Simulazione dinamica di un organismo edilizio : il rifugio alpino. Strategie e cultura materiale per l'insediamento della struttura all'insegna del comfort abitativo e della sostenibilità nel contesto

Questa tesi di laurea nasce con l’obiettivo di dimostrare l’importanza, l’utilità e l’efficienza che l’uso di programmi di simulazione dinamica hanno all’interno dello scenario della progettazione architettonica. Questo tipo di strumento può essere utilizzato per simulare, durante il percorso progettuale, le molteplici risposte, di comfort e di comportamento energetico, legate alle scelte strutturali, compositive ed impiantistiche ipotizzate dal progettista, durante la realizzazione o ristrutturazione di un qualsiasi edificio, posto in un qualunque sito. Per dimostrare il reale potenziale di questa tipologia di approccio, e la sua superiorità rispetto ai più conosciuti ed utilizzati sistemi a regime stazionario, si è scelto di analizzare un sistema edilizio molto particolare, non solo per la tipologia costruttiva, ma soprattutto per il contesto ambientale nel quale è inserito: si tratta infatti di una struttura alpina d’alta quota. Proprio la condizione climatica inusuale e l’utilizzo prettamente estivo della struttura, impedisce l’uso dei più comuni software (Cened, Docet,...); a causa delle loro grossolane approssimazioni infatti, non sono in grado, in questo caso, di fornire simulazioni realistiche. La struttura sulla quale è stato sviluppato lo studio è il rifugio alpino Ponte di Ghiaccio, situato nelle vicinanze dell’omonimo lago, sulla sella che collega la valle di Lappago a quella di Fundres, in Val Aurina. A causa dello stato di fatiscenza nel quale versa, ne è stata prevista, nel 2011, la demolizione e la ricostruzione, regolamentata dal bando emesso dalla Provincia di Bolzano, al quale si è attenuto lo studio MoDusArchitects, vincitore del concorso. Nelle disposizioni erano vincolante le condizioni relative ad orientamento e volumetria, fissata a 1850 m3. Come anticipato la grande particolarità legata al rifugio è il contesto nel quale s’inserisce: trovandosi a 2545 m s.l.m infatti, le oscillazioni relative a valori di temperatura, umidità e pressione atmosferica sono estremamente mutevoli, si passa da una temperatura minima di progetto dell’aria esterna per l’estate di -4,8°C, a massime che sfiorano anche i 23°C; con valori di umidità relativa che oscillano tra il 60-90%. Il reale comportamento termico-dinamico del sistema costruttivo è strettamente dipendente dalla variabilità delle condizioni ambientali al contorno, per questo motivo l’involucro dell’edificio può essere inteso come filtro dei flussi di energia. In particolare, il flusso termico trasmesso dipende dalle oscillazioni delle condizioni interne all’edificio (determinate dalle modalità di occupazione e di gestione degli impianti) e, contemporaneamente, dalle fluttuazioni delle condizioni climatiche che si verificano al suo esterno. Per determinare numericamente tali effetti, è necessario ricorrere a valutazioni di tipo dinamico, che considerino la variabile temporale correlata agli effetti della capacità termica dei materiali, nel calcolare i fenomeni di trasmissione del calore. La Simulazione Dinamica è quindi una tipologia d’analisi finalizzata a studiare il comportamento di un qualunque edificio, posto in qualsiasi sito (dalla struttura in condizioni climatiche estreme, all’edificio storico, alla semplice residenza cittadina), agendo su un modello, che riproduce dinamicamente il sistema reale. Questo sistema permette di realizzare simulazioni che consentono previsioni su scenari alternativi dando risposte quantitative alla domanda “Cosa succederebbe se all’edificio fosse applicato tale orientamento/forma/tecnologia/...?” senza sprechi, rischi o disturbo al sistema reale. Quindi il confronto tra simulazioni di soluzioni alternative, adottate per la medesima struttura, consente di individuare le scelte in grado di fornire le migliori soluzioni progettuali dal punto di vista energetico ed i “costi”, in termini quantitativi di energia e comfort, di scelte progettuali che, per obbligo o per volontà, si discostano dalla scelta più efficiente (ad es. quale è il costo energetico di una forma meno compatta?). Per questa ragione, la simulazione dinamica è una tecnica di project management per supportare le decisioni riguardanti l’anticipazione e il contenimento dei rischi di progetto. Come accennato in precedenza inoltre, l’utilizzo della Simulazione Dinamica consente di superare il limite intrinseco dei metodi tradizionali di calcolo delle prestazioni che, essendo basati su procedure semplificate, che risolvono il bilancio energetico in regime stazionario, su base mensile o stagionale, omettono l’analisi dettagliata delle variazioni delle prestazioni termiche dei sistemi edilizi nell’arco della giornata. In generale la valutazione del comportamento di un edificio nella stagione estiva, ed almeno in parte in quelle intermedie, alle latitudini italiane, non è realizzabile in modalità diversa dalla dinamica. Le attuali modalità stazionarie inseriscono errori tanto grandi da essere praticamente non utilizzabili. Le condizioni estreme, del progetto presentato hanno reso indispensabile il ricorso a questo tipo di simulazione se si vogliono ottenere risultati quantitativamente utilizzabili, ma le tipologie costruttive che necessitano di questa modalità di analisi oggi sono molteplici: si va da edifici particolari per uso o localizzazione, dai rifugio alpini ai padiglioni espositivi, come potrebbero essere quelli per l’imminente Expo 2015, o alle stazioni ed in generale agli edifici pubblici, fino ad arrivare a normali i locali per uffici. Paradossalmente è la sola residenza civile, la soluzione in cui il ricorso a modelli dinamici è meno necessaria. Nel presente elaborato è stato riportato quindi, l’approfondimento sulla struttura alpina attraverso lo studio sviluppato in termini quantitativi dei benefici apportati da soluzioni qualitativamente riconosciute e note. Il percorso è stato articolato in due fasi: la prima concernente l’analisi in dinamica libera, con la quale sono state valutate le soluzioni di progetto, ed una seconda, relativa all’impiantistica, funzionale alla valutazione del mantenimento della condizione di comfort interno. Sulla base di questa articolazione si è partiti dal concetto di bilancio energetico, e dall’equazione che lo contraddistingue, sviluppando le tematiche che sono racchiuse entro i termini matematici che compongono quest’espressione: E = ET+ EV - (AS + AI). In primis è stato approfondito il tema della morfologia, è noto infatti che, quando è possibile, poter determinare progettualmente la forma dell’edificio permette di poterne anche controllare il comportamento termico; la scelta di una forma compatta, in base al più vantaggioso rapporto tra superficie e volume rispetto alle dispersioni termiche, è quella più auspicabile perché implica una minore possibilità di dissipare energia, ma in questo caso quanto influisce rispetto alla forma ad “L” vincitrice del concorso?. L’attenzione è stata spostata poi sulle superfici opache: uno dei compiti dell’involucro infatti, è quello di modulare le condizioni ambientali esterne in modo da creare all’interno condizioni più confortevoli; si sono studiate quindi una serie di casistiche ricercando soluzioni intelligenti al di là del luogo comune, sfatando l’attuale tendenza basata sull’iper-isolamento. In seguito è stato trattato un tema altrettanto critico: il grado d’influenza degli apporti solari, sviluppando un’analisi sulla base del confronto tra l’incidenza che diverse soluzioni, relative alle disposizione di superfici vetrate, hanno nella logica “d’accumulo”. Ciò ha necessariamente richiesto, in seguito allo spostamento delle finestre in copertura, la ridistribuzione degli ambienti all’interno della struttura, in modo tale che le zone giorno continuassero a essere quelle maggiormente irradiate. I fattori fin qui espressi illustrano il grado d’incidenza che, in questo caso, l’energia di trasmissione ET e gli apporti solari AS hanno all’interno del bilancio energetico; da qui si è poi passato ad indagare gli altri termini dell’equazione legati all’energia di ventilazione EV ed agli apporti interni AI. Lo studio ha approfondito quindi il peso che hanno sul calcolo del carico termico la presenza di persone e l’utilizzo necessario di apparecchiature elettriche ed d’illuminamento, modulate diversamente nell’arco delle giornate d’attività della struttura. L’analisi si è giocata sul confronto tra il modello di base e quello ridistribuito. In seguito è stato trattato l’importante tema della ventilazione naturale, infatti, l’efficienza di una massa termica è legata all’associazione con questo criterio; la ventilazione inoltre è importante anche in relazione al controllo dell’umidità e della qualità dell’aria interna. L’analisi è mirata in questo caso alla riscoperta di un sistema che non permette solo di apportare un raffrescamento, secondo il più comune “freecooling”, ma anche un riscaldamento gratuito degli ambienti, grazie semplicemente alla capacità di sfruttare, modulando le aperture in modo accorto, i momenti in cui la temperatura esterna è maggiore di quella rilevata negli ambienti interni. La seconda fase del lavoro ha visto lo sviluppo di una serie di tipologie impiantistiche, in grado di mantenere costante la condizione di comfort all’interno degli ambienti, anche quando la grande mutevolezza delle condizioni esterne porta, al di là della bontà del costruito, ad una necessità d’intervento per ristabilire nei locali un gradiente di temperatura accettabile. Infine, a dimostrazione della precisione e delle potenzialità del software, sono state realizzate delle analisi di sensitività. La prima è stata effettuata secondo un approccio numerico per dimostrare come il modello importato sia visto correttamente dal simulatore, non presentando problemi legati alla dinamica in relazione al variare dell’intervallo di tempo considerato (il confronto per la valutazione della precisione del calcolo è stato impostato prima ogni 15’, poi ogni 6’, 3’, 2’ e infine ogni minuto). Una seconda analisi è stata invece sviluppata secondo un approccio legato al progetto, modificando di pochissimo il parametro della conducibilità nello strato d’isolante e osservando come, per quanto piccolo sia il cambiamento, questo venga rilevato, calcolato e riportato dal programma. Questo elaborato si presenta quindi come la redazione di un’analisi qualitativa e soprattutto quantitativa, mirata a far comprendere l’importanza delle buone scelte fatte a monte del percorso progettuale, la cui bontà può essere comprovata solo attraverso l’utilizzo di un programma di simulazione dinamica quale è il software EnergyPlus.