Protecta - Med in Italy: alta efficienza energetica - May 2012

Un team di docenti e studenti delle Università Roma Tre, Sapienza e Bolzano, supportato da un 

pool di aziende e pubbliche istituzioni, sta costruendo un prototipo di casa mediterranea sostenibile  in  grado  di  fronteggiare  il  riscaldamento  globale, offrendo avanzati livelli di comfort, secondo quanto richiesto dalla competizione internazionale «Solar Decathlon»

 

Uno dei più importanti investimenti economici della vita di una persona è la costruzione della propria casa. Tuttavia, quasi in tutto il mondo, le abitazioni sono costruite più o meno nello stesso modo in cui erano costruite almeno 50 anni fa. Ciò significa che il grande investimento effettuato, che dovrà ospitare e contribuire a migliorare la nostra vita per almeno i successivi 20, 30 o 40 anni, è concepito per i bisogni attuali, facendo riferimento ad un’obsoleta implicita concezione che il futuro sia solo una ripetizione del presente. Invece, poiché gli edifici  sono  responsabili  per più della metà del totale delle emissioni di gas serra e del consumo globale di energia, è ormai impellente che la nostra società aggiorni la concezione e la teorizzazione delle pratiche architettoniche verso progetti responsabili di un nuovo rapporto tra natura ed esseri umani.

 

Nuovi modelli abitativi per nuove esigenze

 

Una delle principali differenze con il passato è, per esempio, l’innalzamento delle temperature a causa dell’effetto serra, che sta comportando un sempre più diffuso bisogno di raffrescamento estivo all’interno degli edifici. Ciò richiederà molta più energia di quanta non ne sia stata finora necessaria per riscaldarli. Infatti, abbassare di 1°C la temperatura richiede tre volte l’energia necessaria a innalzarla dello stesso valore. È quindi necessario studiare nuovi modelli di abitazioni, che possano difendersi anche dal caldo. Un possibile approccio è quello di recuperare la tradizione costruttiva del passato, da combinare con le attuali moderne tecnologie per garantire i livelli di comfort abitativo ai quali siamo ormai abituati. Fino agli inizi del XX secolo, all’avvento dell’impiantistica diffusa, l’architettura, tanto nei suoi aspetti tecnologici quanto in quelli morfologici, era stata condizionata dalle specificità climatiche dei luoghi in cui si realizzava. Successivamente è prevalsa la convinzione che gli edifici potessero invece essere costruiti con identiche caratteristiche per qualsiasi condizione climatica, poiché gli impianti assolvevano al compito di realizzare  le  condizioni di benessere  interno.  È  vero infatti che gli impianti tecnici, grazie all’alto livello di sofisticazione raggiunto, rendono possibili soddisfacenti condizioni di comfort degli ambienti coni nati, a fronte però dell’impiego di grandi quantità di energia. Tale situazione sarebbe quindi compatibile solo in presenza di una disponibilità praticamente inesauribile di risorse energetiche a basso costo e tali da non provocare danni all’ambiente.

In assenza di tale disponibilità è quindi doveroso operare un ripensamento per correlare i caratteri tipologici e tecnologici degli edifici con le caratteristiche climatiche del sito, al fine  di  garantire  un  idoneo  comportamento passivo, e al contempo prevedere il ricorso a fonti energetiche rinnovabili, che assolvano al fabbisogno energetico necessario a garantire i livelli di comfort contemporanei.

 

«Solar Decathlon» Europe 2012

 

Su queste premesse si fonda il progetto «Med in Italy», una casa mediterranea sostenibile in competizione  a  «Solar  Decathlon»  Europe 2012, un concorso al quale si partecipa non solo progettando ma anche costruendo abitazioni altamente avanzate ed autosufficienti, grazie in particolare all’energia solare.

La  competizione  Solar  Decathlon,  promossa dal Dipartimento di Energia del Governo degli Stati Uniti, ha inizio nel 2002 a Washington DC e nel 2010 si è trasferita anche in Europa, a Madrid, con il nome di Solar Decathlon Europe. Nel corso di ogni edizione, che ha alternanza biennale, 20 università di tutto il mondo si confrontano nella costruzione di una casa alimentata da energia solare e dotata di tecnologie atte a rendere almeno nullo il bilancio energetico tra produzione e consumi. Le case vengono sottoposte a dieci prove che mirano a testarne: la qualità architettonica, le soluzioni costruttive, l’efficienza energetica, il bilancio energetico, il comfort interno, il funzionamento domestico, la comunicazione dei principi sostenibili che sono alla base del progetto e della competizione, l’industrializzazione e la rispondenza alle richieste del mercato, l’innovazione e la sostenibilità. Pertanto, per fornire adeguata risposta a così diverse sollecitazioni, le università partecipano con team multidisciplinari e il supporto economico e tecnico delle aziende, occasione anche di scambio scientifico avanzato.

Le Facoltà di Architettura, Economia ed Ingegneria dell’Università di Roma Tre e il Laboratorio di Disegno industriale della «Sapienza» Università di Roma con la consulenza energetica della Libera Università di Bolzano e del Fraunhofer Italia hanno creato il primo partenariato italiano ammesso a partecipare a questa competizione.

 

Il progetto e gli obiettivi

 

Il prototipo italiano prende quale riferimento progettuale il clima caldo temperato della penisola italiana, in cui gli edifici hanno necessità di riscaldamento nel periodo invernale, ma anche esigenze, spesso importanti, di raffrescamento estivo.

Il progetto è concepito per raggiungere una drastica riduzione dei consumi durante tutto l’anno attraverso:

• la presenza di una massa che consente una buona inerzia termica;

• l’uso di un involucro isolato, con ponti termici minimizzati e con buona tenuta all’aria;

• l’uso di materiali naturali, quali: strutture in legno, isolanti in cellulosa e lana di legno, rivestimenti esterni e brise soleil in vimini, inerti sfusi e quindi riutilizzabili, manto di impermeabilizzazione di origine vegetale;

• l’impiego di dispositivi di climatizzazione ad elevata efficienza con pompa di calore reversibile;

• l’impiego di sistemi di  free-cooling  per il raggiungimento del comfort estivo;

• l’impiego di sistemi di ventilazione meccanica controllata con recupero di calore;

• la riduzione delle perdite di carico grazie all’ottimizzazione dello sviluppo delle canalizzazioni.

Partendo dalla tradizione mediterranea è stato realizzato un involucro che: grazie alla massa e all’isolamento termico, funzionerà come ammortizzatore climatico per ridurre la dispersione di energia; grazie alla presenza di logge, sarà abitabile, mitigando il calore esterno; grazie alla copertura ombreggiante in fotovoltaico, favorirà il guadagno energetico; grazie alla movimentazione di schermi frangisole controllati da un sistema domotico, sarà in grado di modificare il suo assetto per adattarsi alle sollecitazioni climatiche stagionali e giornaliere.

 

L’involucro e il funzionamento passivo

 

Il trattamento degli esterni è il più visibile richiamo alla tradizione mediterranea, con un patio e due logge, che lavorano come filtro tra  interno ed esterno realizzando buffer zone in grado di mediare l’apporto di calore all’interno durante la stagione estiva. Dalla tradizione si desume che in clima temperato si raggiungono migliori risultati prestazionali con involucri «pesanti». Ma i vincoli del concorso, imponendo rapidità di assemblaggio e smontaggio, spingono al contrario verso elementi leggeri e prefabbricati. Pertanto, per ricreare il funzionamento massivo delle pareti murarie del passato, la struttura in legno (sponsor Rubner Haus) è stata conformata in modo da funzionare come «contenitore» per la massa inerziale, costituita da inerti sciolti, per garantire la reversibilità e permettere il dis-assemblaggio a fine competizione, quali sabbia, ghiaia o terra, da reperirsi, possibilmente, nel luogo di costruzione.  In  concorso  la  parete  verrà  riempita con sabbia sfusa contenuta in elementi tubolari cilindrici, che permetterà, sommando il  peso  di  uno  strato  di  10  cm  di  inerti  a  quello del resto dei componenti della stratigrafia dell’involucro (struttura, isolanti, finiture interne ed esterne), di ottenere una parete da 230 kg/m2, comparabile al peso di una costruzione in muratura. La massa, a diretto contatto con l’ambiente interno, consente di accumulare calore durante il giorno, funzionando come volano termico sia d’inverno che d’estate.
All’esterno un forte spessore isolante protegge l’edificio dal freddo invernale, eliminando i ponti termici, e dal calore estivo. Anche nei climi caldi, infatti, la realizzazione di un’efficiente  barriera  di  isolamento  è  il  migliore sistema da utilizzare per garantire l’efficienza dell’involucro. Infine, grandi vetrate a doppia camera, esposte a sud, permettono l’accumulo termico invernale, mentre attraverso l’ombreggiamento fotovoltaico e la presenza di brise soleil viene impedito l’ingresso della radiazione solare in estate.

 

Fonti rinnovabili di energia

 

La copertura è costituita da due diversi livelli. Il primo, di chiusura orizzontale dell’edificio, è un  cool roof realizzato con una membrana impermeabile bianca di origine vegetale (sponsor Derbigum). Il secondo è una grande copertura ombreggiante, fatta in pannelli fotovoltaici, separata dalla costruzione da un’intercapedine che permette la ventilazione trasversale tra copertura isolata e copertura  fotovoltaica  in  grado  di  evitare  il  surriscaldamento e la conseguente perdita di efficacia dei pannelli.

L’immaginario collettivo associa l’immagine di edifici  ad  alta  efficienza energetica al colore  nero  del  fotovoltaico  che,  anche  quando ben integrato, rende difficile l’inserimento della costruzione nel paesaggio urbano o extraurbano. Per ovviare a tale problema è stato scelto un pannello in vetro colorato che, a scapito di una piccola perdita di efficienza, contribuisce a dare «leggerezza» alla composizione favorendone la contestualizzazione. Il progetto ha individuato due tecnologie convincenti sotto molteplici profili, che consentono di svincolare l’immagine dell’edificio non solo dal colore scuro ma anche dall’orientamento obbligato alla radiazione solare.

La prima delle tecnologie esplorate è il fotovoltaico organico, che comprende tutti quei dispositivi la cui parte foto-attiva è basata sui composti organici del carbonio. Le celle organiche, ispirandosi al processo di fotosintesi clorofilliana, utilizzano una miscela di materiali in cui un pigmento (come le antocianine derivate dai frutti di bosco) assorbe la radiazione solare e una pasta di ossido di titanio, ingrediente comune  e  eco-compatibile,  ne  estrae  la  carica.  Il grosso vantaggio ecologico dei fotovoltaici organici risiede nel fatto che questi possono essere depositati su larghe aree a costi ridotti con i metodi tipici dell’industria della stampa, eliminando così gli alti costi di materiali e di processo e gli scarichi nocivi per l’ambiente tipici dell’industria dei semiconduttori, in cui sono richieste alte temperature per la liquefazione, cristallizzazione e drogaggio del silicio.

La seconda soluzione, che offre colori avvincenti quali blu, verde chiaro, rosso e addirittura bianco, è quella della tecnologia CIS (rame, indio e selenio), anch’essa più ecologica del  fotovoltaico  al  silicio,  in  quanto  richiede meno energia per la sua produzione, impiega meno materie prime a parità di resa energetica e, infine, non utilizza il cadmio. Inoltre, diversamente dall’organico, che per quanto più sostenibile non ha ancora rese energetiche comparabili agli altri pannelli, e non è commercializzato, il CIS non solo è disponibile sul mercato, ma è anche altamente performante.

Mentre in regime estivo la richiesta di raffrescamento avviene nelle ore di massimo irraggiamento che coincide con il picco di produzione di energia elettrica del campo fotovoltaico,in regime invernale la richiesta di riscaldamento è generalmente maggiore al mattino e dopo il tramonto. Durante il giorno, infatti, i guadagni passivi per irraggiamento diretto potrebbero essere sufficienti a fare raggiungere o a mantenere adeguate condizioni di comfort termico. Pertanto, per assicurare l’energia da fonti rinnovabili anche in assenza di radiazione solare si prevede l’installazione di un sistema ibrido con batterie di accumulo, che possono anche essere installate in un’automobile elettrica, che accumula energia nelle ore in cui non viene utilizzata e può restituirla all’abitazione.

 

L’impianto di climatizzazione

 

Tutti gli impianti, che regolano il comfort termo-igrometrico, la qualità dell’aria e l’ACS, sono concentrati in un vano tecnico posto al centro della casa, in un nucleo che contiene anche bagno e cucina. Il nucleo, centrale rispetto alla distribuzione interna, viene trasportato intero e già cablato in modo da ridurre i tempi di assemblaggio e smontaggio, nonché da minimizzare la lunghezza delle canalizzazioni con conseguente economia di materiale ed aumento dell’efficienza dell’impianto, diminuzione delle sezioni, diminuzione delle dispersioni, sicurezza nel funzionamento. Poiché il vano tecnico ha diretto accesso dall’esterno, anche le eventuali operazioni di manutenzione risultano più agevoli.

Per ottimizzare i consumi, spostandoli il più possibile nel periodo di massima produzione energetica del campo fotovoltaico, si prevede l’installazione di due serbatoi, uno caldo e uno freddo, da usare come volano termico. A soffitto un sistema radiante a bassa inerzia, percorso da fluido termo-vettore alla temperatura di 28-30°C prodotta con una pompa di calore a magneti permanenti (sponsor Frost Italy), è in grado di ottimizzare velocemente eventuali guadagni termici passivi. Il sistema di ricambio dell’aria provvede ad un primo controllo della temperatura e ad un secondo controllo dell’umidità attraverso cicli di deumidificazione o umidificazione. La ventilazione meccanica controllata, infine, assicura il raggiungimento dei parametri di comfort termico richiesti dal concorso, entrando in funzione qualora gli altri sistemi non risultassero sufficienti.

 

Il controllo automatizzato

 

Le strategie passive, semi-passive e attive dell’edificio saranno gestite e integrate fra loro tramite un sistema di controllo automatico, basato su algoritmi previsionali appositamente elaborati  in modo  che  le  condizioni  di  comfort  desiderate all’interno dell’abitazione siano sempre rispettate, puntando contemporaneamente al mantenimento di un bilancio energetico positivo (sponsor Italian Manufacturing). Il sistema non è pensato per sostituire l’abitante nella gestione della casa, ma per renderlo consapevole dei meccanismi, solitamente nascosti o ignoti, che mettono in relazione la temperatura interna con i consumi energetici e la produzione di energia dal campo fotovoltaico con il funzionamento programmato degli elettrodomestici.

 

L’evoluzione del progetto

 

Il progetto, pur restando un modello valido anche nella sua configurazione isolata monofamiliare, per una maggiore flessibilità d’uso  potrà  generare  molteplici  configurazioni, conducendo a diverse tipologie edilizie residenziali attraverso operazioni di aggregazione tra moduli di diverso taglio. Questo obiettivo consentirà una più ampia e varia diffusione e una maggiore rispondenza ai bisogni abitativi tipici italiani, contribuendo così al risparmio di territorio e ad una maggiore densità degli agglomerati urbani producibili.

L’housing sociale si configura quindi quale possibile applicazione del prototipo. In particolare, i materiali naturali prescelti (strutture lamellari,  pannelli  OSB,  isolanti  in  lana  di  legno  e  cellulosa…) e le tecnologie adottate (comportamento passivo, bassi consumi, alta efficienza energetica, autosufficienza energetica…) rispondono alle richieste di complessi edilizi ecocompatibili, realizzati in tempi certi e a costi contenuti, necessari a dare risposta all’emergenza  abitativa.  Il  processo  altamente  industrializzato e la selezione di materiali a basso contenuto di energia primaria inglobata permettono la riduzione dei costi di costruzione finali che, assieme all’autosufficienza energetica, consentono non solo economicità dell’investimento e azzeramento dei costi di «bolletta» per l’utente finale, ma anche, in presenza di incentivi alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, guadagni mensili.

 

Chiara Tonelli

Dipartimento di Progettazione e Studio dell’Architettura -

DIPSA Università degli Studi di Roma Tre

Faculty Advisor «Solar Decathlon» Europe 2012