Riqualificazione di un edificio scolastico nel messinese, verso un'architettura mediterranea ad alta efficienza. Sintesi tesi

Riqualificazione di un edificio scolastico nel messinese, verso un'architettura mediterranea ad alta efficienza.
Stud. Vincenzo Panasiti, Nicolas Ombres.
Relatore: Prof. Arch. Gabriele Bellingeri
Corelatori: Prof.ssa Ing. Ginevra Salerno, Prof. Arch.Stefano Converso.

la versione integrale può essere liberamente scaricata qui

 

 
Tradizione e innovazione, tecnologia e tettonica delle forme, design energetico e strutturale, sono questi i binomi che abbiamo sintetizzato per dare forma a nostro progetto. Questo lavoro descriverà il progetto di riqualificazione architettonica ed energetica della scuola elementare Leonardo da Vinci, nel villaggio Altolia, Messina.

Attraverso la progettazione di un involucro, l’aggiunta di uno spazio comune e la riqualificazione energetica ed impiantistica, riqualifichiamo non solo un edificio di istruzione scolastica, ma un vero e proprio spazio della comunità, che va a risanare i vuoti creati da una perdita di identità delle zone rurali del nostro paese.

Al giorno d’oggi ci sono due grandi problemi che affligono l’edilizia italiana: il 70% degli edifici sono antecendenti a qualunque normativa sul risparmio energetico e il progressivo abbandono dei paesi. L’abbandono dei paesi, oltre a generare zone fantasma nel territorio nazionale contribuisce alla perdità delle identità locali e a tutte le variegate realtà culturali che da sempre sono state un carattere fondamentale del nostro paese. Inoltre via via la qualità della vità degli abitanti rurali diminuisce. Inoltre i vecchi edifici sono la causa maggiore delle emissioni di CO2. Le zone rurali come Altolia rappresentano un importantissimo giacimento culturale del territorio. Attraverso questo intervento intendiamo contribuire al mantenimento della popolazione rurale attiva in loco valorizzando le risorse endogene locali e aumentare l’attrattività degli ambiti rurali, attraverso la valorizzazione delle componenti culturali, architettoniche e paesaggistiche. La riqualificazione di questo patrimonio è importante sia per gli interessi storici, artistici e paesaggistici, ma anche come contributo al miglioramento della qualità delle condizioni di vita delle popolazioni rurali.

Il commissario dell’ENEA ha sottolineato di recente l’importanza delle riqualificazioni energetiche rispetto alla demolizione e ricostruzione, in concomitanza con la presentazione del rapporto del National Trust for Historic Preservation, dove a seguito di uno studio di diversi anni ha provato che la riqualificazione invece della demolizione comporterebbe un impatto ambientale minore del 49% con un 50% di occupazione in più. Abbiamo scelto di intervenire sulla scuola, poichè è uno dei punti principali di aggregazione del paese e di rappresentanza delle istituzioni. Durante l’alluvione del 2009 l’edificio è stato utilizzato come base operativa e punto di raccolta dalla protezione civile. Abbiamo voluto creare quindi uno spazio non solo di istruzione ma anche di identità del paese stesso.

Altolia, frazione collinare della I Circoscrizione del comune di Messina, posta a circa 16 km a Sud della città e a 5 km dalla Strada statale 114 Orientale Sicula, passante per Giampilieri Marina.

Il paese è situato al confine col comune di Scaletta Zanclea, sulle alte colline che sovrastano la vallata del torrente Giampilieri, tra agrumeti, vigneti e oliveti. Il suo nome è cambiato nei secoli: Actilia, Artilia, Artalia, Artelia, Lartilia, Artolia, per finire poi in Altolìa, che significherebbe "Luogo lontano dal mare".

Il nucleo più antico del villaggio sorge sul costone di una montagna che crea un ansa con l’omonimo torrente. L’intera zona fa parte di un sistema idrografico che copre gran parte della costa Ionica del messinese, caratterizzata da sistemi torrentizi che scendono sfociano verso il mare, plasmando l’orografia di tutto il fronte costiero. Il paese è composto principalmente da edifici di vecchia costruzione, in particolare tutta la parte sulla dorsale nord della montagna, che o è anche la migliore dal punto di vista idrogeologico e bioclimatico. La parte più moderna si è sviluppata lungo la provinciale, inglobando anche un piccolo insediamento a NW.

Negli anni 70 sono state realizzate dei caseggiati di edilizia popolare a valle della provinciale, vicino al greto del torrente. Purtroppo alcune di queste zone sono state devastate dall’alluvione del 2011 che ha colpito il messinese.

Le strade sono composte in larga parte da stretti vicoli pedonali. L’edificio scolastico costruito nei primi anni 50, sorge a ridosso del greto del fiume proprio a valle della strada provinciale.

L’edificio è di due piani con un giardino terrazzato che la circonda.  è composto da setti di muratura portante  ed è stato fino ai primi anni 80 scuola elementare e media, per poi diventare solo elementare (con la costruzione della scuola media vicino giampilieri. Alcuni anni fa è stato rimesso a norma l’impianto elettrico e gli accessi per i disabili. sono stati anche posizionati dei condizionatori split e sostituiti gli infissi.

L’edificio al suo stato attuale presenta diversi problemi. Primo tra tutti legati alla radiazione solare. L’edificio si trova sulla dorsale sud della montagna, con le aule a SE. il mancato isolamento e il cattivo orientamento, comporta un notevole dispendio di energia per tenere l’edificio in una situazione di comfort, che comunque non viene raggiunta. Inoltre lo spazio esterno è freddo in inverno e rovente d’estate, rendondolo di fatto inutilizzabile.

 

Gli edifici attualmente non sono solo la parte che produce più co2, ma è anche il settore dove la potenziale riduzione delle emissione è maggiore.

 

Negli edifici del passato possiamo riscoprire accorgimenti, che contribuivano a creare ambienti confortevoli per l’uomo, affinati nei secoli, adattandosi alle nostre latitudini. Il nostro intervento è stato pensato per funzionare bene nel clima mediterraneo, dove la difesa dal caldo è spesso più importante della difesa dal freddo. Alle nostre latitudini spendiamo molta più energia per raffrescare che per riscaldare. Una delle strategie più importanti è la protezione dalla radiazione solare, l’accumolo inerziale del calore e la sua dissipazione sfruttando le variazioni di temperatura giorno/notte. Ovviamente dovremo sempre tener conto del comportamento invernale dell’edificio. Soprattutto nel contesto dove andremo ad operare, poichè le temperature possono scendere sotto lo zero nei periodi invernali. Il bilanciamento di questi due comportamenti rende la progettazione in clima mediterraneo molto più difficile rispetto ai climi nordici. Nonostante la grandissima varietà dell’architettura del mediterraneo, tutti i modelli sono legati da una forte integrazione tra spazi chiusi e spazi semiaperti (corti, patii) in questo modo si creano dei luoghi riparati dal freddo durante i mesi freddi, ma anche dalla radiazione solare durante i mesi estivi. La progettazione di un buon microclima esterno è un passo importante per la realizzazione del benessere igrotermico. Ma come approcciarsi a un edificio già esistente, in cui per ragioni statiche non possiamo modificare aperture e bucature? Guardando l’architettura del paese, abbiamo capito che la soluzione migliore, fosse quella di un involucro, che protega l’edificio dalla radiazione solare diretta e contemporaneamente crei degli spazi di comunione all’esterno dell’edificio. Abbiamo avvolto quindi l’edificio in un involucro che riprende l’idea della vite che ricopre e protegge e richiama il muro a secco dei terrazzamenti che ripara.

Il processo progettuale del nostro intervento è basato su un’innovativa rete di piattaforme multidisciplinari attraverso l’uso di tecnologie digitali avanzate. Il rischio che si corre è quello di sviluppare modelli indipendenti relativi ai vari aspetti, che potrebbero contraddirsi a vicenda. Il primo passo è stato quello di creare un modello di sintesi condiviso, che ci permettesse di avere una base condivisa da cui poter estrapolare le informazioni necessarie. In questo il progetto ruota intorno a un modello parametrico: ossia un modello guidato dalle informazioni che vengono fornite dalle varie analisi (energertiche, strutturali, ecc.).

Per lo sviluppo di questo modello abbiamo optato per un software BIM (Building Information Modelling) dell’autodesk: Revit. La scelta è ricaduta su Revit sia per la notevole diffusione del prodotto (soprattutto all’estero) sia per aver già sperimentato una gestione multidisciplinare nel team MedInItaly durante la competizione Solar Decathlon Europe 2012 sempre utilizzando Revit.

L’utilizzo di un modello parametrico nel nostro progetto, fin dal prime fasi, ci ha permesso di lavorare parallelamente sul concept, curando contemporaneamente gli aspetti legati alla struttura e all’efficienza energetica.

Attraverso l’uso di un wireframe geometrico 3D, abbiamo rielaborato la procedura di scambio dati tra software di modellazione grafica (modello composto da triangolazioni mesh) e software ad elementi finiti. La geometria della copertura modellata all’interno di Vasari attraverso un software di visual scripting è stata esporta nel modello di montaggio e nel modello di calcolo strutturale. In questo modo siamo riusciti a capire come discretizzare e realizzare la superficie rigata della copertura. Effettuate le opportune modifiche sia geometriche che strutturali abbiamo analizzato di nuovo la geometria della copertura controllando che mantenesse le sue performance energetiche.

 

All’inizio del processo di progettazione abbiamo studiato le condizioni climatiche del sito.

 

Il nostro obiettivo è quello quindi di ridurre i carichi termici dell’edificio, favorire la ventilazione assicurandoci che le prestazioni invernali non siano compromesse. Abbiamo quindi valutato il comportamento del nostro edificio nel periodo invernale e nel periodo freddo, attraverso degli schemi qualitativi del comportamento, in seguito le analisi quantitative hanno dato la conferma necessaria ai nostri ragionamenti. Ovviamente questo non è stato un percorso unidirezionale, ma man mano che le analisi confermavano o smentivano le nostre supposizioni, tornavamo indietro rivalutando e cambiando le nostre scelte progettuali in base ai dati che ottenevamo.

Abbiamo progettato prestato particolare attenzione quindi all’isolamento termico, sfruttando l’inerzia termica delle pareti

Abbiamo progettato l’involucro sfruttando gli spostamenti d’aria e la ventilazione naturale.

Parallalemente abbiamo verificato i nostri ragionamenti con un software di fluidodinamica.

A livello di radiazione solare. Attraverso un software di visual script (Dynamo), abbiamo compilato un algoritmo iterativo, in grado di far variare l’orientamento della facciata e della copertura in base.

L’obiettivo quindi è quello di creare una schermatura che possa assorbire la maggior quantità possibile di radiazione solare diretta in modo da proteggere l’edificio. Per fare questo dobbiamo essere in grado di determinare la quantita di radiazione solare colpisce la nostra schermatura in ogni posizione e orientamento possibile e scegliere la migliore. Ovviamente anche riducendo il range di possibilità a quelle concesse dai vincoli strutturali, dell’intorno e architettonici le possibilità da vagliare sono troppe per poter essere valutate. Da qui l’idea di utilizzare un software che unisca il calcolo della radiazione solare incidente e la possibilità di gestire e far variare geometrie parametricamente. In poche parole guideremo il modello attraverso lo studio della radiazione solare. Inoltre vogliamo ottimizzare anche l’esposizione della copertura, in modo da poter ottenere il massimo guadagno energetico dai pannelli fotovoltaici che la ricoprono.

Abbiamo progettato l’impianto in modo tale da sfruttare l’inerzia delle pareti e sopratutto per codizionare i locali evitando cambi di temperatura imporvvisi e zone con aria troppo veloce, anche qui abbiamo verificato il tutto con un software di FD.

La qualità della luce è stato uno degli aspetti centrali del nostro progetto, esiste un vasto corpus di leggi in materia di illuminotecnica tuttavia questo approccio non prendeva però in considerazione la percezione. Rimanevano al di fuori delle regole quantitative dell'illuminazione le modalità in cui l'uomo percepisce chiaramente le strutture e l'illuminazione comunica anche un effetto non solo estetico, ma anche di comfort e benessere fisiologico dovuta alla qualità della luce. Come diceva Juhani Pallasmaa, "Persino l'occhio tocca".

Abbiamo studiato il comportamento della luce artificiale in base alla funzione degli spazi. Sostituendo i vecchi apparecchi con lampade a LED dimmerabili Il lavoro di M.R. Bradley Advanced Sensors and Controls for Building Applications: Market Assessment and Potential R&D mostra come attraverso la dimmerazione degli apparecchi luminosi è possibile risparmiare fino al 58% dell’energia per l’illuminazione all’interno di un aula scolastica. Inoltre potendo gradualmente dimmerare la quantità di luce artificiale non si creano situazioni di stress visivo, poichè l’occhio dei bambini può abituarsi gradualmente alle nuove condizioni visive.

Lo studio della radiazione solare inoltre ha comportato a un’accurata progettazione degli elementi di ombreggiamento, che corrispondono a una parte molte importante del nostro intervento. Come abbiamo visto la facciata basandosi su modelli architettonici locali si comporta in modo eccellente, favorendo l’ingresso della luce diffusa è bloccando la radiazione diretta. Particolare attenzione è stata rivolta soprattuto agli spazi esterni, dove il nostro intervento si propone di creare spazi di mediazione tra l’esterno e l’interno, comfortevoli sia in estate che in inverno.

 

Per prima cosa abbiamo dimensionato la profondita dell’involucro in modo tale da permettere alla radiazione diretta di passare nei mesi più freddi, ma bloccandola nei periodi caldi. Quindi l’importante è capire che la luce più confortevole energeticamente arriva dal cielo, non dal sole. Anche in questo caso, non dobbiamo cadere nell’errore tipico di questo tipo di progettazione, dove si cerca di ottenere una luce il più uniforme possibile, abbandonando tutto lo spessore architettonico che essa da all’edificio. Abbiamo cercato di creare un equilibrio tra luce diffusa e luce diretta può creare una situazione energeticamente confortevole e al tempo stesso non sacrificare il carattere dell’edificio. Nella maggior parte del tempo avremo differenti scenari misti di luce naturale e luce artificiale. La luce naturale è dimmerata automaticamente dalle condizioni meteorologiche e dalla posizione del sole, la luce artificiale è stata progettata in modo tale da essere dimmerata dagli utenti. A questo punto risulta essenziale simulare il comportamento misto, per poter avere sia una stima dei consumi, sia prevedere è verificare che tipo di ambiente abbiamo progettato. Per eseguire queste analisi abbiamo sfruttato appieno il modello di Revit, il quale come abbiamo già detto, coniuga le caratteristiche del modello architettonico al modello illuminotecnico. Da questo abbiamo potuto eseguire le analisi miste, dimmerando la luce artificiale secondo le nostre esigenze.

Oppure per scenari straordinari come in caso di emergenza.

La struttura di copertura una struttura in legno, scelta questa che ben si sposa con la finalità del progetto di inserirsi perfettamente in un ambito fortemente sismico. Infatti per sollecitazioni parallele alla fibratura, il materiale legno presenta una ottima efficienza strutturale, se paragonato ad altri materiali da costruzione. La struttura è stata progetta seguendo la normativa e l’eurocodice ai carichi verticali e orrizzontali. Dato che il paese si trova in zona sismica 1 (la più alta in Italia). La struttura è stata pensata come un sistema di portali incastrati. Abbiamo inoltre progettato i 3 nodi più significativi poichè era necessario assicurarsi che i nodi lavorassero effetivamente a incastro.

La facciata, basato sul progetto dragonfly di Buro Happold, La facciata viene concepita come un’insieme di laminati in alluminio, (4 tipologie in tutto), collegati gli uni agli altri tramite rivetti, in numero di 4 per ogni facciata del singolo elemento ed in misura di almeno tre facce per cella singola.

La facciata è stata verificata alla deformazione tensionale e agli sforzi di taglio, momento e tensione assiale attraverso l’importazione di un wireframe dal modello condiviso, in base alla normativa italiana.

Tuttavia per poter avere un riscontro effettivo delle scelte progettuali abbiamo pensato che fosse necessario un monitoraggio in tempo reale dei consumi energetici dell’edificio e delle condizioni bioclimatiche. Usman Haque direttore dell’Haque + Research, ha sviluppato una piattaforma di condivisione dati chiamata Pachube (ora Xively).

Pachube permette di inviare dati rilevati da sensori in tutto il mondo, dopo il terremoto in GIappone del 2011 Pachube è stato utilizzato dai volontari per collegare tutti i contatori Geiger dell’area di Fukoshima per studiare la ricaduta radiottiva. Basandoci anche sul progetto del ministero dell’ambiente “il sole a scuola” un’iniziativa per la diffusione della conoscenza dell’uso sostenibile dell’energia e dell’impiego delle fonti rinnovabili rivolta alla scuola secondaria superiore. Una maggiore consapevolezza sulle diverse fonti di produzione di energia e sulle conseguenze sull’ambiente del loro utilizzo da parte dei cittadini, costruita fin dai tempi della scuola, può infatti contribuire al conseguimento degli impegni assunti dal Paese a livello nazionale e internazionale sulle riduzioni delle emissioni dei gas serra e sulle altre sfide ambientali.

Abbiamo deciso di attrezzare il nostro edificio con una rete di sensori gestiti attraverso Arduino. Arduino è un framework open source che permette la prototipazione rapida e l'apprendimento veloce dei principi fondamentali dell'elettronica e della programmazione. Tramite Arduino possiamo acquisire i dati dell’edificio rilevati dai sensori ambientali e potenziometri. I sensori ambientali rilevano la temperatura degli ambienti interni e dell’esterno dell’edificio. I sensori potenziometri invece rilevano distintamente i consumi elettrici dell’illuminazione e dell’impianto, inoltre monitorando la produzione dell’impianto fotovoltaico e i consumi dalla rete elettrica.

Oltre i dati rilevati dalla sensoristica, andrando aggiunti anche i dati relativi all’edificio. I dati raccolti dalla sensoristica ambientale vengono inviati a un database online che attraverso un portale web fornirà un resoconto dettagliato di tutti i parametri monitorati. I dati potranno essere visualizzati da un “Energy Manager” che potrà valutarli e prendere decisioni su base di un flusso di dati reale. Qualora, come nel nostro caso non sia possibile, ne utile, una figura di “Energy Manager” gli stessi utenti della scuola potranno visualizzare molto facilmente questi dati e capire in modo semplice come attraverso piccole accortezze, come ridurre facilmente i consumi.

Attraverso la condivisione di questi dati, confrontati con un censimento degli interventi di riqulificazione effettuati, gli enti statali e locali possono avere un efficace strumento di controllo e verifica degli interventi da effettuare. I progettisti invece possono verificare attraverso l’uso di dati reali l’effittiva efficacia delle strategie progettuali ed energetiche utilizzate nell’ edificio. In questo modo si crea un knowhow della progettazione energetica nelle varie zone del paese.

- DATI DELL’EDIFICIO

- DESCRIZIONE DI EVENTUALI INTERVENTI DI RIQUALIFICAZIONE

- MONITORAGGIO DEI DATI E DEI CONSUMI REALI DELL’EDIFICIO

Attraverso un monitoraggio di tutto il territorio nazionale, risulterebbe più semplice stabilire i criteri di priorità per gli interventi di riqualificazione energetica delle scuole italiane.

Un sistema di monitoraggio e attuazione completamente automatizzato presenta numerosi svantaggi oltre che costi di realizzazzione e gestione molto elevati. Riservando il monitoraggio al sistema di sensori gestito da Arduino, le scelte attuative sono lasciate all’utente. Il quale attraverso i dati dell’ambiente ha la totale libertà di prendere scelte (come aprire le finestre, spegnere le luci o spegnere l’impianto) in completa libertà ma con un immediato riscontro degli effetti prodotti. In questo modo, si educa l’utente a prendere le scelte più vantaggiose lasciandogli tuttavia la totale libertà di scelta, in modo da non trovarsi mai “bypassato” dal sistema, nel momento in cui si presenta uno scenario particolare. Inoltre la gracifizzazione di concetti come il consumo e la produzione di energia, che altrimenti rischierebbero di essere solo concetti astratti, permette al bambino di sviluppare una coscienza della sensibilità sin da subito, rendendo azioni come spegnere le luci o chiudere il rubinetto dell’acqua, quasi naturali.

Si ringrazia l’architetto Cesare Augusto, per l’aiuto con la documentazione catastale e le planimetrie della scuola, il ragioniere Giuseppe Micali per la logistica e i referenti in loco, la guardia forestale della provincia di Messina per la cartografia e la documentazione aerea e infine ma non per importanza, tutta la comunità di Altolia per la disponibilità, i consigli e l’entusiasmo verso questo lavoro.