di prefabbricazione di solai e pareti, nonché alle brevi distanze di trasporto dei materiali, il metodo di costruzione di tipo ibrido ha consentito di realizzare il progetto in modo rapido ed efficiente in termini di utilizzo delle risorse. Di conseguenza, il complesso ha ottenuto il livello Platinum secondo l’approccio “Cradle to Cradle” (C2C) che punta alla circolarità nell’uso delle materie prime. Ciò ha comportato la scelta, in fase di progettazione, di prodotti e materiali prestando attenzione alla possibilità di smontaggio e riciclo a fine vita.
Uno sguardo più attento dietro la facciata rivela un concept progettuale del sistema edificio/impianti in cui entrambi i materiali, legno e cemento, fanno valere i loro punti di forza. Le pareti in legno lamellare offrono un’eccellente prestazione in termini di isolamento termico nei mesi freddi grazie alla ridotta dispersione di calore per trasmissione. D’estate, invece, l’elevata massa termica della solida costruzione in cemento contribuisce a mitigare il surriscaldamento degli ambienti interni.
L’obiettivo era quello di soddisfare gli elevati standard architettonici di un edificio scolastico con un concetto impiantistico ad alta efficienza energetica.
Sulla copertura di 3 dei 4 corpi di fabbrica è installato un impianto fotovoltaico composto da 416 moduli che generano una potenza elettrica totale di 156 kW.
Tuttavia, l’aspetto più interessante del progetto è costituito dal sistema di ventilazione e raffrescamento, che risulta perfettamente integrato nell’architettura generale del complesso. I progettisti hanno infatti optato per una soluzione già da adottata con successo in altri interventi per edifici scolastici.
Il sistema si basa sull’attivazione termica della massa in calcestruzzo mediante tubazioni in estruso di alluminio annegate nei solai e percorse dall’aria proveniente dalle UTA (figura 4). Circa 4300 metri di tubi, con diametro di 80 mm e dotati di lamelle interne per ottimizzare lo scambio termico, sono stati installati su una superficie di 6065 m² all’interno dei solai in cemento armato degli edifici.
L’aria esterna di ricambio, con una portata compresa tra 6 e 7,5 m³/h.m², scorre attraverso i tubi e si riscalda fino a raggiungere la temperatura del solaio grazie al carico termico endogeno dovuto a occupanti e luci.
I solai, lasciati a vista, fungono da elemento radiante mentre la massa in cemento diventa un accumulatore di freddo o di caldo e viene caricata durante la notte per supportare il controllo della temperatura degli ambienti durante il giorno, quando la capacità termica del calcestruzzo comporta un leggero aumento della temperatura ambiente. Ciò consente al calore immagazzinato di essere rilasciato in un momento successivo, ad esempio durante la notte o nelle prime ore del mattino. Il processo è autoregolante e quasi privo di fluttuazioni, garantendo stabilità alle alte temperature.
Il funzionamento del sistema è tanto semplice quanto altamente efficiente: esso sfrutta infatti in modo ottimale il free cooling, combinando l’attivazione della massa con le funzioni di ventilazione per un comfort termico ottimale e un elevato risparmio energetico. Poiché i diffusori d’aria e i tubi di raffreddamento sono integrati nei solai in cemento, il sistema di ventilazione offre anche la massima flessibilità nella progettazione.
L’utilizzo dell’aria esterna come fonte di energia tipico di questo sistema è ideale per gli edifici scolastici. Per garantire la concentrazione negli ambienti destinati a lavoro e all’apprendimento, e anche per ridurre la potenziale concentrazione di aerosol carichi di virus, le aule hanno sempre bisogno di un’adeguata portata di aria esterna di ricambio. Essa è disponibile per il raffreddamento gratuito fino al 70% delle ore annue con temperature inferiori a 14 °C (figura 5). Attraverso il continuo ricambio dell’aria interna si evita un aumento della concentrazione di CO₂.
Una caratteristica particolare del sistema è il raffreddamento adiabatico di tipo indiretto dell’aria fornita durante le giornate estive particolarmente calde. L’aria espulsa viene raffreddata con acqua finemente nebulizzata e uno scambiatore di calore rotativo consente di trasferire il raffreddamento, ma non l’umidità, all’aria di mandata.
Durante l’inverno, le persone generano più calore di quello che fuoriesce attraverso l’involucro dell’edificio ben isolato. Il riscaldamento dell’ambiente è quindi fornito indirettamente dagli occupanti e ciò consente un’ulteriore riduzione del fabbisogno energetico delle aule. In ogni caso è stato previsto per il riscaldamento degli ambienti anche un sistema radiante a pavimento che consente di effettuare la messa a regime mattutina alla temperatura iniziale desiderata. La potenza del sistema viene poi notevolmente ridotta quando le aule sono occupate.
L’immissione dell’aria di mandata viene realizzata tramite le tubazioni d’aria integrate nei solai del pavimento che corrono fino ai plenum di diffusori elicoidali ad elevata induzione posti a soffitto. I diffusori introducono l’aria di mandata negli ambienti senza creare correnti fastidiose, assicurando i requisiti igienici di ventilazione e le condizioni di comfort ambientale per lo studio e l’apprendimento.
Labirinto geotermico per un centro di ricerca
Il Big Data Institute (BDI) dell’Università di Oxford è un edificio di 7500 m² dedicato alla ricerca avanzata su cause, effetti, prevenzione e trattamento delle malattie attraverso l’analisi di enormi e complessi set di dati. Insieme all’edificio gemello del Target Delivery Institute, il BDI compone il campus biomedico del Li Ka Shing Centre, un complesso realizzato con un investimento di 115 milioni di sterline.
La facciata esterna del BDI è costituita da un mix di fasce opache orizzontali realizzate in alluminio verniciato a polvere di poliestere grigio e di vetrate dotate di frangisole orizzontali, con una disposizione più trasparente sul prospetto nord e più opaca su quelli sud e ovest (figura 6).
Progettato per incoraggiare la collaborazione e l’interazione, il centro si sviluppa attorno a un grande atrio sormontato da un lucernario e rivestito in legno, sul quale si affacciano quattro livelli di uffici ciascuno configurato con un mix di uffici singoli perimetrali e spazi open space intervallati da aree break (figura 7).
Il piano inferiore ospita due sale convegni che ricevono luce naturale da finestre psote nella parte alta delle pareti. Al piano interrato si trovano una caffetteria, sale per seminari, una sala riunioni, nonché uno spazio per l’interazione tra i ricercatori.
L’edificio può ospitare oltre 550 persone impegnate nell’approfondire la conoscenza di una grande varietà di malattie e trattamenti su scala globale. Di conseguenza i ricercatori elaborano enormi quantità di dati e il grande data center fornisce una potenza di calcolo sufficiente per eseguire 600 trilioni di operazioni al secondo.
Risolvere le sfide sanitarie globali non è tuttavia l’unica problematica all’ordine del giorno per coloro che lavorano nel campus biomedico. Il personale e gli studenti sono infatti impegnati anche su questioni che riguardano l’effetto sulla salute provocato dai cambiamenti climatici.
Anche per questo motivo il centro BDI è stato progettato fin dall’inizio in modo da ridurre al minimo l’impatto ambientale. L’edificio utilizza una serie di strategie passive ed è il primo centro di ricerca del Regno Unito a utilizzare una strategia di climatizzazione passiva e di ventilazione naturale basata su un labirinto geotermico in cemento (figura 8).Gli architetti hanno progettato l’edificio in modo che si trovasse esattamente sopra il labirinto sotterraneo che si sviluppa su una lunghezza di 600 metri (figura 9).
Il labirinto viene attraversato dall’aria esterna aspirata dall’esterno attraverso tre corridoi separati. L’aria viene raffreddata in estate e riscaldata in inverno utilizzando la massa termica in calcestruzzo, che presenta una temperatura relativamente costante di 12 °C. Nel momento in cui l’aria raggiunge le unità di trattamento aria, poste sulla copertura, si è preriscaldata o preraffreddata in modo gratuito di cinque gradi, riducendo quindi i costi energetici.
Inoltre, anche la massa termica della struttura dell’edificio viene utilizzata come dissipatore termico per fornire il raffreddamento durante il giorno. Per sfruttare in modo ottimale la massa termica è stato progettato ad hoc un sistema combinato con funzione sia di assorbimento acustico sia di illuminazione degli ambienti (figura 10).
sono dotati di deflettori
verticali con funzione acustica
e luminosa
L’idea di utilizzare questo sistema è nata dalla decisione progettuale iniziale di esporre a vista l’intradosso dei solai in cemento grezzo in modo da beneficiare della massa termica per il controllo del microclima. I sistemi a massa termica funzionano solo con ampie superfici di calcestruzzo a vista in grado di assorbire il calore in eccesso durante il giorno per poi rilasciarlo durante la notte. L’impiego di pannelli acustici orizzontali e di corpi illuminanti convenzionali avrebbe portato a coprire le superfici dei solai riducendo l’efficienza termica. È stata quindi sviluppata una soluzione alternativa basato su un concetto compatibile con l’intradosso di cemento a vista, quindi con deflettori acustici disposti in verticale, alcuni dei quali sono integrati sul bordo inferiore di elementi lineari LED per l’illuminazione. Questa disposizione consente all’aria calda di salire verso l’alto e di entrare in contatto con le superfici in cemento (figura 11). I deflettori acustici riducono i tempi di riverbero all’interno dello spazio, che altrimenti sarebbero problematiche per il personale con così tante superfici dure esposte.
Corpi illuminanti e deflettori sono disposti come elementi continui allineati con il controsoffitto presente nelle aree di circolazione. L’impostazione è basata su una griglia di 750 mm per consentire una flessibilità nella configurazione del layout, qualora fosse necessario eliminare o aggiungere uffici cellulari perimetrali. L’installazione finale è una testimonianza dell’approccio collaborativo adottato dal team di progetto e del desiderio condiviso di ottenere una soluzione progettuale integrata.
Sebbene la gestione termica degli ambienti fosse una priorità, è stata presa in considerazione l’efficienza di ogni sistema. I motori delle lampade LED ad alta efficienza comportano ridotti valori di potenza elettrica e di calore prodotto. Inoltre, i deflettori luminosi sono stati dotati di sistema di dimmerazione di tipo DALI e integrati con un sofisticato sistema di controllo. Il team di progetto ha apportato una serie di modifiche al prodotto standard in modo da soddisfare le esigenze di progettazione e facilitare la posa.
Per rendere l’installazione più semplice e garantire che eventuali errori di cablaggio non rallentassero il programma lavori, i deflettori luminosi sono stati forniti dalla fabbrica già dotati di connettori di cablaggio modulari con spina e presa. Inoltre nell’apparecchio sono stati integrati anche i sensori di movimento e di luce naturale per il sistema di controllo dell’illuminazione, garantendo così il posizionamento ideale dei sensori ed eliminando il rischio di eventuali problematiche dovute a un cablaggio errato in loco.
Infine, il sistema integra anche l’illuminazione di emergenza con l’utilizzo di unità di emergenza indirizzata che consentono test e reporting centralizzati. Il sistema è sospeso su cavi facilmente regolabili, con innesti nascosti nel portacavi sul retro dell’apparecchio e utilizza una funzione di accoppiamento magnetico per giunzioni e tappi terminali. Pur essendo un edificio molto funzionale, l’architettura degli interni è comunque sorprendente. Il progetto crea un nastro di luce visivamente continuo, mentre a luci spente i deflettori luminosi replicano lo schema dei deflettori acustici.
L’edificio può vantare anche altre soluzioni orientate alla sostenibilità ambientale, quali il recupero del calore generato dai server IT per produrre acqua calda, un impianto di cogenerazione, pannelli fotovoltaici, una copertura verde in sedum e un sistema di scarico delle acque nella rete urbana previa attenuazione con vasche di laminazione.
Le caratteristiche di sostenibilità ambientale sono state riconosciute sia attraverso la certificazione BREEAM di livello Outstanding sia in occasione dei Green Impact Awards 2020, con l’attribuzione di un Gold Award. Questo programma incoraggia le organizzazioni adottare strategie pratiche a sostegno dell’ambiente, quali la riduzione dei rifiuti, il riciclo dei materiali e la promozione di stili di vita sostenibili.
