Progettare Sostenibile: l’Importanza della Forma in Architettura

Se qui sei nuovo ISCRIVITI alle News RSS feed. Thanks for visiting!

a cura dell’Ing. Gianmaria Origgi e Ing. Mirko Paglia

La progettazione “sostenibile” presuppone una profonda consapevolezza degli effetti ambientali del costruire e degli aspetti su cui intervenire per evitare il manifestarsi di tali problemi. Gli elementi che costituiscono il progetto devono essere combinati organicamente dopo aver verificato che ognuno di essi sia, di per sé, privo di controindicazioni di carattere ambientale. Il tema progettuale deve essere affrontato avendo ben chiaro il concetto di sostenibilità, considerando l’edificio non solo come un’insieme di parti ma come un organismo complesso, essendo costituito da un gran numero di parti e componenti, che obbligano a tenere conto di una infinità di aspetti diversi.

• Progettazione Sostenibile: Elementi Principali
  

Per facilitare il compito del progettista, l’ architetto Varis H. Bokalders, docente presso la School of Architecture, Dept. all’ Architectural Design and Technology Royal Institute of Technology di Stoccolma, ha elaborato uno schema ad albero per descrivere  gli elementi principali che deve possedere un progetto affinché possa essere ritenuto sostenibile. L’albero del costruire ecologico è una checklist che elenca e mette in relazione gli elementi che bisogna considerare mentre si elaborano le soluzioni progettuali. L’albero è costituito da un tronco che, collegato alla terra da 4 radici, si divide in 4 branche. Le branche a loro volta si sviluppano in 4 rami, ognuno dei quali dà infine vita ad altri 4 “virgulti”, per un totale di 64 rametti. Il tronco simboleggia il insieme di conoscenze che è necessario possedere per comprendere ed elaborare un edificio sostenibile, che hanno direttamente a che fare con la terra, ossia con i problemi ambientali di cui soffre il pianeta.

• Le radici sono costituite dai differenti argomenti che spiegano perché e come sia necessario agire per la salvezza del pianeta:

1. sviluppo sostenibile: il concetto così com’è stato enunciato alla conferenza di Rio del 1992 e attuato in iniziative come l’Agenda 21;
2. ecologia umana: perché è necessario comprendere il nostro essere, parte dell’ecosistema terrestre;
3. stili di vita: cos’è la nostra “impronta ecologica” e i motivi per cui è necessario ridurla;
4. eco-tecnologia: la consapevolezza che differenti tecnologie hanno un diverso bilancio ecologico.

• Le branche simboleggiano i 4 elementi fondamentali di un costruire “sostenibile” o ecologico:

1. La salute: l’edificio sostenibile deve essere un edificio sano, sia per le persone sia per l’ambiente. Ciò significa che deve essere un buon posto per abitare o per lavorare (o per entrambe le funzioni), che non deve soffrire di alcuna sindrome da edificio malato e che il flusso di materiali o energia necessari per costruirlo e farlo funzionare non deve inquinare o danneggiare l’ambiente;
2. Conservazione: l’edificio sostenibile deve essere efficiente dal punto di vista della gestione delle risorse. Ciò comporta un’accurata analisi del flusso di risorse necessario a far funzionare l’organismo edilizio e le attività in esso contenute e la considerazione di come attuare e gestire tali flussi al fine di minimizzarli;
3. Ecocicli: in un edificio sostenibile le risorse che vengono utilizzate, sono integrate nei cicli ecologici naturali. Si utilizzano, quindi, i flussi naturali (come l’energia solare), con più attenzione si impiegano gli stock di risorse rinnovabili (tenendo conto dei ritmi di riproduzione), mentre le risorse non rinnovabili vanno impiegate solo secondo le modalità che ne consentano il riciclo;
4. Il luogo: le considerazioni ecologiche vertono sulle relazioni con le altre specie viventi e con i biotopi che ci circondano. Per riuscire ad adattare l’edificio al sito è necessario studiare a fondo le caratteristiche del luogo in cui ci si appresta a costruire, per riuscire a progettare qualcosa che sia in armonia con ciò che in quel luogo esiste già.

• Sostenibilità in Edilizia: Fra Efficienza Energetica e Contenimento dei Consumi e delle Emissioni di CO2

La sostenibilità di una soluzione edilizia è strettamente correlata con il contenimento dei consumi energetici e delle emissioni di gas serra. Il primo passo verso una progettazione sostenibile consiste nel determinare la forma migliore che deve possedere un edificio, le quantità ideali di superfici opache e vetrate secondo l’orientazione delle pareti affinché vengano soddisfatti i requisiti in termini di risparmio energetico.

Risulta necessario, quindi, analizzare in modo critico il ruolo e l’importanza che ricopre il parametro S/V nella corretta progettazione, al fine di ottenere prestazioni energetiche di alto livello, sia in regime invernale che in quello estivo. Al fine di esplicitare questo passaggio, viene riportato uno studio, risalente all’anno 2007,  teso a dimostrare l’importanza di questa fase progettuale all’interno del processo ideativo,  necessaria per la progettazione di un edificio residenziale bifamiliare, che trova collocazione all’interno di un lotto, ubicato nel Comune di Inverigo,  in provincia di Como. La località, appena citata, si trova in zona climatica E.

Per andare a determinare la relazione che esiste tra S/V e le prestazioni energetiche di un edificio, è stata utilizzata la Normativa EN 832 (oggi sostituita), relativamente alla fase invernale, mentre l’estiva è stata affrontata attraverso un metodo semistazionario. L’analisi  ha puntato la sua attenzione sullo studio di modelli semplificati di edificio (fig 1), a destinazione abitativa, appartenenti a tipologie edilizie differenti. Sono state elaborate 24 soluzioni con le seguenti caratteristiche morfologiche (tab. 1):

Tabella 1

Si  possono osservare due metrature di riferimento, la prima  di 48 – 49  m2  , mentre la seconda di 190,4 – 192 m2. L’ideazione di questi modelli parte dall’introduzione del  modulo di 48 – 49 m2  , sullo schema quadrato e rettangolare,  per raggiungere il valore di 190,4 – 192 m2, ottenuto raddoppiando le dimensioni del rettangolo iniziale, pari a 12m  e  4 m. Per quanto riguarda lo sviluppo in verticale, lo studio prevede l’opportunità di analizzare sei altezze differenti, rispettivamente di 3,6,9,12,15 e 30 m. Per ragioni sperimentali sono state scelte due soluzioni antitetiche di modello, la prima caratterizzata da superfici verticali completamente opache, la seconda totalmente vetrate. Sono state definite, successivamente, le caratteristiche termofisiche degli edifici da esaminare, che vengono mantenute costanti per ogni esempio. A tal proposito si è fatto riferimento ai valori forniti dall’allegato C del Decreto Legislativo 311/07, relativi al primo gennaio 2010, senza soffermarsi  sui materiali da utilizzare nella definizione dei pacchetti. I valori di trasmittanza unitaria scelti sono dunque:

• U = 0,34 W/m2K per le strutture verticali opache
• U = 0,30 W/m2K per le strutture orizzontali opache di copertura
• U = 0,33 W/m2K per le strutture orizzontali opache di pavimento

Un discorso a parte deve essere fatto per le chiusure trasparenti, alle quali vengono associati valori limite poco performanti. Si è optato quindi per una U pari a 1,42 W/m2K. Il valore migliorativo è stato scelto perché le prestazioni degli elementi finestrati incidono profondamente sul bilancio complessivo.

Diversi studi condotti affermano che gli indicatori di fabbisogno o di consumo energetico dipendono dalle caratteristiche dell’edificio ed in particolare dal rapporto tra la superficie disperdente ed il volume riscaldato. È dimostrato che, per un edificio compatto, ad esempio a torre, a parità di volume, essendo la superficie disperdente inferiore,  sarà più semplice raggiungere classe energetica migliore. Per una casa isolata, la tipica villetta singola, il rapporto S/V è maggiore e pertanto sarà più difficile raggiungere prestazioni energetiche elevate: aumentando le superfici disperdenti a parità di volume sarà necessario isolare maggiormente le pareti. Scopo di questa analisi è, perciò, evidenziare l’importanza di questo indicatore attraverso lo studio di 24 modelli (tab. 2) , già descritti preventivamente, confrontando i risultati con i dati di ricerca posseduti e rapportandoli ai termini di legge. Le valutazioni sono state eseguite partendo da due condizioni estreme: la prima considerando le superfici verticali completamente opache, la seconda totalmente trasparenti.

Tabella 2

Figura 1

In prima istanza si è inteso analizzare l’andamento del rapporto S/V con le conseguenti dispersioni invernale, partendo da una pianta quadrata di lato 7 m, facendo variare esclusivamente il numero di piani dell’edificio. L’elaborazione viene espressa attraverso il Grafico 1 in cui immediatamente si evidenzia come, a parità di forma geometrica di base, al crescere del volume, il rapporto S/V diminuisca. Questa risultanza è ascrivibile sotto il nome di Effetto Volume.

Grafico 1

Trova conferma, con quanto affermato dagli studi accademici, la proporzionalità diretta, esistente tra S/V e Energia Primaria invernale (abbreviato con EPi). Estrapolano il medesimo grafico, rispettando le condizioni al contorno sopra citate, riferendolo però alla forma rettangolare 12m x 4m, si ottengono risultati analoghi ai precedenti, dimostrando come il già citato effetto volume sia fondamentale per la progettazione (Grafico 2).

Grafico 2

Questo vale anche per le piante quadrata, di lato 13,8 m (Grafico 3) e la rettangolare da 24m x 8m (Grafico 4).

Grafico 3

Grafico 4

Il confronto, ora, avviene tra il caso del rettangolo di base 12m x 4m e il quadrato 7m x 7m, sviluppati su un piano e aventi medesima area di base, pari a 49 mq . I due edifici presentano valori di S/V differenti, rispettivamente di 1,33 e 1,24. A parità di volume, si riscontra un EPi inferiore per il modello a base quadrata (grafico 5)

Grafico 5

Questo porta a valorizzare il ruolo della compattezza della forma, che si rispecchia in un valore di EPi inferiore. È possibile riassumere, quanto detto, attraverso il semplice concetto di effetto forma: a parità di cubatura e superficie di base, risulta più efficiente un edificio compatto rispetto a un secondo con forma maggiormente irregolare (Figura 2)

Figura 2

Un ulteriore osservazione è stata condotta scegliendo due basi rettangolari, entranti in possesso dello stesso S/V (Grafico 6).

Grafico 6

Il successivo confronto ha messo in evidenza come i modelli, aventi lo stesso rapporto, presentino Epi differenti a causa della diversa superficie a contatto con l’aria. La scelta più vantaggiosa, in termini di EPi, risulta essere la soluzione avente superficie di base maggiore. Lo step successivo dell’analisi ha visto l’introduzione di un modello con pareti completamente vetrate, oltre a quello avente superfici totalmente opache. Gli esiti di questo approfondimento sono stati riportati nell’istogramma seguente (Grafico 7)

Grafico 7

Le colonnine verdi, rappresentanti gli EPi di edifici a pianta rettangolare senza superfici trasparenti, mostrano un andamento crescente con S/V, come verificato precedentemente. Le restanti colonnine rappresentano i valori di EPi, al crescere di S/V, per i casi:

1. arancione totalmente vetrato con lato maggiore ad est e superfici orizzontali opache;
2. giallo totalmente vetrato con lato maggiore a sud e superfici orizzontali opache.

L’apertura di finestrature ha portato ad una considerevole diminuzione dei consumi, nonostante le stesse abbiano una trasmittanza superiore a quella delle pareti opache, con conseguenti maggiori dispersioni. L’edificio “modello sud “, dalle osservazioni sperimentali appena desunte, dovrebbe presentare un valore di EPi inferiore al “modello est“, ma questo non accade. Al fine di comprendere il motivo di questo comportamento, è necessario considerare, semplificando, il guadagno “dell’effetto serra” all’interno del bilancio energetico invernale. Passando all’analisi estiva è individuabile un aumento delle dispersioni dell’involucro al crescere del rapporto S/V. Il valore di Energia Primaria estivo (Epe) ha un andamento decrescente con l’ incremento della superficie disperdente, a parità di esposizione (Grafico 8).

Grafico 8

Il “ modello est “ (arancione) risulta consumare di più per il raffrescamento, avendo uno sviluppo della superficie a nord inferiore rispetto al “modello sud” (giallo). Questo comporta, per il primo caso, un bilancio complessivo di rientrate maggiore rispetto al secondo. Il Grafico 9, evidenzia come, per la forma rettangolare esposta ad est, i consumi invernali crescano all’aumentare di S/V, mentre gli estivi abbiano un comportamento inverso. Il bilancio complessivo, somma dell’ EP invernale ed estivo, presenta una situazione sostanzialmente equilibrata, con qualche piccola differenza tra caso e caso. Il discostamento tra il valore più basso e il alto si aggira intorno al 2% .

Grafico 9

Orientando gli edifici verso sud, i valori totali di EP (EPt) appaiono più bassi rispetto alla situazione precedente (Grafico 10). Questo è dovuto al fatto che gli EP, sia invernali che estivi, sono comunque inferiori se paragonati a quelli dei medesimi edifici rivolti ad est. La differenza esistente tra la soluzione migliore e la maggiormente sfavorita è dell’ordine del 3%.

Grafico 10

A identiche conclusione si perviene utilizzando il modello a pianta quadrata (Grafico 11). Anche in questo caso il bilancio totale, comprensivo di invernale ed estivo, è pressoché uguale al variare di S/V.

Grafico 11

Tutte le analisi fin qui svolte portano a certificare che la forma quadrata è la più efficiente in termini di risparmio energetico e lo dimostrano i grafici di seguito commentati. In fase invernale la situazione peggiore risulta essere quella del rettangolo con lato maggiore verso sud (giallo), mentre vi è una condizione di sostanziale parità tra il modello quadrato e quello rettangolare con parete preponderante orientato a est (arancione). In quest’ultimo caso la differenza tra i valori di Epi raggiunge al massimo il 4%. Questo è dovuto al fatto che i modelli quadrato (verde) e rettangolo est presentano un bilancio, tra guadagni e dispersioni, legati all’estensione e orientazione delle superfici, meno penalizzante rispetto al modello rettangolo sud, caratterizzato da forti dispersioni verso nord (Grafico 12).

Grafico 12

In estate i guadagni solari sono eccessivi e il modello rettangolare est (arancione), che in precedenza risultava essere più efficiente, appare avere maggiori consumi di energia primaria. Accade infatti che la superfici orientate ad est ovest (arancione) e sud (giallo) favoriscano le entrate di guadagni solari facendo crescere EPe. Il quadrato (verde) invece si dimostra la soluzione migliore anche in fase estiva (Grafico 13).

Grafico 13

Il modello maggiormente efficiente, per la località di riferimento deve essere individuato tenendo conto delle due fasi analizzate. Il diagramma elaborato mostra come il quadrato sia la soluzione più equilibrata, relativamente al comportamento invernale ed estivo. Le superfici rivolte a est, ovest e sud sono di entità sufficienti per gli apporti solari, necessari in inverno, mentre la situazione estiva risulta non gravosa per i contributi solari nella stagione calda. Questo porta ad un giudizio positivo, rispetto alle altre soluzione, mostranti comportamenti antitetici nelle due stagioni. Nella tabella 3 di seguito sono riportate le percentuali di parete esposte a nord in contrapposizione alla sommatoria delle restanti.

Tabella 3

E’ quindi possibile concludere che, durante la progettazione, bisogna favorire le forme che ottimizzano le esposizioni sull’intero arco dell’anno e non soltanto sulla singola stagione. Nella zona climatica considerata questi modelli si devono avvicinare alla quadrata.

[ Links utili e approfondimenti ]

• Energia Grigia e Soluzioni Tecniche in Edilizia per il Risparmio Energetico

• Efficienza Energetica, Dove Cominciare: Analisi dei Consumi Energetici