L’impatto dell’architettura sul progetto degli impianti

Progettare in mondo integrato significa essere consapevoli dello stretto rapporto che collega architettura e impianti e di come alcune scelte  influenzano il raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità, benessere e salubrità.

La progettazione sostenibile degli impianti deve prende­re in considerazione aspetti legati al contesto e all’ar­chitettura quali la posizione del sito, i fattori climatici locali, l’orientamento e la geometria dell’edificio, il suo involucro e la sua massa, la configurazione del lay-out e gli spazi tecnici. La corretta valutazione di questi aspetti ha un impatto notevole sia sulle condizioni di benessere e salubrità degli am­bienti destinati agli occupanti sia sull’efficienza energetica e idri­ca dell’edificio.

A tale scopo il progettista degli impianti deve quindi sensibiliz­zare l’architetto, anche nel rispetto dei riferimenti legislativi re­lativi alle prestazioni energetiche dell’edificio, come il decreto Requisiti Minimi e il decreto CAM per le opere pubbliche, come pure dei requisiti dei protocolli di certificazione degli edifici, quali LEED, BREEAM e WELL.

Lo sviluppo del progetto preliminare rappresenta la fase es­senziale per identificare i requisiti del committente e le scelte progettuali, definendo i benchmark per la valutazione delle va­rie opzioni che devono essere sviluppate per soddisfare questi obiettivi durante le successive fasi di progettazione.

Le caratteristiche del sito

La valutazione delle implicazioni legate alla scelta del sito nel quale deve essere costruito un edificio risulta essenziale per mi­nimizzare gli impatti ambientali che possono derivare dalla sua realizzazione, a partire dalle attività di costruzione fino a quelle svolte da chi occuperà la struttura. La progettazione sostenibi­le deve quindi considerare il maggiore costo ambientale delle costruzioni che comportano un impatto sull’habitat animale, sulle terre coltivabili o sulle aree verdi di una città.

Altre valuta­zioni riguardano il trasporto dei materiali e della manodopera, la conservazione di aree verdi che consentono lo sviluppo della biodiversità, la presenza di vie di accesso e dei sottoservizi ne­cessari a garantire il funzionamento dell’edificio, la vicinanza a zone residenziali e ad altri servizi per gli occupanti dell’edificio, in grado di ridurre l’impatto dei mezzi di trasporto.

Per gli edifici che devono essere costruiti in centri densamente abitati sono da valutare i vantaggi offerti dalla prefabbricazione per ridurre i tempi di costruzione e, in generale, l’impatto del trasporto dei materiali sulla qualità dell’aria. Sebbene il progettista degli im­pianti e il certificatore della sostenibilità abbiano solitamente un ruolo marginale per quanto riguarda la scelta del sito, è consi­gliabile che il committente li coinvolga già all’inizio del progetto per valutare le problematiche a esso correlate e le soluzioni ot­timali.

Aspetti come la forma dell’edificio e il suo orientamento, la presenza nelle vicinanze di sorgenti inquinanti, la qualità dell’aria ambiente, il livello dell’acqua nel sottosuolo, le mo­dalità di scarico delle acque usate, la di­sponibilità delle diverse fonti di energia (comprese quelle rinnovabili) possono infatti avere delle implicazioni rilevanti sulla progettazione degli impianti nelle fasi successive.

Informazioni specifiche su questa tema sono contenute nei diversi sistemi di certificazione di sostenibilità, come ad esempio i protocolli LEED relativi alle nuove costruzioni (LEED-NC) e agli edifici esistenti (LEED-EB).

I fattori climatici

I fattori climatici costituiscono le condizioni o le influenze ester­ne che possono avere un impatto sull’edificio. Le caratteristiche principali sono costituite dai profili della temperatura e umidità, dalla qualità dell’aria, dalle sorgenti potenziali di inquinamento, dalla disponibilità e dalla qualità di acqua potabile (o di falda).

È fondamentale essere a conoscenza degli specifici aspetti mi­croclimatici della zona di costruzione. Per esempio i diversi quar­tieri di una grande città possono presentare condizioni climati­che diverse tra loro per quanto riguarda qualità dell’aria esterna, temperatura, umidità e presenza di vento.

Le caratteristiche climatiche di un sito hanno, ovviamente, un impatto sulle prestazioni dell’edificio, specialmente su quelle energetiche. Il gruppo di progettazione deve essere in grado di esaminarle e di valutare se il clima locale possa essere utilizzato, o adattato, in modo tale da favorire la realizzazione dell’edificio con la riduzione al minimo delle emissioni di anidride carbonica.

L’orientamento

L’orientamento dell’edificio influisce su molti aspetti della pro­gettazione, dalle prestazioni energetiche fino alla percezione visiva da parte degli occupanti. La radiazione solare, i venti pre­valenti, la disponibilità di luce naturale, l’ombreggiatura creata dalla vegetazione, la topografia, la presenza di edifici vicini e la vista, sono tutti fattori che influenzano la scelta su come orienta­re l’edificio sul sito. L’orientamento può influenzare anche il pro­getto paesaggistico e il consumo di acqua per l’irrigazione delle aree verdi.

Vantaggi, svantaggi e soluzioni di compromesso do­vrebbero essere ben valutati nella scelta tra le varie opzioni e il progettista degli impianti può essere di grande aiuto in questo senso. Ad esempio, gli edifici che presentano una ridotta esposi­zione verso est ed ovest, specialmente quando essi dispongono di grandi superfici vetrate, risultano generalmente più efficienti dal punto di vista energetico, in considerazione degli elevati ap­porti termici dovuti alla radiazione solare associata alle suddette esposizioni durante i mesi estivi (figura 1). Anche la luce naturale più desiderabile arriva da nord in quanto è composta da luce dif­fusa che non provoca alcun riverbero (figura 2).

Se uno degli obiettivi del progetto consiste nello sfruttare la ven­tilazione naturale per ridurre i carichi frigoriferi estivi, allora l’e­dificio deve essere orientato in modo tale che le finestre siano apribili e i prospetti predominanti siano perpendicolari ai venti prevalenti in modo da sfruttare i regimi di pressione e fare in modo che l’aria esterna attraversi l’edificio.

È necessario consi­derare, tuttavia, che in alcuni casi ciò può entrare in conflitto con la necessità di ridurre al minimo i lati orientati verso est ed ovest per limitare gli apporti solari. La modellazione CFD rappresenta uno strumento molto utile per la valutazione dell’effetto che le varie opzioni possono avere sulle prestazioni dell’edificio.

Forma e geometria

La forma di un edificio ha un impatto notevole sulla funzionali­tà e sull’efficienza energetica, come pure sulle condizioni degli occupanti. Una delle valutazioni più importanti che devono es­sere eseguite nell’ambito di un progetto sostenibile riguarda l’ef­fetto della forma sull’illuminazione naturale degli ambienti e sui carichi termici dovuti alla radiazione solare.

Le dimensioni delle superfici vetrate, l’orientamento e la distanza delle postazioni di lavoro dalle finestre, oltre alle caratteristiche proprie del vetro, determinano la qualità e la quantità di luce naturale che raggiun­ge l’interno dell’edificio, come pure la vista delle persone verso l’ambiente circostante. Tutti questi fattori influenzano la forma che un edificio deve avere per soddisfare i requisiti di utilizzo otti­male della luce naturale.

La geometria di un edificio deve tenere conto anche di altri fattori. Ad esempio, per sfruttare al meglio la ventilazione naturale l’edificio deve essere configurato con una forma tale da catturare al meglio i venti prevalenti e convogliar­li in modo da ottenere il massimo beneficio. Un edificio con un prospetto che si ritrae verso l’interno nello sviluppo in altezza permette di ottenere un maggiore sfruttamento della radiazione solare in funzione della presenza di edifici adiacenti. Infine, la presenza di terrazze ricoperte di vegetazione riduce la quantità di acqua piovana da trattare (figura 3).

L’involucro

L’involucro dell’edificio ha la funzione principale di proteggere dalle condizioni climatiche dell’ambiente esterno (e, quando possibile, di sfruttare le condizioni favorevoli) e la sua progetta­zione è un fattore chiave che influenza le prestazioni dell’edificio e dei suoi occupanti.

I materiali di costruzione e le tecniche utilizzate per la realizza­zione dell’involucro hanno una diretta influenza sulla IEQ, sul di­mensionamento degli impianti HVAC e sui costi di gestione, tutti aspetti che hanno un notevole impatto sull’ambiente e sul costo del ciclo di vita. La definizione delle caratteristiche della pelle rappresenta quindi il punto di partenza per la progettazione so­stenibile, tenendo conto di quanto previsto dalla legislazione vi­gente in materia (decreto Requisiti Minimi del 2015).

In presenza di facciate continue è necessario prevedere vetri di tipo basso emissivi per contenere i disperdimenti di calore invernali, mentre per il controllo della radiazione solare è necessario adottare vetri selettivi a basso fattore solare oppure sistemi di schermatura di tipo fisso o mobile (frangisole verticali e orizzontali, lamelle o ten­de), possibilmente installati all’esterno, che consentano di sfruttare al massimo l’irraggiamento nel periodo invernale e di ridurre l’apporto solare in regime estivo, in modo da soddisfare il requisito relati­vo all’area solare equivalente estiva per unità di superficie utile (figure 4 e 5).

La dotazione di sistemi di schermatura fissi o mobili verso l’esterno è anche prescritta dal decreto CAM (Criteri Ambientali Minimi) per le parti trasparenti, sia verticali che inclinate, con esposizione da Est a Ovest, pas­sando da Sud. In alternativa, è possibile adattare vetri selettivi o a controllo solare. Le schermature devono possedere un valore del fattore di trasmissione solare totale accoppiato al tipo di vetro inferiore o uguale a 0,35.

I sistemi di schermatura mobile possono anche essere integrati all’interno di facciate continue a doppia pelle con intercapedine. In questo caso devono essere utilizzate tende motorizzate, av­volgibili oppure con lamelle orizzontali orientabili, che permetto­no di controllare anche l’illuminazione naturale. Per migliorare le prestazioni in regime estivo, l’intercapedine interna può essere ventilata e quindi raffreddata mediante un flusso d’aria, naturale o forzato, pre­levata dall’esterno.

Le pareti opache devono invece rispetta­re i valori limite di trasmittanza di calore, al fine di ridurre le dispersioni invernali, e presentare anche elevati valori di mas­sa superficiale oppure di trasmittanza periodica per garantire un adeguato sfa­samento termico (e quindi una riduzione del carico di punta estivo).

L’utilizzo della luce naturale

La vista verso l’esterno e la luce naturale hanno effetti psicologici e fisiologici positivi sugli occupanti dell’edificio, tuttavia è neces­sario considerare che una quantità eccessiva di luce e di riverbe­ro possono avere un impatto negativo. Il decreto CAM prescrive per qualsiasi destinazione d’uso un illuminamento da luce na­turale di almeno 300 lux, verificato almeno nel 50% dei punti di misura all’interno del locale, e di 100 lux, verificato almeno nel 95% dei punti di misura (livello minimo). Tali valori devono essere garantiti per almeno la metà delle ore di luce diurna.

L’analisi dell’involucro basata su programmi di simulazione del­lo sfruttamento della luce naturale permette al team di proget­tazione di ottimizzare le caratteristiche delle facciate vetrate in base al loro orientamento, ed inoltre fornisce le informazioni es­senziali occorrenti per realizzare un’analisi energetica comples­siva dell’edificio (figura 6).

A tale scopo sono disponibili diversi software che permettono di integrare i risultati del calcolo di simulazione della luce naturale nell’analisi energetica relativa ai consumi di riscaldamento e raffrescamento. Ciò permette la va­lutazione delle diverse combinazioni di tipologie di componenti vetrati e di impianti HVAC anche in termine di costo del ciclo di vita delle varie opzioni, per determinare quale sia la migliore per soddisfare gli obiettivi del progetto.

La formazione di umidità

Sebbene una delle funzioni principali dell’involucro dell’edifi­cio consista nel proteggere l’ambiente interno e gli occupanti dall’effetto del clima esterno, un fatto sorprendente è che l’80% dei claims delle compagnie di assicurazione nei confronti degli architetti riguarda l’ingresso di umidità attraverso l’involucro dell’edificio. Inoltre, questo fenomeno è la causa maggiore della sindrome dei sick buildings.

L’acqua può penetrare nell’edificio in tre modi: ingresso diretto di acqua piovana, ingresso di vapore d’acqua, pressurizzazione negativa ovvero infiltrazione non con­trollata. I team di progettazione spesso impiegano un approccio molto cautelativo per cercare di evitare l’ingresso diretto di ac­qua piovana ma poi si dimenticano di verificare che la progetta­zione e l’installazione garantiscano che l’obiettivo sia stato sod­disfatto. A tale scopo il commissioning consente di assicurare che l’edificio funzioni come previsto e di verificare che questo aspetto della progettazione sostenibile sia soddisfatto.

Spesso la trasmissione di vapore sia all’interno sia attraverso l’in­volucro dell’edificio viene trascurata in fase di progettazione. A tale scopo si dovrebbe invece esaminare il tipo di involucro pro­posto dagli architetti ed effettuare un’accurata analisi utilizzando i metodi di calcolo per la valutazione di questo fenomeno e per determinare l’eventualità della presenza di umidità all’interno dell’edificio. I problemi di IAQ e i danni agli edifici che risultano dalla presenza di umidità sono molto diffusi.

Mentre la pressu­rizzazione negativa di un edificio situato in un clima arido ha, in genere, uno scarso impatto sulla qualità dell’aria interna, gravi problemi possono verificarsi in un clima caldo e umido e, alle vol­te, anche in un clima temperato. L’infiltrazione di aria umida che ne risulta, oltre a costituire un costo aggiuntivo per l’impianto di climatizzazione, può creare la formazione di condensa in zone insospettate e a volte nascoste. I problemi che ne conseguono (quali muffe, produzione di spore, ecc.) possono essere così gravi da costringere all’evacuazione dell’edificio e elevati costi di intervento.

I progettisti devono essere ben consci dell’importanza che l’edi­ficio sia pressurizzato in modo adeguato al clima e all’impiego. Sotto tale aspetto diventa particolarmente critico il coordina­mento tra la progettazione degli impianti HVAC e quella dell’in­volucro per garantire ambienti salubri e tenere sotto controllo il consumo di energia.

A tale proposito è da notare che il decreto CAM prescrive che nelle unità immobiliari riscaldate deve essere garantito un livello di tenuta all’aria dell’involucro che garantisca l’assenza di rischio di formazione di condensa interstiziale nei pacchetti coibenti, nei nodi di giunzione tra sistema serramento e struttura, tra sistema impiantistico e struttura e nelle connes­sioni delle strutture stesse.

La configurazione del lay-out

Nel caso degli edifici per uffici, le esigenze del committente, i requisiti funzionali, i vincoli legati allo sfruttamento della luce naturale, l’aspetto estetico, sono tutti fattori che determinano le scelte relative alla configurazione degli spazi interni, e il risultato comporta un impatto rilevante sul progetto degli impianti.

Gli edifici per il terziario sono solitamente caratterizzati da zone perimetrali dotate di ampie vetrate e da locali interni, spesso utilizzati come sale riunioni, che necessitano di illuminazione artificiale. Inoltre, sono presenti sia spazi individuali sia aree open-space che nel tempo possono anche essere organizzate e suddivise, eventualmente utilizzando anche pareti divisorie che consentono una facile modifica del lay-out. Sempre più diffuse sono soluzioni quali aree break e phone booth (figura 7).

Gli uffici moderni richiedono un’elevata flessibilità essendo ca­ratterizzati da una forte dinamicità per la frequente necessità di modifiche del lay-out interno e l’utilizzo discontinuo degli spazi di lavoro. I livelli effettivi di affollamento in spazi caratterizzati da profili di occupazione molto variabili sono solitamente inferiori di almeno il 25% rispetto al valore massimo, con riduzioni fino al 60%. Gli impianti di climatizzazione devono quindi essere in grado di adeguare le prestazioni alle effettive necessità e di per­mettere un facile adattamento alle mutevoli esigenze riducendo al minimo i costi in caso di modifica degli spazi.

Evitare uno spreco di energia fornendo la possibilità di arrestare o parzializzare il funzionamento degli impianti che servono zone non utilizzate, costituisce un principio fondamentale di proget­tazione sostenibile e tale possibilità dipende in parte da come gli spazi sono configurati o raggruppati. Se la divisione di un’azien­da, o un gruppo di persone, deve lavorare con un orario diverso rispetto alla maggior parte degli altri occupanti, conviene preve­dere una zona specifica servita da un impianto dedicato onde evitare di far funzionare uno impianto più grande per soddisfare soltanto i fabbisogni di una zona limitata.

Anche se ciò rappresenta solo uno dei tanti fattori che devono essere presi in considerazione nella definizione del lay-out, un progettista di impianti HVAC dovrebbe assicurarsi che l’architet­to ne sia consapevole.

Gli spazi per gli impianti

La progettazione architettonica mira a ottenere il massimo della volumetria consentita e a sfruttare, nell’ambito di questa, tutta la super­ficie utile. Ne consegue la grande importanza attribuita alla riduzione degli spazi necessari all’alloggiamen­to degli impianti e delle centrali tec­niche (figura 8).

Secondo una stima approssimativa si può considerare che la superficie in pianta occupa­ta da centrali tecniche e cavedi sia compresa tra il 6 e il 10% di quella to­tale. Un aspetto fondamentale in fase di progettazione è anche rappresentato dal posizionamento delle reti di distribuzione dei fluidi (acqua e, soprattutto, aria) e dei terminali all’interno degli ambienti, che deve essere coordinato con il progetto delle altre discipline (interior design, strutture, impianti elettrici e speciali).

Il delicato aspetto degli spazi destinati agli impianti è affrontato anche dal decreto CAM e da una serie di linee guida come l’Ac­cordo Stato-Regioni del 5 ottobre 2006 e del 7 febbraio 2013. A tale scopo spazi e locali tecnici destinati ad alloggiare apparec­chiature e macchine devono essere adeguati ai fini di ottimare le prestazioni e di consentire una corretta manutenzione (anche igienica) degli stessi in fase d’uso.

Il progetto architettonico deve quindi individuare adeguati spazi e locali tecnici destinati ad al­loggiare esclusivamente apparecchiature e macchine, indican­do gli spazi minimi obbligatori, così come richiesto dai costruttori nei manuali di uso e manutenzione, e i punti di accesso ai fini manutentivi lungo tutti i percorsi dei circuiti degli impianti tec­nologici, qualunque sia il fluido veicolato all’interno degli stessi.

Per quanto riguarda gli ambienti destinati agli uffici, la soluzione più comune per l’allestimento è rappresentata dall’utilizzo dei controsoffitti per alloggiare corpi illuminanti e diffusori, occultare le reti impiantistiche, il cui impatto estetico è considerato troppo invasivo nei confronti dell’interior design, e svolgere una funzio­ne fonoassorbente. Questa soluzione comporta tuttavia una serie di proble­matiche.

La più impegnativa è quella di trovare gli spazi necessari per il passag­gio di canali e tubazioni e per l’ubicazio­ne dei terminali, dato che molto spesso l’altezza di un controsoffitto non supera 300 mm. Un altro aspetto da conside­rare è la difficoltà di manutenzione e di ispezione dei terminali, spesso installati in posizioni di difficile accesso.

Negli ultimi anni si è diffusa la soluzione di lasciare gli impian­ti a vista (figura 9). L’eliminazione del controsoffitto consente di realizzare ambienti di maggiore altezza, quindi più vivibili dagli occupanti, e di aumentarne la flessibilità in caso di modifiche del lay-out delle postazioni di lavoro. A fronte di questi vantag­gi è necessario valutare l’aspetto acustico, in particolare negli open-space, e realizzare a regola d’arte la posa di canali e tu­bazioni.

Per rispondere a questa tendenza sono state sviluppate una serie di soluzioni caratterizzate peraltro da ottime prestazio­ni dal punto di vista energetico come, ad esempio, le vele radian­ti di tipo ibrido che integrano la funzione di immissione dell’aria di ventilazione e che risultano molto flessibili per eventuali mo­difiche del lay-out se installate in corrispondenza del modulo di facciata (figura 10).

Un approccio integrato

Il sito, la disponibilità di risorse, la IEQ e gli aspetti operativi de­vono essere considerati fattori collegati tra loro in modo interdi­pendente. Se si pone l’attenzione su uno solo di questi elementi trascurando gli altri, si rischia di compromettere il risultato finale del progetto.

Definendo attentamente i requisiti del committente nella fase preliminare, in modo da stabilire gli obiettivi e i crite­ri progettuali, inclusi quelli relativa alla sostenibilità, è possibile fissare delle fondamenta solide per una progettazione integra­ta, migliorare l’efficienza finale dell’edificio e trovare il maggiore compromesso tra i requisiti del committente e degli occupanti.