PROGETTAZIONE DELL’EFFICIENZA ENERGETICA
Un edificio è un sistema il cui uso induce impatti a livello energetico, economico e ambientale sia a scala locale che a scala globale. La limitazione di questi impatti si inserisce nel più ampio quadro dello sviluppo sostenibile [20], e può essere letta in ottica di Zero Energy Building [21]. Il concetto di Zero Energy Building è stato recentemente trasposto dal piano di sperimentazione al piano di regolamentazione a seguito dell’introduzione del requisito nZEB come obiettivo vincolante su scala europea per le nuove costruzioni al 2018/2020 [22].
L’introduzione del requisito nZEB si inquadra all’interno dell’azione strategica europea, volta alla riduzione della dipendenza energetica e delle emissioni di gas a effetto serra, e deve quindi essere intesa come misura di aumento dell’efficienza energetica nel settore degli edifici. Secondo il report “Energy 2020 – A strategy for competitive, sustainable and secure energy” [23] l’efficienza energetica costituisce l’elemento centrale della strategia europea al 2020, finalizzata a disaccoppiare la domanda di energia dalla crescita economica. Il report “Action plan for Energy efficiency: realising the potential” [24] evidenzia il rilevante margine di efficienza energetica economicamente conveniente potenzialmente disponibile. Il raggiungimento di target di efficienza energetica sotto la condizione di parallela efficienza economica costituisce una delle tematiche di maggior rilevo, trasversale alla strategia dell’Unione Europea in ambito climaenergia.
A seguito di queste considerazioni, la progettazione Living Box è stata orientata verso il raggiungimento di un elevato livello di efficienza energetica, con l’obiettivo di rendere l’edificio compatibile con il requisito nZEB di prossima introduzione nel campo della progettazione. L’efficienza energetica del sistema è data dalla combinazione di tre ambiti, o aspetti progettuali: strategie passive di controllo della domanda di energia per climatizzazione, riferite in particolare all’involucro edilizio; strategie attive di controllo della domanda di energia per climatizzazione, riferite in particolare alle dotazioni impiantistiche; installazione di dispositivi da fonti rinnovabili on-site, al fine di limitare l’impatto complessivo dell’edificio.
In assenza di target specifici verso cui indirizzare il percorso progettuale, ovvero non conoscendo la collocazione spaziale del modulo abitativo, si è ritenuto opportuno analizzare il comportamento energetico dell’edificio per differenti località climatiche: Bolzano, rappresentativa dell’area settentrionale; Firenze, rappresentativa dell’area centrale; Reggio Calabria, rappresentativa dell’area meridionale. La variazione di latitudine, e quindi di severità climatica, implica l’adattamento dei componenti edilizi e impiantistici, mantenendo comunque l’impostazione costrut tiva di base. In area settentrionale infatti dovrà essere posta attenzione al livello di isolamento termico di involucro e favoriti gli apporti solari attraverso gli elementi vetrati, al fine di limitare il carico per riscaldamento. In area meridionale viceversa dovrà essere posta attenzione al tasso di ventilazione e ostacolati gli apporti solari attraverso gli elementi vetrati, al fine di limitare il carico per raffrescamento.
In Tabella 1 si riportano i principali parametri climatici delle tre località considerate.
4.1 – Progettazione dell’involucro edilizio Si descrivono di seguito le principali caratteristiche dei componenti edilizi di involucro.
1. Parete verticale di tamponamento (cellula di tipo A): i pannelli, aventi spessore totale di 22 cm, sono costituiti da un telaio in legno a montanti e traversi che sostiene un doppio tavolato in elementi di tipo Oriented Strand Board (OSB) dello spessore di 2 cm ciascuno, nella cui intercapedine è posto uno strato termoisolante dello spessore di 16 cm. Come materiale termoisolante è stata individuata la fibra di legno, al fine di ottenere un compromesso tra trasmittanza termica stazionaria e capacità termica della parete. La fibra di legno è, inoltre, uno degli isolanti termici a minor impatto ambientale (si riscontrino a tal riguardo gli indici di impronta ambientale PEI, GWP, AP [25]). Variando la densità del materiale, le caratteristiche termiche della parete possono essere adattate allo specifico contesto climatico in cui è posto l’edificio. La finitura interna e esterna è in lastre di cartongesso;
2. Parete verticale portante (cellula di tipo B): i pannelli, aventi spessore totale di 22 cm, sono costituiti da un setto in legno massiccio a strati incrociati dello spessore di 10 cm, accoppiato ad uno strato termoisolante in fibra di legno dello spessore di 10 cm posti sulla faccia esterna. La finitura interna ed esterna è in lastre di cartongesso;
3. Solaio di copertura: i pannelli, aventi spessore totale di 32 cm, sono costituiti da un’orditura in legno che sostiene un doppio tavolato in elementi di OSB dello spessore di 1,5 cm ciascuno, nella cui intercapedine è posto uno strato termoisolante dello spessore di 25 cm. La finitura interna è in lastre di cartongesso, mentre quella esterna in lana di legno mineralizzata dello spessore di 4 cm;
4. Solaio di base: i pannelli sono analoghi a quelli del solaio di copertura, invertendo la posizione delle finiture interna/esterna;
5. Serramenti: gli infissi sono costituiti da telaio in legno di sezione 68 x 80 mm, e vetrocamera a vetro stratificato con trattamento basso-emissivo di spessore 6/7-15-6/7 mm. La trasmittanza termica stazionaria risulta pari a 1.5 W/m2K.
In Tabella 2 si riportano le caratteristiche termofisiche dei componenti descritti.
Tabella 2 – Caratteristiche termofisiche dei componenti di involucro
Parete verticale di tamponam. Parete verticale portante Solaio di copertura
Trasmittanza termica stazionaria [W/m2K] 0.207 0.308 0.138
Trasmittanza termica periodica [W/m2K] 0.058 0.067 0.047
Massa superficiale [kg/m2] 76 91 61
Attenuazione [-] 0.281 0.219 0.339
Sfasamento [h] 12.51 11.81 12.02
Per il controllo della radiazione solare sono stati previsti elementi accessori, integrabili nell’organismo edilizio di base in funzione di aspetti climatici o architettonici. Fra questi tende ad impacchettamento da interni e frangisole a lamelle orientabili. Il Living Box è caratterizzato da un aggetto perimetrale posto alla quota del solaio di copertura, la cui ampiezza variabile tra o.8 m e 1.2 m è stata dimensionata verificando che, per le diverse latitudini considerate, la componente diretta della radiazione solare fosse totalmente intercettata al solstizio di estate, e totalmente passante al solstizio di inverno, come mostrato in Figura 15 per la città di Firenze.
Figura 12 – Angolo di incidenza della radiazione solare (componente diretta) ai solstizi di estate e di inverno
4.2 – Progettazione delle dotazioni impiantistiche
Coerentemente con le attuali tendenze a livello europeo, volte all’elettrificazione degli usi finali dell’energia, e allo scopo di semplificare il layout impiantistico, è stato ritenuto conveniente servire i sistemi di riscaldamento, raffrescamento e produzione di Acqua Calda Sanitaria (ACS) tramite un unico vettore energetico, il vettore elettrico. L’elettrificazione delle utenze è un criterio di energy-policy di portata europea, che vede nell’energia elettrica l’unico vettore in grado di connettere le utenze contemporaneamente con generazione di potenza e generazione distribuita, eventualmente in ottica di smart-grid. La sostenibilità è stata dunque intesa come “allineamento” a questo criterio.
L’impianto di condizionamento è di tipo a tutt’aria, in grado di svolgere le funzioni di riscaldamento, raffrescamento, ventilazione, umidificazione e deumidificazione. In questo modo è possibile il controllo completo delle condizioni ambientali indoor, con elevato comfort per gli utenti. L’impianto è servito da una pompa di calore reversibile aria-aria, da una rete di canalizzazioni correnti nel controsoffitto all’intradosso del solaio di copertura, e da terminali a bocchetta. L’angolo cucina e il servizio sono dotati rispettivamente di cappa e di estrattore. La produzione di ACS avviene tramite pompa di calore aria-acqua, connessa ad un accumulo della capacità di 150 l per ciascun nucleo.
Nella configurazione costruttiva a nucleo singolo, la centrale tecnica è posta in una delle due cellule di tipo B. Aumentando il numero di nuclei aggregati, e quindi le dimensioni dei dispositivi di impianto, la centrale tecnica è prevista estendersi, fino ad impegnare un nucleo dedicato, posto in prossimità del vano scale per agevolare l’interconnessione con gli alloggi.
4.3 – Progettazione dei dispositivi da fonti energetiche rinnovabili
L’obiettivo nearly Zero Energy Building implica che l’edificio sia in grado di produrre un quantitativo di energia circa equivalente a quello consumato. In un’ottica di interazione edificio-rete, ciò significa che l’edificio dovrebbe essere in grado di immettere in rete un quantitativo di energia circa equivalente a quello prelevato. E’ stato quindi dimensionato un campo fotovoltaico disposto sulla copertura di Living Box (cellula di tipo A). Data la giacitura orizzontale del piano di posa sono stati individuati come soluzione idonea i moduli a film sottile di tipo Cd-Te (Telloruro di Cadmio), in quanto in grado di garantire una adeguata producibilità anche per giaciture non ottimali. I moduli sono accoppiati ad elementi di alluminio a doghe, giuntabili in opera in modo da formare un unico strato continuo che integra le funzioni di copertura dell’edificio e di produzione di energia.
Il sistema fotovoltaico posizionato in copertura a Living Box è architettonicamente integrato nel pacchetto edilizio-costruttivo. Il calcolo della producibilità elettrica annua è stato svolto tramite il tool “PVGIS” sviluppato dal Joint Research Center della Commissione Europea, accessibile al seguente URL: http://re.jrc.ec.europa.eu/ pvgis/.
La tecnologia fotovoltaica è l’unica modalità tecnicamente semplice di produzione elettrica onsite a livello di edificio. La sostenibilità è stata qui interpretata in ottica di “valore della generazione distribuita”, e non di ciclo di vita dell’impianto. La variabilità, nel tempo e per contesto nazionale, degli incentivi alle fonti energetiche rinnovabili, non consente di tenerne conto a livello di pro gettazione preliminare, specie nel caso “decontestualizzato” di Living Box.
Il campo fotovoltaico progettato è composto da 36 moduli, aventi ciascuno 87.5 Wp, per una potenza installata complessiva di 3150 Wp. La producibilità annua derivante da calcolo risulta pari a 3710 kWh per la località di Bolzano, a 3860 kWh per la località di Firenze e a 4 610 kWh per la località di Reggio Calabria.
Sulla copertura di Living Box (cellula di tipo B) sono stati previsti inoltre dei pannelli solari termici, di ausilio al sistema di produzione di ACS, dimensionati in modo da coprire una quota media annua di fabbisogno di circa 60%.
4.4 – Analisi energetica dell’edificio L’analisi energetica dell’edificio è stata impostata sulla norma tecnica di sistema UNI EN ISO 13790, e sulle relative norme tecniche di componente da essa richiamate. Il metodo di calcolo è semistazionario. Il passo di calcolo è mensile. Il calcolo è stato svolto combinando fogli Excel con tool disponibili in rete [28]. Assunzioni, semplificazioni e condizioni al contorno sono conformi alla norma richiamata. I dati climatici delle tre località considerate sono tratti da UNI 10349: 1994. I risultati dell’analisi energetica del sistema descritto hanno confermato il raggiungimento di un elevato livello di efficienza energetica, posto come obiettivo al fine di rendere l’edificio compatibile con il requisito nZEB.
In Tabella 3 si riportano i risultati ottenuti per le tre località considerate.
Il bilancio energetico dell’edificio risulta essere positivo per ciascuna delle tre località considerate, ovvero il Living Box si spinge oltre il concetto nZEB, divenendo un Energy Positive Building. Occorre tuttavia considerare che il caso analizzato di nucleo singolo presenta un rapporto superficie solarizzata / superficie climatizzata di circa 1:1, particolarmente favorevole. L’aggregazione di più nuclei comporta inevitabilmente una penalizzazione sotto questo punto di vista, con conseguente riduzione della quota di fabbisogno elettrico complessivo coperta tramite fonti energetiche rinnovabili.
Tabella 3 – Risultati dell’analisi energetica per Bolzano, Firenze e Reggio Calabria
Bolzano Firenze Reggio Calabria
Fabbisogno elettrico per riscaldamento [kWh] 1276 602 0
Fabbisogno elettrico per raffrescamento [kWh] 643 1139 1740
Fabbisogno elettrico per produzione di ACS [kWh] 177 150 32
Fabbisogno elettrico per illuminazione [kWh] 685 685 685
Producibilità fotovoltaica annua [kWh] 3710 3860 4610
Quota di fabbisogno elettrico
complessivo coperta tramite fonti energetiche rinnovabili 133 % 149 % 187 %
5 – ASPETTI STRUTTURALI
Per la natura decontestualizzata del progetto in sé, e quindi la mancanza di specifiche indicazioni circa la località di installazione, è stato necessario verificare la possibilità di inserire l’edificio in differenti contesti e per diverse conformazioni spaziali. Questo ha portato a fissare una capacità portante strutturale limite del sistema in termini di azioni statiche. Il limite di portanza è stato determinato in riferimento ad un assetto di assemblaggio pluripiano, formato dalla sovrapposizione di quattro unità abitative (Figura 13).
Figura 13 – Struttura oggetto di calcolo
Per tenere conto della capacità del sistema in termini di azioni dinamiche è stata studiata la risposta della struttura all’azione sismica, ipotizzando di inserire l’edificio in un contesto ad elevata pericolosità sismica, quale il territorio di Reggio Calabria. Reggio Calabria è inquadrata secondo l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia [26] in “Zona Sismica 1”, avente Peak Ground Acceleration (PGA) superiore a 0.25g (con g accelerazione di gravità pari a 9.8 m/s2).
L’edificio è costituito da una struttura mista, data dalla composizione di due differenti concezioni strutturali:
1. cellula di tipo A: struttura a telaio formata da una maglia di pilastri e travi in legno lamellare;
2. cellula di tipo B: struttura scatolare formata da pannelli di legno massiccio disposti a strati incrociati
Figura 14 – Dettaglio strutturale – connessione con viti inclinate a 45°
Il telaio della cellula di tipo A è composto da profili in legno lamellare di classe GL24H, che vengono assemblati in loco, mentre la cellula di tipo B è composta da pannelli in legno massiccio a cinque strati incrociati di classe C24, correntemente noti come “X-lam” o “Cross Laminate Timber”, che vengono assemblati in stabilimento in due parti distinte, da ricongiungersi in loco, per ragioni di limiti dimensionali dovuti al trasporto in container.
La risposta della struttura all’azione sismica è stata determinata mediante un’analisi agli elementi finiti del modello rappresentato in Figura 13, inserendo tra le librerie di calcolo le caratteristiche meccaniche dei profili e pannelli in legno specificati.
Le sollecitazioni strutturali agli Stati Limite Ultimi (SLU) e agli Stati Limite di Esercizio (SLE) sono state calcolate rispettivamente in riferimento a due diverse impostazioni del modello, differenziate per le caratteristiche di rigidezza della struttura. Nel primo caso (calcolo agli SLU) non viene tenuto conto dell’effettiva deformazione in esercizio delle unioni metalliche e quindi il calcolo è impostato su modello rigido. Le rigidezze che concorrono alla rigidezza di interpiano sono dovute ai pannelli di legno e agli elementi di connessione. Nel secondo caso, calcolo degli spostamenti allo Stato Limite di Danno (SLD), viene preventivamente determinata la rigidezza Kser degli elementi di connessione, e successivamente creato un materiale fittizio da attribuire ai pannelli di legno, le cui caratteristiche meccaniche siano rappresentative sia della deformabilità del legno che di quella degli elementi di connessione, definendo un modulo di taglio equivalente Geq. Effettuata la verifica degli elementi strutturali in legno sono state successivamente verificate le relative giunzioni metalliche [27].
Le connessioni tra le membrature del telaio e quelle tra travi e solai sono state scelte basandosi su criteri di semplicità e rapidità di messa in opera, adottando quindi nel primo caso staffe in alluminio a scomparsa con unione spinottata e nel secondo caso viti a tutto filetto inclinate a 45 ° (Figura 14).
Per le connessioni tra pannelli a formare la struttura scatolare delle cellule di tipo B sono stati adottati i tradizionali sistemi di giunzione metallica, quali hold-down, angolari e viti, in modo da contrastare le azioni di scorrimento e sollevamento indotte dalle azioni orizzontali. In fase
di dimensionamento e verifica è stata rivolta particolare attenzione alle connessioni di presidio al sollevamento. Le elevate sollecitazioni ai primi tre livelli della struttura, risultanti dal calcolo agli elementi finiti, non hanno consentito l’utilizzo di sistemi standard di collegamento tra pannelli, quali bande forate o holddown disponibili in commercio. Si è ritenuta tuttavia non conveniente la progettazione di elementi angolari ad hoc per le forze di trazione in gioco, in quanto le dimensioni delle giunzioni si sarebbero rivelate fuori proporzione rispetto alle dimensioni dei pannelli, oltre che onerose e di complessa applicazione in fase di montaggio.
Per risolvere la problematica è stato previsto quindi di realizzare un collegamento continuo dei livelli, a partire dalla fondazione, tramite barre filettate ad alta resistenza (Figura 15). Così operando i pannelli vengono connessi ad ogni livello alle barre filettate tramite hold-down disponibili in commercio, mentre la giunzione in elevazione delle barre filettate avviene tramite manicotti filettati.
In questa soluzione la forza di sollevamento gravante sugli hold-down risulta essere solamente quella del piano di competenza, mentre la somma delle forze di trazione viene demandata alle barre filettate. L’assemblaggio risulta di semplice applicazione in fase di montaggio, in quanto le cellule di tipo B potrebbero arrivare in cantiere già provviste di hold-down, limitando quindi l’assemblaggio alla sola sovrapposizione dei nuclei e successivo collegamento tra gli hold-down dei singoli livelli e le barre filettate.
A complemento è stata studiata l’interazione della struttura in elevazione con il terreno, prendendo in considerazione due opzioni alternative di strutture in fondazione: la prima costituita da una platea in calcestruzzo armato, e la seconda costituita da un graticcio di travi aventi sezione a T rovescia. La motivazione della doppia opzione è dovuta, come altri aspetti del progetto, alla sua natura decontestualizzata, ovvero alla mancanza di specifiche indicazioni circa la località di installazione.
Figura 15 – Soluzione di presidio al sollevamento
CONCLUSIONI
Il Living Box, nella sua originalità, si offre come soluzione efficace, economica e sostenibile alle esigenze abitative temporanee, anche di mediolungo periodo. La sua qualità (ricercata anche sotto il profilo estetico) ed il comfort indoor, infatti, non sono seconde a soluzioni abitative “tradizionali”. Nonostante la temporaneità dell’uso è particolarmente elevato lo standard energetico (e, nota bene, ciò vale a prescindere dal contesto in cui si collochi il modulo) come sono elevate le prestazioni di sostenibilità edilizia. Il Living Box, pertanto, è la concretizzazione di una ricerca di sintesi fra gli studi modulari abitativi e le attuali tecnologie costruttive residenziali in legno.