RICERCA ITALIANA     

Procedure di progettazione e sperimentazione di tecnologie innovative per edilizia residenziale a basso impatto ambientale in interventi di nuova edificazione e di recupero.

Politecnico di Milano

Abstract

Il programma di ricerca multidisciplinare, che riguarda sia la nuova costruzione che la riqualificazione degli edifici esistenti, ha lo scopo di mettere a punto:
- metodologie di progetto di edifici a basso impatto ambientale e minimo consumo energetico, paragonabili alle più avanzate pratiche europee correnti;
- strumenti di ausilio progettuale, quali linee guida, check-list, metodi di calcolo e simulazione, sistemi di valutazione delle prestazioni, ecc.;
- tecniche costruttive ed elementi tecnologici appropriati ai climi miti mediterranei, materiali ed elementi costruttivi con LCIA (Life Cycle Impact Assessment) noti e compatibili, elevata propensione alla riciclabilità, assemblaggi reversibili, e prestazioni dosabili;
- sistemi impiantistici finalizzati al massimo ricorso ad energie rinnovabili e a tecnologie a basso impatto energetico.
La ricerca trova occasione di applicazione e di verifica attraverso un intervento sperimentale per la costruzione di circa quaranta alloggi di edilizia convenzionata programmato dall'ALER (Azienda Lombarda di Edilizia Residenziale) di Brescia e un intervento di recupero programmato dal Comune di Milano. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Ettore ZAMBELLI Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il controllo della sostenibilità ambientale di un organismo edilizio (sia nuovo che riqualificato) comporta la verifica di tutti i fattori collegati al consumo di risorse che gli è proprio. Ciò significa, in fase di progettazione, operare verifiche - normalmente trascurate anche per carenza di conoscenze e strumenti tecnici specifici - sia sui consumi complessivi per la realizzazione (prodotti e processi di costruzione), sia su quelli complessivi di esercizio, sia infine su quelli di demolizione, riciclaggio o reversibilità. Questo progetto di ricerca multidisciplinare si propone l'obiettivo di affrontare il problema nella sua complessità per quanto riguarda le metodologie di progettazione e le innovazioni tecnologiche richieste, proponendo un approccio integrato sia per le nuove costruzioni che per il recupero di quelle esistenti.

Le strategie di base per la messa a punto di edifici a basso consumo energetico, in entrambe le situazioni, sono le seguenti:
1. Attenta definizione della climatologia locale.
2. Minimizzazione dei disperdimenti (prima della massimizzazione dei guadagni gratuiti e dell'utilizzo di energie rinnovabili): gli involucri devono essere progettati per rendere minime le perdite di calore per conduzione e infiltrazione, in modo da rendere percentualmente significativi gli apporti di energia gratuita.
3. Ricorso per la stagione invernale a sistemi di aerazione controllati in funzione della produzione di vapore e di inquinanti indoor.
4. Potenziamento del guadagno diretto in stagione invernale.
5. Controllo della radiazione solare e della ventilazione naturale in estate: l'obiettivo è quello di ridurre l'arco di tempo annuale che richieda il ricorso a dotazioni impiantistiche per la climatizzazione degli ambienti (strategie basate sul free-running).
6. Integrazione impiantistica mediante dispositivi basati sull'utilizzo prevalente di risorse rinnovabili e su sistemi di captazione di energia solare.
7. Mitigazione del microclima esterno per ridurre le necessità di raffrescamento estivo artificiale.

L'obiettivo della ricerca si articola nello sviluppo di una procedura generale di progettazione integrata, con la relativa strumentazione specifica, e nella definizione di modelli tipologici e tecnologici di residenze a basso consumo adatti a climi mediterranei, attraverso una serie di ricerche coordinate sulle seguenti tematiche complementari:
- Metodi di progettazione e procedure:
a) metodi di rilevamento delle condizioni del contesto locale;
b) strumenti di valutazione della sostenibilità di soluzioni di involucro;
c) archivi di materiali e prodotti ecocompatibili;
d) strumenti di modellazione di calcolo e di simulazione a supporto del progetto;
e) strumenti normativi a supporto: sistemi di valutazione e certificazione semplificati di edifici a basso consumo energetico.
- Tecnologie innovative:
a) sistema strutturale leggero in acciaio;
b) sistemi di involucro esterno iperisolato con strati di finitura variabili ed integrato con dispositivi di captazione e di controllo (integrated envelope)
c) sistemi di finestre e vetrate regolabili e modulabili in funzione dell'evolversi delle condizioni climatiche;
d) sistemi impiantistici: componenti di involucro fotovoltaici ibridi, componenti traslucidi di copertura a concentrazione, collettori per accumulo stagionale e di supporto a sistemi "dessicant - cooling";
e) strategie e tecnologie per la mitigazione delle condizioni climatiche estive all'interno degli edifici
f) tecnologie specifiche per il recupero edilizio.

Dal momento che nelle regioni centro-europee l'esperienza della "casa passiva" (Passivhaus) ha dimostrato che è possibile raggiungere livelli di consumo energetico ridottissimi con tecnologie relativamente semplici, sarà in primo luogo necessario valutare le modalità di trasferimento di tale modello nel nostro contesto climatico, mediamente più caldo ma anche fortemente differenziato.
In sintesi, si possono delineare tre obiettivi di carattere strategico a cui la ricerca intende contribuire.
Un primo obiettivo da perseguire è quello di contribuire a fondare una cultura della casa passiva italiana, dove l'attributo "passivo" andrà collegato non solo al funzionamento invernale (passive heating), ma anche a quello estivo (passive cooling), ed estendendone i principi (se non i livelli di consumo) anche agli interventi di recupero per renderli efficaci su larga scala. Metodi e soluzioni sviluppati per l'edilizia residenziale in Paesi con climi diversi dal nostro dovranno essere valutati alla luce della loro compatibilità con gli opposti requisiti invernali ed estivi. Un edificio ad elevate prestazioni energetiche, quindi, dovrà basarsi su componenti in grado di assumere configurazioni diverse e modulare correttamente i transfer di energia e di massa tra interno ed esterno (per esempio, serramenti a permeabilità, trasparenza e fattore solare variabili). Nel caso del recupero di edifici esistenti, è indispensabile che le tecnologie sviluppate permettano di integrare gli interventi di riqualificazione energetica con le trasformazioni morfologiche e distributive implicite nel processo. In questo caso, a fronte di richieste ambientali e spaziali nuove, si può intervenire sul costruito con intensità morfologica e tecnologica molto graduate per complessità e per impegno economico, tenendo conto anche delle peculiarità operative che caratterizzano l'intervento sul costruito.
Un secondo obiettivo è quello di individuare e mettere a punto gli strumenti normativi, operativi e organizzativi necessari a supportare la sperimentazione e a diffondere tali pratiche nella prassi corrente, favorendo la coerenza e l'integrazione delle diverse fasi processuali. In generale, al momento sono disponibili strumenti di valutazione estremamente analitici e specifici, che male si prestano a dare le indicazioni di massima indispensabili nelle prime fasi di concezione progettuale. La ricerca sarà volta, quindi, a definire procedure semplificate per la valutazione della sostenibilità, individuando gli ambiti di variabilità delle caratteristiche, di reperibilità locale del prodotto, di durabilità e di efficienza energetica.
Un terzo obiettivo deve essere quello di contribuire all'applicazione di tali metodi e soluzioni, così da metterli a punto sulla base di casi ed esperienze reali e di porre le basi per una cultura diffusa del contenimento del fabbisogno energetico, valutandone le ricadute sui comportamenti degli utenti. <<<

Risultati parziali attesi

- Stato dell'arte sulle politiche, sui programmi e sulle esperienze di contenimento dei consumi energetici e sugli standard di ecocompatibilità in edilizia;
- stato dell'arte sulle tecniche di modellazione e di calcolo;
- stato dell'arte sulle tec <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Le problematiche dell'inquinamento ambientale, del consumo di energia e dell'esaurimento progressivo delle risorse fossili non rinnovabili hanno indotto l'Unione Europea ad indicare le linee di una politica energetica comune nel Libro Verde e nel Libro Bianco recentemente pubblicati.
In primo luogo, l'Europa deve onorare gli impegni assunti a Kyoto nel 1997 in relazione all'effetto serra (entro il 2012, riduzione del 8% delle emissioni di CO2 rispetto ai livelli 1990). Il comparto edilizio, con i settori residenziale e terziario, è direttamente responsabile del 20% delle emissioni nocive, a cui vanno aggiunte le emissioni indirette dovute ai trasporti indotti e alle operazioni di costruzione, manutenzione e dismissione. In parallelo alla questione ambientale, l'UE ha anche l'obiettivo di garantire la sicurezza dell'approvvigionamento energetico.
L'unica via percorribile in questo settore è quella di intervenire sul lato della domanda, vale a dire di governare e limitare il fabbisogno energetico complessivo dei Paesi membri, attraverso politiche sia "orizzontali", che coinvolgono cioè tutti i settori di attività, sia settoriali specifiche, tra cui figurano interventi urgenti per migliorare le prestazioni energetiche nel comparto edilizio. La questione è stata affrontata con la recente Direttiva Europea sul rendimento energetico degli edifici (2002/91/CE).
Il rimanente fabbisogno energetico dovrà essere gestito in modo da garantire una diversificazione delle fonti e delle aree geografiche di provenienza delle importazioni. In quest'ottica, e per promuovere un modello di sviluppo sostenibile, risultano di fondamentale importanza le fonti rinnovabili.
Per quanto attiene alla riduzione dei consumi, le stime più recenti indicano per l'edilizia un potenziale di risparmio pari a circa il 22% rispetto ai livelli attuali, da qui al 2010, tenendo conto di un tasso di crescita del parco edilizio pari al 1.5% annuo. L'aspetto più interessante è che questo livello di risparmio, secondo gli stessi studi, si può ottenere con un uso più intenso di tecnologie elementari, che sono già disponibili sul mercato, economicamente convenienti, e di semplice implementazione. In particolare i maggiori benefici si avrebbero aumentando significativamente il livello di isolamento termico delle chiusure, come dimostra l'esperienza tedesca delle Passivhaus, che permettono risparmi fino al 90% rispetto a edifici tradizionali.
Il secondo punto fondamentale per ridurre i consumi energetici degli edifici è lo sfruttamento delle fonti rinnovabili, ed in particolare dell'energia solare, tramite il guadagno diretto, il riscaldamento dell'acqua e la produzione di energia elettrica. Affinché sia possibile un utilizzo efficiente del sole, è però fondamentale che la progettazione di ogni edificio tenga conto del clima locale e delle situazioni al contorno in modo molto dettagliato. Il Libro Bianco dell'Unione Europea sulle fonti energetiche rinnovabili stima che sia possibile installare, da qui al 2010, collettori solari per un totale di 100 milioni di m², di cui la maggior parte per il riscaldamento di acqua ad uso sanitario o per riscaldamento a bassa temperatura, e il resto per la produzione di energia fotovoltaica per un totale di 3000 MWp.
Per accelerare la diffusione di una progettazione ecologicamente consapevole, l'Unione Europea ha quindi approvato, alla fine del 2002, la Direttiva sul rendimento energetico nell'edilizia, che entrerà in vigore entro alcuni anni. Scopo di questa Direttiva, basata su quattro elementi principali, è di istituire un quadro di riferimento che permetta agli Stati membri di coordinare la normativa del settore.
Per quanto riguarda le nuove costruzioni, una delle esperienze più significative, nell'ottica della minimizzazione del fabbisogno, è quella tedesca dello standard Passivhaus. L'idea di fondo è quella di avere un involucro estremamente efficiente dal punto di vista termico - quasi adiabatico - e di sfruttare per il riscaldamento i carichi termici interni e gli apporti solari gratuiti. Affinché questo sia possibile, gli spessori di isolamento devono essere di molto maggiori rispetto alla pratica corrente (fra i 30 e i 40 cm per il clima tedesco) e l'involucro a tenuta d'aria e privo di ponti termici. Il calore che ancora mancasse al raggiungimento dei 20°C interni di legge può essere fornito riscaldando l'aria di ventilazione, comunque necessaria per garantire un opportuno ricambio igienico in un edificio a tenuta, o mediante superfici radianti a bassa temperatura.
Con questi accorgimenti, è possibile ridurre il consumo energetico a 15 kWh/m² per anno, rispetto ai 100 - 150 kWh/m² per anno di un edificio tradizionale, e sfruttare in modo ottimale l'energia solare, in modo compatibile con la sua limitata disponibilità nei mesi invernali. Le fonti rinnovabili, in altri termini, sono impiegate solo per migliorare le prestazioni di un edificio che ha già un'attitudine intrinseca al risparmio energetico.
Quello che sembra interessante, e che ha contribuito alla crescita esponenziale del numero di Passivhaus costruite a partire dalla prima del 1991, è la semplicità del concetto, che è basato sul miglioramento dell'efficienza di elementi che sono comunque necessari in un edificio: involucro, vetri e sistema di ventilazione. Inoltre le soluzioni tecniche necessarie, quali serramenti ad alte prestazioni e sistemi di ventilazione con recupero di calore, derivano da miglioramenti di prodotti esistenti, quindi con bassissimi rischi per i produttori e gli utilizzatori. Lo standard Passivhaus possiede quindi una solidità di fondo che lo rende facilmente implementabile e poco esposto ai rischi tradizionali delle realizzazioni sperimentali, una volta che le soluzioni tecniche siano rese appropriate agli specifici climi.
Si pone quindi la questione dell'importabilità di un simile approccio, che in dieci anni di pratica si è rivelato adeguato per tutti i climi centroeuropei. Il recente programma di ricerca CEPHEUS, che aveva come scopo la promozione della Passivhaus come modello per l'Europa continentale, non si è spinto più a sud dell'Austria, lasciando in qualche modo scoperta l'Italia settentrionale che pure con la Germania ha delle analogie climatiche invernali. La Pianura Padana si caratterizza infatti per il clima invernale marcatamente continentale, con inverni rigidi ma con estati molto calde, per cui il modello Passivhaus può essere adottato a patto di prevedere adeguati accorgimenti per evitare il surriscaldamento estivo (ad esempio ventilazione abbondante e schermatura delle parti vetrate). Inoltre, a differenza della Germania, in lunghi periodi dell'anno (primavera e autunno) per garantire le condizioni di comfort all'interno dell'abitazione si può contare su condizioni esterne favorevoli, tali da consentire una climatizzazione naturale.
Il concetto di Passivhaus, inoltre, è il primo essenziale passo verso le case a consumo zero e successivamente per la trasformazione dell'edificio da consumatore in produttore netto di energia. È un approccio, quest'ultimo, da non molto tempo teorizzato ma già messo in pratica in alcune interessanti sperimentazioni, e che costituisce il tassello più importante del passaggio dalla attuale filosofia della generazione concentrata a quella della generazione distribuita dell'energia: la sola filosofia che, sul medio-lungo periodo può consentire di ridurre le emissioni di CO2 al livello compatibile con la stabilizzazione del sistema climatico planetario.
Si pone, inoltre, l'importante questione di come trasferire queste strategie al recupero degli edifici esistenti, che rappresenta ormai l'attività edilizia prevalente in Europa. La complessità dei problemi che riguardano, in particolare, il recupero dei quartieri di edilizia sociale è comune alle principali città europee, che si trovano a fare i conti con l'esigenza di riqualificare il vasto patrimonio costruito in prevalenza durante gli anni '60 e '70 con tecnologie diverse, fra cui anche quelle della prefabbricazione pesante.
Si tratta di un patrimonio costituito da complessi edilizi debolmente strutturati sotto il profilo funzionale e del comfort, poco duttili alle modificazioni, dotati di scarsi o nulli valori di immagine, che oggi si trovano, anche in rapporto agli attuali standard, fortemente deficitari sotto il profilo tecnologico, energetico, impiantistico e tipologico-funzionale.
Gli interventi volti ad un incremento della sostenibilità delle residenze esistenti comportano quindi problemi anche più complessi di quelli relativi alla nuova edificazione, e richiedono strategie tecnologiche duttili in grado di supportare sia le modificazioni distributive che la riqualificazione energetica. A fronte di un consumo medio del parco costruito lombardo stimato attorno ai 450 kWh/m²anno, esperienze centroeuropee hanno dimostrato che è possibile scendere fino a 30 kWh/m²anno, valore non corrispondente allo standard Passivhaus ma comunque estremamente significativo.
Vale la pena di osservare che l'adozione di uno standard come quello delle Passivhaus non resta senza implicazioni dal punto di vista costruttivo. La tradizione italiana - e mediterranea in generale - assegnava il ruolo di struttura portante e di chiusura a spesse pareti di mattoni pieni. Con l'avvento delle strutture puntiformi in calcestruzzo armato, la muratura ha tuttavia perduto la funzione strutturale e, nel tentativo di ottimizzare l'economia e la gestione del cantiere, i mattoni sono stati progressivamente alleggeriti fino agli attuali modelli forati, usati nella maggior parte delle costruzioni residenziali. Privati della loro massa, i laterizi da soli non sono però in grado di garantire le prestazioni di isolamento termico e acustico oggi richieste dalle normative più recenti. Inoltre, in una chiusura iperisolata la funzione di inerzia termica dell'involucro viene a decadere, prendendo maggiore importanza il concetto di fattore di inerzia e cioè del contributo inerziale delle masse interne. Appare invece più convincente la tecnica nota come Struttura / Rivestimento (S/R), diffusa a livello europeo da ormai molti anni, e la cui adozione in Italia è possibile adeguando i modelli funzionali degli elementi tecnici al contesto climatico.
L'involucro esterno e quello interno sono gusci indipendenti dalla struttura portante, costituiti da assemblaggi a secco di strati calibrati secondo le necessità prestazionali del singolo progetto: gli elementi tecnici diventano, in altre parole, stratificazioni progettabili caso per caso, le cui prestazioni possono essere regolate variando le combinazioni di materiali e gli spessori dei singoli strati. Le tecniche stratificate possiedono, inoltre, vantaggi significativi per quanto attiene alla riduzione dell'impatto ambientale dell'edificio nelle fasi di costruzione, manutenzione e dismissione finale, grazie alla loro leggerezza intrinseca e alla reversibilità delle connessioni.
Anche il catalogo delle tecniche e tecnologie impiantistiche per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili e per l'uso razionale dell'energia si è notevolmente arricchito negli ultimi tempi: dalle tegole fotovoltaiche ai collettori termici sotto vuoto, dalle caldaie a biomassa ai micro-cogeneratori a biofuel, per fare qualche esempio; la ricerca è pure attiva sui sistemi di trigenerazione sia con collettori solari a concentrazione (fotovoltaici e termici) che con celle a combustibile, e sui sistemi di produzione di freddo alimentati da calore a bassa temperatura capaci di controllare le condizioni di comfort termico estivo mediante il principio del "desiccant cooling".
La tensione verso un approccio progettuale sostenibile - anche a fronte di una crescente, articolata, diffusa, disomogenea, talora superficiale attenzione dell'intera società - conosce, quindi, uno sviluppo considerevole. Esso si esprime però spesso in forme "chiuse" o frammentate, sia perché essenzialmente legate all'innovazione produttiva e tecnologica ed indirizzate quindi ad una risoluzione prevalentemente tecnica dei problemi del controllo microclimatico negli edifici, sia perché rivolte alla valutazione energetica ed ambientale dell'edificio in se stesso (per esempio dei risparmi energetici e delle riduzioni di emissioni atmosferiche nocive prodotte dagli impianti tradizionali di riscaldamento e climatizzazione, o dei coefficienti termici dell'involucro, della qualità dell'aria interna, ecc).
La sostenibilità ambientale in architettura può trovare, allora, proprio nella riconsiderazione del processo edilizio in tutte le sue differenti fasi (dal controllo degli aspetti produttivi e costruttivi a quelli della durabilità nel tempo del costruito), una via per uno sviluppo integrato, non parziale e finalmente non più di natura sperimentale ma capace di far divenire questo approccio una pratica diffusa. Per ottenere questo risultato, diventa indispensabile definire procedure semplificate di valutazione della sostenibilità - anche a partire da prodotti già testati con procedure di LCA o dotati di ecolabel - individuando gli ambiti di variabilità delle caratteristiche (associazione tra prodotti, modifiche dimensionali e di trattamento superficiale, ecc.), di reperibilità del prodotto in ambito locale, di durabilità e di efficienza energetica (riduzione dei consumi tramite contenimento o produzione dell'energia). <<<