Ombreggiamenti intelligenti e ventilative cooling: prospettive e applicabilità

Il tema degli ombreggiamenti intelligenti (relativo non solo all’energia, ma anche al comfort visivo) e il tema della ventilazione naturale o meccanica (che riguarda la qualità dell’aria interna, ma anche il ventilative cooling), è in grande evoluzione e promette sostanziali implicazioni.

In considerazione dell’aumento degli edifici efficienti di oggi (NZEB – Nearly Zero Energy Buildings) e carbon free di domani (ZCB – Zero Carbon Building) dove, grazie a involucri edilizi sempre più energeticamente performanti, una parte considerevole del fabbisogno energetico invernale può essere soddisfatta dagli apporti di calore gratuiti per la climatizzazione durante i mesi freddi. D’altra parte, questi apporti di calore gratuiti possono diventare svantaggiosi nella stagione estiva, in quanto l’elevato isolamento dell’involucro edilizio ne può contrastare la dissipazione verso l’esterno, innescando potenziali fenomeni di “overheating”.

Per questo si prevede che in futuro gli edifici ad alta efficienza energetica progettati senza considerare la potenziale mitigazione del cosiddetto “overheating” potrebbero essere a rischio di disagio estivo e di potenziale aumento dei costi (e relative emissioni dirette o indirette di CO2) per un sempre più ampio ricorso al condizionamento dell’aria estivo, specie laddove esso non sia alimentato con energia elettrica in larga misura proveniente da fonte rinnovabile.

In questo contesto, le schermature solari intelligenti (Intelligent Solar Shading) e il raffreddamento ventilativo (Ventilative Cooling) sono considerati, da diversi Governi UE ed esperti, due elementi chiave per migliorare ulteriormente l’efficienza energetica degli edifici esistenti e ottimizzare la progettazione a basso e bassissimo consumo energetico dei nuovi edifici.

Queste tecnologie sembrano ancora sottoutilizzate nonostante forniscano un notevole impatto sulla riduzione del consumo energetico dell’ambiente costruito e, per questo motivo, ci concentriamo nel presente articolo tecnico sulla valutazione dei vantaggi rappresentati dall’uso di schermature solari intelligenti e raffreddamento ventilativo al fine di sfruttare al meglio l’impatto energetico derivante a vantaggio della realizzazione di edifici ancora più efficienti dal punto di vista energetico e resilienti ai fenomeni dell’overheating, a prova di futuro.

Il nuovo concetto della gerarchia del raffreddamento

Ottimizzare il consumo energetico negli edifici sta diventando molto complesso e si teme che, in determinate condizioni, gli involucri edilizi statici possano favorire una esposizione al fenomeno dell’overheating, determinando un maggiore impiego dei sistemi ci condizionamento non solo in estate, ma anche in maniera molto abbondante nelle mezze stagioni (figura 1).

Questo sembrava un fenomeno tipico delle zone mediterranee, ma ci si sta rendendo conto che l’overheating ha ormai effetti indesiderati anche in centro e nord Europa. L’ambiente costruito moderno è costituito da una varietà di tipologie edilizie con requisiti prestazionali e di utenza molto esigenti e per questo motivo molti governi si stanno dotando di strumenti tecnici precisi, come ad esempio nel caso dell’Inghilterra, che ha varato il concetto della “Cooling hierarchy” espressa nel documento “London’s Response to Climate Change” [2] che si consolida come un elenco di priorità tese alla riduzione dell’impiego dell’aria condizionata limitando al contempo i fenomeni dell’Overheating.

La gerarchia di raffreddamento cerca di ridurre qualsiasi potenziale surriscaldamento e anche di ridurre il più possibile la necessità di raffreddare un edificio attraverso misure di raffreddamento attive (es. impiegando sistemi VRF, Chiller a servizio di UTA e FanCoil, ecc.), comunque assicurando che esse siano l’opzione a emissioni di carbonio minima possibile.

I sistemi di condizionamento dell’aria sono infatti considerati una forma di raffreddamento attivo ad alto consumo di risorse, poiché (se non alimentate da energia elettrica da fonte rinnovabile) possono determinare emissioni di anidride carbonica indiretta oltre che (se il calore di scarto non viene recuperato, con la loro tipica heat rejection in atmosfera) possono emettere anche grandi quantità di calore nell’area circostante, che nei contesti urbani può alimentare l’indesiderato effetto delle heat islads.

Incorporando la gerarchia del raffreddamento nel processo di progettazione, ci si aspetta che gli edifici siano meglio adatti per gestire le proprie esigenze di raffreddamento e per adattarsi ai cambiamenti climatici che sperimenteranno nel corso della loro vita.

Ombreggiatura solare intelligente e Smart Readiness Indicator negli edifici NZEB E ZEB

La schermatura solare intelligente è considerata una tecnologia essenziale, seppur al momento sottoutilizzata, in grado di ridurre significativamente il consumo energetico negli edifici, con grande vantaggio quando applicata anche a edifici ad alta efficienza energetica.

Regolando automaticamente l’angolo di ombreggiatura in base alla posizione del sole e dei fabbisogni interni, i sistemi di schermatura solare intelligenti possono impedire l’ingresso di radiazioni solari in eccesso all’interno di un edificio, migliorando il comfort in maniera naturale ed incidendo nella riduzione della necessità di attivare sistemi di raffreddamento e/o aria condizionata. Un importante aggiornamento della EPBD del 2018 (direttiva (UE) 2018/844) [3] non ha modificato né la definizione di NZEB né le disposizioni ad essa allegate.

Con la EPBD del 2018 una novità importante è stata l’introduzione di un indicatore di prontezza all’intelligenza dell’edificio: il cosiddetto Smart Readiness Indicator (SRI). Le soluzioni di schermatura solare intelligenti, con controllo predittivo e automatizzato, sono privilegiate dal “Livello di funzionalità” dell’SRI, raggiungendo il livello massimo 4 (il livello più alto disponibile). Al contrario se le schermature solari non sono automatizzate, oppure sono fisse o con comando manuale il loro “Livello di funzionalità” associato è 0 (zero).

L’uso di schermature solari automatizzate e predittive può portare a una sostanziale riduzione del consumo energetico e dei costi associati, oltre a diminuire l’impronta di carbonio di un edificio.

A questo proposito, la pubblicazione “Automated solar shading, a key solution to reach 2050’s decarbonisation goals for the European building stock” [5] edita dalla ES-SO (European Solar Shading Organization) ha affrontato una interessante stima relativa all’impatto che possono avere gli ombreggiamenti intelligenti nell’edilizia futura, arrivando a conclusioni estremamente interessanti.

La ES-SO (European Solar – Shading Organization) ha ipotizzato uno scenario business-as-usual (BAU) (relativo a nessun cambiamento nell’ampiezza d’impiego dei dispositivi di ombreggiamento intelligente tra il 2020 e il 2050) e uno scenario “preferito” (Preferred) che prevederebbe: ampio utilizzo di dispositivi di ombreggiamento intelligente, presupponendo che tutti gli edifici nel modello BAU entro il 2050 se dotati di Sistemi di Climatizzazione tradizionali (come a titolo esemplificativo e non esaustivo: Climatizzatori split, sistemi VRF, Chillers, Centrali trattamento aria e Fan Coils, ecc.) fossero dotati di schermatura solare dinamica e automatizzata, in tutti i casi in cui essa avesse un impatto sulla riduzione dell’energia di raffreddamento.

Lo studio ha espresso il concetto che nello scenario “BAU, Business As Usual” il 45% degli edifici europei avrà bisogno sostanziale di impianti di climatizzazione estiva nel 2050, contro solo il 28% in uno scenario “Preferito” in cui si considera un ampio utilizzo di schermature solari intelligenti ed automatizzate, secondo i criteri dello SRI.

Ventilazione naturale e meccanica per il raffreddamento negli edifici ad alta efficienza energetica

L’attuale sviluppo dell’efficienza energetica degli edifici verso edifici ad energia quasi zero rappresenta una serie di nuove sfide per la progettazione e la costruzione. Una delle nuove sfide più importanti è la crescente necessità di raffreddamento che emerge in questi edifici altamente isolati e a tenuta d’aria, che non è presente solo nel periodo estivo ma anche nelle stagioni intermedie e negli uffici anche in pieno inverno durante i periodi di occupazione a più alto tasso di frequentazione.

Per affrontare queste sfide di potenziale crescente necessità di raffreddamento degli edifici, molti progettisti si stanno concentrando sullo sviluppo di nuove interessanti soluzioni di raffreddamento ventilativo (o detto anche Ventilative Cooling), che consiste nell’utilizzare aria esterna, quando questa ha condizioni termoigrometriche convenienti, per raffreddare gli spazi interni all’edificio.

Il Ventilative Cooling è una risorsa molto importante e la sua copertura del fabbisogno di raffrescamento dipende dall’area geografica in cui è situato l’edificio: in Norvegia, ad esempio, si stima che gran parte del fabbisogno di raffrescamento possa essere coperto dal Ventilative Cooling, sia aumentando il flusso d’aria dal sistema di ventilazione meccanica sia applicando la ventilazione naturale.

Nei climi più caldi (ad esempio nelle aree mediterranee), la necessità di raffreddamento è elevata e le ore di alte temperature esterne (specie d’estate) sono molte; quindi, i sistemi di raffreddamento ventilativo e di ventilazione meccanica possono offrire un impatto non incisivo nel soddisfare le esigenze di raffreddamento, ma comunque possono diminuire l’impatto energetico dovuto all’impiego di dispositivi attivi di climatizzazione estiva.

Conclusioni

I dispositivi automatizzati e intelligenti di ombreggiamento degli edifici (anche detti Intelligent Solar Shading) rappresentano una tecnologia fondamentale per rendere il patrimonio edilizio europeo resistente ai cambiamenti climatici e al surriscaldamento. Possono arrivare a bloccare una parte rilevante delle rientrate di calore estive, le schermature solari automatizzate possono quindi ridurre significativamente la crescente necessità di climatizzazione estiva, che, in edilizia NZEB sta emergendo in maniera molto forte.

In tali edifici molto efficienti, l’uso dei climatizzatori non è più richiesto solo nel periodo estivo ma anche nelle stagioni intermedie e talvolta anche in pieno inverno, ad esempio, nei periodi di occupazione piena dell’edificio, specie nel caso di luoghi ad alto affollamento. In questo contesto, la schermatura solare automatizzata limita il consumo aggiuntivo di energia e le emissioni di gas serra associate per il raffreddamento degli ambienti.

In modo simile ma con logiche diverse, il Ventilative Cooling può offrire una fantastica opportunità di risparmio energetico, fornendo un primo gradino di raffreddamento degli spazi indoor qualora la temperatura dell’aria esterna abbia condizioni favorevoli rispetto alla temperatura dell’aria interna.

Per questi motivi, soluzioni come gli “ombreggiamenti intelligenti” e il “ventilative cooling” possono diventare nei prossimi decenni elementi essenziali per ottimizzare le prestazioni energetiche, garantendo un migliore comfort agli occupanti.