Come abbiamo visto nell'ultimo post dedicato alle simulazioni fatte con Ecotect (src="/it/node/552), i consumi energetici legati alla climatizzazione, e in particolare al raffrescamento, sono aumentati moltissimo da quando abbiamo modificato il progetto, mettendo un lucernario in sostituzione alla finestra a nastro a nord.

Stiamo cercando di capire come si distribuiscono le cause di questo aumento così importante, e lo stiamo facendo per gradi, modificando un parametro alla volta, per vedere quanto incide sul totale.

Nel post precedente avevamo cambiato la geometria del modello e l'orientamento, che è ruotato di 8° da nord verso ovest. Adesso abbiamo, nell'ordine:

- aggiornato i materiali per quanto riguarda le parti opache dell'involucro, inserendo le stratigrafie più aggiornate

- provato a schermare il lucernario a nord, prima con una tenda trasparente, poi con una opaca

- sostituito il lucernario vetrato con un solaio pieno, che ha le stesse caratteristiche di quello sul resto della copertura

Ne vengono fuori le seguenti tabelle, che sono l'espressione dei carichi necessari per climatizzare la casa, posto che si voglia mantenere una temperatura interna che va dai 20 ai 25 gradi.

La prima tabella contiene i valori di carico del modello analizzato prima delle modifiche al progetto:

poi vediamo cosa è successo cambiando la geometria; le righe evidenziate con il colore ci mostrano l'incremento/decremento dei valori rispetto al caso precedente, cosa che ci è utile per capire qual'è il peso di ogni modifica:

in seguito abbiamo inserito i nuovi materiali; si aggiunge anche un'ulteriore riga accanto a quelle evidenziate, che rappresenta l'incremento rispetto al modello del 6 giugno scorso, quindi quello al "livello zero":

Come possiamo vedere, sia i consumi totali che i valori di picco diminuiscono con il miglioramento delle prestazioni dell'involucro, ma in maniera non particolarmente incisiva. C'è da sottolineare che però il materiale delle parti di involucro trasparente, e dunque le caratteristiche del vetro di lucernario e finestre, non è stato modificato da un modello all'altro, e che quindi c'è ancora margine di miglioramento puntando su quello.

Questo ci porta alle ipotesi spiegate qui di seguito. Abbiamo provato inizialmente a schermare il lucernario con un tenda non completamente opaca, posta a 10cm di distanza dal vetro. Ecco la tabella:

Purtroppo anche quest'espediente non porta risultati soddisfacenti. I carichi diminuiscono, ma la differenza con il vecchio modello è ancora immensa. Guardiamo ad esempio l'incremento dei carichi da raffrescamento totali, che sfiora il 200%.

Ecco invece qual'è la situazione utilizzando una schermatura opaca:

Anche qui scendiamo leggermente, ma il problema non si risolve. Questo è spiazzante, dal momento che, visti i risultati ottenuti inizialmente dopo il cambio di geometria, sembrava evidente che l'influenza maggiore fosse dovuta all'inserimento di questo lucernario, e all'irraggiamento molto maggiore conseguente.

Eppure, anche schermando l'irraggiamento, la situazione non migliora in maniera significativa. Per capire quanto allora la trasmittanza del vetro incidesse, abbiamo sostituito il lucernario con una copertura opaca:

Il cambiamento questa volta ci da delle informazioni interessanti. Possiamo notare che c'è un decremento notevole dei consumi sostituendo il lucernario vetrato con un normale solaio opaco.

Da qui si può ricavare che l'aver messo il lucernario incide sull'aumento dei carichi per più del 60%, non tanto per un problema di irraggiamento, ma in generale per la somma di tutti i fattori che differenziano un vetro da un pacchetto di solaio. Probabilmente controllando bene la trasmittanza del vetro si può scendere ancora.

Comunque sia, se il lucernario incide solo per il 60%, evidentemente c'è qualcos'altro che ha un impatto importante sul comportamento dell'edificio. Per cercare di capire cos'è sono andata a calcolare il "Passive Gains Breakdown", che stabilisce, in un dato periodo di tempo, come in percentuale si distribuiscono i guadagni e le perdite fra conduzione, ventilazione, carichi interni e irraggiamento.

Qui di seguito possiamo vedere due grafici, uno su tutto l'anno e uno sul mese di luglio, che è quello con i consumi più elevati.

concentrandoci sul mese di luglio, possiamo vedere che l'impatto maggiore sui carichi ce l'hanno i charichi interni, col 47,2% dei guadagni termici, anche se anche l'irraggiamento influisce, con il 34,9%. La conduzione attraverso l'involucro è abbastanza ininfluente, rappresenta il 5,7% dei guadagni e il 9.5% delle perdite.

Vediamo come cambiano le proporzioni reimpostando il vetro sul lucernario:

Anche solo a colpo d'occhio si può notare come salga di importanza il contributo dell'irraggiamento diretto, nel caso -reale- in cui ci sia il lucernario vetrato a nord. In questo caso l'irraggiamento vale il 61,5% dei guadagni, mentre i carichi interni scendono a 26,5%.

Ciò che va in controtendenza con quanto detto prima è che il contributo legato alla conduzione rimane quasi del tutto invariato.

Naturalmente Ecotect tiene conto del contributo della luce solare diretta anche sui materiali opachi, e non solo su quelli trasparenti.

A questo punto, il tentativo successivo sarà quello di eliminare l'apertura sul tetto fotovoltaico che dà luce alla loggia e alla camera da letto, per vedere cosa succede. In un post di qualche tempo fa avevamo già evidenziato come quell'apertura fosse di fatto dannosa, facendo entrare luce diretta in estate e non in inverno. Lo avavamo spostato, ma forse bisogna capire se levandolo succede qualcosa.

Perspectiva seccionada - 21 Junio - 16:00h
Vista de la zona de estar hacia la cocina, entrada y patio.
 

Cinque punti verso una nuova architettura |  1 - Passiva

L’intero progetto si basa sul contrasto tra costruzione low-tech e hi-tech.
La parte low-tech è basata su pareti costituite da un telaio di  legno riempito con materiali locali pesanti. Le pareti fungono da volani termici sia in inverno sia in estate.  L'alta tecnologia si suddivide in una parte esterna ed una interna: la parte interna è il nucleo della casa che ospita la cucina, il bagno e la zona tecnica, la parte esterna è l’involucro fotovoltaico che protegge la superficie del tetto e le facciate est e ovest, e ombreggia la facciata sud.

Estate giorno: la posizione del tetto fotovoltaico aiuta ad ombreggiare le superfici vetrate
 

Il progetto Med in Italy si basa su un attento studio dell’involucro, ponendo attenzione alla rimozione dei ponti termici e alla massimizzazione del rendimento passivo.
Sono state effettuate una serie di ipotesi su possibili involucri opachi e trasparenti, successivamente le prestazioni delle varie soluzioni sono state studiate in camera climatica; questo test ha permesso di valutare i livelli di performance delle diverse combinazioni degli strati.
Particolare attenzione in fase progettuale è stata rivolta al tema della massa.

Estate giorno: la massa muraria, scaldata durante il giorno, assorbe i carichi termici interni

Uno degli aspetti più innovativi del progetto Med in Italia è quello di concepire una costruzione prefabbricata in legno come un sistema a “massa variabile”.
La casa lavorerà come se venisse costruita con materiali tradizionali pesanti, con l’aggiunta di uno strato continuo di rivestimento isolante.
L’utilizzo di una struttura in legno apporta vantaggi quali la leggerezza, la facilità di trasporto e il montaggio.
Una volta completato l’assemblaggio del telaio in legno, viene aggiunta all’interno delle pareti opache un’intercapedine riempita di materiali pesanti presenti localmente (in base alla posizione della casa si potrebbe trattare di sabbia, terra, detriti recuperati, e così via).

Estate notte: il sistema di raffrescamento notturno della massa muraria mediante ventilazione naturale

L'orientamento è di fondamentale importanza per il comportamento energetico degli edifici.
Poiché nei paesi a clima temperato l’orientamento dell’asse maggiore della casa lungo la direzione nord-sud risulta essere sfavorevole, si è deciso di orientare la casa con i fronti più ampi in direzione Sud e Nord, quindi con l'asse maggiore in direzione est-ovest.
Nei climi mediterranei infatti, il lato occidentale deve essere ridotto al massimo, altrimenti diviene inevitabile il suo surriscaldamento. Ovviamente tutte le zone giorno si aprono sul fronte sud, dove la radiazione solare, anche se più intensa, è facilmente controllabile attraverso la morfologia dell'edificio.

Inverno giorno

Il controllo del comfort interno deriva dalle soluzioni tipologiche e morfologiche della tradizione mediterranea adottate per gestire in maniera “passiva” la temperatura dell’interno e delle aree intermedie, cortile o patio.
Il clima mediterraneo implica complicazioni a livello di efficienza energetica a causa della necessità di combinare il raffrescamento estivo con il riscaldamento invernale. Questo dualismo comporta l’esigenza di un cambiamento di configurazione e la necessità di adattare l'edificio a varie sollecitazioni esterne dinamiche.

Inverno Giorno

Per questo motivo l’involucro è stato concepito per:
- lavorare come ammortizzatore climatico per ridurre la perdita di energia;
- guadagnare energia attraverso gli impianti fotovoltaici;
- essere in grado di adattarsi alle differenti condizioni climatiche stagionali e giornaliere.

Grazie a questo comportamento, l’involucro funziona come un organismo vivo, prevalentemente organizzato in due strati:
- uno strato interno, dotato di massa inerziale a diretto contatto con l'area interna, funziona come volano termico sia in inverno sia in estate.
- uno strato esterno isolante che avvolge l'intero edificio, ne consente l'isolamento dal freddo invernale e dall'irraggiamento estivo.

Durante le notti estive una ventilazione incrociata raffredda la massa portando fuori il calore della casa accumulato durante il giorno, così da evitare che questo venga rilasciato all'interno durante le ore notturne, come accade in inverno.

Inverno Notte

Lo spazio esterno è pensato come parte integrante della casa e compie una precisa funzione bioclimatica: il naturale effetto del buffer-zone è quello di mediare la temperatura tra interno ed esterno, riducendo fortemente i problemi psicometrici dell'involucro edilizio.
Il patio lavora come una superficie permeabile all'acqua, mediante opportuni strati drenanti questa viene raccolta e riutilizzata all’interno della casa.
Le aree esterne grazie alla vegetazione, all'acqua, allo sfruttamento del vento sono in grado di creare zone di microclima temperato, confortevoli in primavera, estate e autunno.
In linea con la tradizione mediterranea gli spazi esterni e le superfici trasparenti sono ombreggiate da un tetto aggettante e da elementi tessili in grado di riflettere parte della radiazione solare e proiettare un'ombra efficace.

I brise-soleil in vimini della parete sud sono le uniche componenti mobili del sistema di ombreggiamento, assicurano protezione notturna e ombreggiamento nelle giornate estive.
Il progetto è stato sviluppato tenendo ben presente l’importanza dell’illuminazione naturale.
L’ampia vetrata della facciata sud e le aperture ridotte dei fronti nord e ovest assicurano un buon livello di illuminazione naturale e un corretto equilibrio dei valori di luminanza.
Cucina e bagno sono illuminati da lucernari.
La facciata sud è protetta dalle radiazioni solari da un aggetto e dalla struttura perimetrale in rattan; le finestre sono dotate di un sistema di ombreggiamento, che può essere gestito manualmente dagli abitanti o automaticamente da un sistema di controllo centrale.
L'integrazione tra la luce naturale e illuminazione elettrica è pensata per minimizzare i consumi energetici e ottimizzare il comfort visivo.

Cinque punti per una nuova architettura | 2 - Attiva

La competizione prevede prove specifiche con margini estremamente stretti : la temperatura deve essere sempre di 24 °C con una oscillazione massima di un grado.  Per raggiungere questi standard è necessario avere un’impiantistica estremamente affidabile, ma anche di dimensioni ridotte poiché deve essere contenuta nel box tridimensionale posto al centro della casa.

Per ottenere risultati ottimali e abbattere i consumi, è di primaria importanza che il sistema passivo dell’edificio (involucro, vetrate e dispositivi di ombreggiamento) lavori al meglio al fine di ridurre al minimo l’utilizzo di sistemi “attivi”.
E’ indispensabile, quindi, ricorrere a una logica di controllo che sia in grado di gestire la complessità delle interazioni energetiche tra interno ed esterno, sia in modo automatico sia lasciando l’utente libero di gestire i dispositivi. Il progetto punta a realizzare un sistema di impianto e un sistema di controllo che sia  sinergico al massimo con la casa e i suoi utenti.
Nonostante un eccellente funzionamento del sistema passivo, che permette di avere un ottimo controllo sui livelli di temperatura e umidità nel corso dell’anno, è necessaria tuttavia una buona quantità di energia che alimenti gli elettrodomestici. L’energia solare necessaria sarà prodotta da pannelli fotovoltaici. Nel progetto si stanno valutando differenti soluzioni affinché i pannelli fotovoltaici si integrino al meglio con l’architettura dell’edificio.

Five points towards a new architecture | 4 - Eco-conscious

To conceive a sustainable house means for sure to minimize energy needs for reaching comfort conditions, and build a system of production of alternative energy able to feed entirely those needs.
But this is not enough.
The Medinitaly project takes into account the global quantity of primary energy embodied in all materials, components and processes included in manufacturing, transportation and erection of the building. According to this information, during the design process alternatives are evaluated with the aim of reaching the highest level of global sustainability of the construction.

A special attention has been paied to sustainability of the house materials, mostly renewable, such as wood (constructive and structural system) and rattan (shadowing, façade finishing and fence walls). The windows glasses derive from recycled glass.

Light wooden frames will become heavy massive walls thanks to the possibility to fill them up with local heavy materials, such as sand, ground, gravel and so on. This permits to save sand or gravel because they don’t mixed with other materials and could so be reused in case of disassembly. Fur¬thermore, not for the contests’ weeks it will be possible to employ also debris, helping to decrease rubble dump.
The PV panels lean on an aluminum structure. They are CIS panels. “CIS” technology, denoting key ingredients copper, indium and selenium (together with gallium and sulfur), has the best potential to set the world’s most enduring standard for solar energy. CIS modules require fewer manufactu-ring steps, less materials, and contain no cadmium and no lead. CIS modules require less energy to produce — 60% less than the current industry standard crystalline silicon, with an Energy Payback Time under one year. CIS cells are typically 100 times thinner than crystalline cells, requiring less na¬tural resources. The manufacturing process for a complete module involves significantly fewer steps, with the entire process happening under one roof — from raw materials to finished product.
We are now evaluating the possibility to substitute the low density insulating material in the exterior walls with cellulose coming from recycled paper. Cellulose can be easily inflated and guarantees similar performance in terms of transmittance.
 

Five points towards a new architecture | 5 - Dense

Med in Italy is a unit of a dense residential complex, suitable for the shores of the Mediterranean Sea construction thanks to its bioclimatic, typological and formal characteristics. For the purposes of the Solar Decathlon Europe Competition, this module is designed to be able to operate as an autonomous housing unit, however, it is believed that this solution is not the best one, since in sharp contrast with the objective of land preserving from a widespread human settlement, which causes pollution, landscape wreck and difficulty in providing joints services to settled communities.

Med in Italy is therefore a cell of a larger and denser housing complex, which involves the construction of minimum expandable housing units, built around a compact kitchen-bath blocks, designed to accommodate various types of users. The horizontal aggregation of the modules gives rise to urban areas able to meet different types of housing demand, with a housing typology from 2 to 6 people. The horizontal aggregation of the modules gives rise to urban areas able to meet different types of housing demand, with a housing typology from 2 to 6 people. These built up areas can also be considered as holiday homes, for an ecological tourism, focusing on the respect for the environment and its exploitation, in a very attractive tourist context.

The aggregation of modules also in a vertical way, allows the planning of two or three floor buildings, they too intended as housing, tourist accommodation, or moreover as hotel offer.
In the latter case the aggregative flexibility involves also the interior, changing the central kitchen bathroom block of the module, which is replaced by a bath-bath block serving two bedrooms.
The internal flexibility besides module aggregation, also concerns a different system configuration of furnishings: in fact assuming the aggregation of housing units with a single block kitchen serving several bedrooms and by simplifying the furnishing system, it can give rise to “accommodation of first asylum”, to meet the demand of hospitality for political refugees, immigrants and refugees, more and more increasing and pressing on the North Mediterranean shores. This latter internal configuration also allows to imagine these houses as “emergency shelters” to be quickly implemented to support communities stricken by natural disasters in particular earthquakes, the Italian peninsula and many parts of the Mediterranean are unfortunately subject to.

Descárgate en este enlace el libro "Solar Decathlon Europe 2010: Towards Energy Efficient Buildings".