La nascita del progetto

VELUXlab è il primo edificio italiano NZEB (Nearly Zero Energy Building) a energia quasi zero inserito in un campus universitario. Il modulo sperimentale, realizzato all’interno del Campus Bovisa del Politecnico di Milano, rappresenta un caso pilota di edificio ad altissima efficienza energetica. Il progetto si inserisce nel panorama futuro degli edifici a energia quasi zero previsto a partire dal 2020 dalla direttiva europea 2010/31/UE.

Partendo dal progetto architettonico originario di ACXT/IDOM per VELUX, lo studio Atelier 2 di Milano ha riprogettato completamente l’involucro esterno e il layout degli spazi interni, concependo il nuovo edificio come un modulo sperimentale ad alto contenuto tecnologico e innovativo.
L’edificio, inaugurato lo scorso 25 gennaio, il sarà destinato ad attività di ricerca dei dipartimenti BEST ed Energia del Politecnico di Milano e sarà utilizzato come laboratorio per testare nuove tecnologie e materiali per l’efficienza energetica in edilizia e per lo studio della luce e ventilazione naturale.
Concepito come un modulo sperimentale in cui la stessa forma consente una risposta attiva al mutare delle condizioni climatiche esterne, VELUXlab presenta ottimi livelli di confort interno e di efficienza energetica.
L’attenta progettazione dell’involucro, unita alla progettazione energetica ed impiantistica, ha consentito di minimizzare il fabbisogno energetico dell’edificio. Il comportamento energetico dell’involucro, costruito con tecnologia stratificata a secco, è stato simulato attraverso modelli energetici in regime dinamico valutandone l’efficacia e le prestazioni.

Efficienza energetica e minimo impatto ambientale

Parte dell’edificio, compreso l’impianto termico, sarà costantemente monitorato attraverso un’innovativa rete di sensori wireless.
L’intero intervento è stato condotto in ottica di efficienza energetica e minimizzando l’impatto ambientale.
Sono stati infatti impiegati materiali isolanti a matrice lignea o facilmente riciclabili i quali, assieme ai pannelli di rivestimento esterno in fibra di vetro riciclata, al riempimento delle intercapedini con polistirene sbriciolato derivante dagli sfridi triturati delle lavorazioni e alla pavimentazione esterna in legno di iroko riutilizzato, contribuiscono alla riduzione dell’impatto ambientale del laboratorio nel suo intero ciclo di vita.
La stessa tecnologia costruttiva a secco consente una facile smontabilità e riciclabilità dell’edificio nelle sue componenti e al contempo il raggiungimento di ragguardevoli prestazioni energetiche e acustiche. Il comfort all’interno dei locali è garantito dall’attenta progettazione energetica e dall’integrazione di sistemi impiantistici radianti a bassa temperatura ma anche dall’ottima luminosità interna degli ambienti ottenuta grazie alle finestre per tetti integrate nelle falde di copertura.
In aggiunta, l’uso di controsoffitti fonoassorbenti realizzati con lastre di gesso rivestito additivato di zeolite, consente di migliorare il comfort acustico interno e al contempo di ridurre il quantitativo di inquinanti nell’aria.
VELUXlab rappresenta un modello per gli edifici per uffici di futura costruzione, un esempio che aprirà le porte a future sperimentazioni e implementazioni.

Architettura e tecnologia: il progetto e le stratigrafie

Il layout planimetrico è caratterizzato da una disposizione a corte aperta con orientamento Nord-Sud.
La forma dell’edificio consente di proteggere le porzioni vetrate maggiormente esposte alla radiazione solare estiva e allo stesso tempo favorisce la ventilazione naturale degli ambienti.
Le falde di copertura a differente inclinazione integrano finestre per tetti in grado di garantire il corretto illuminamento dei locali, convogliando negli spazi la luce zenitale.
Il sistema costruttivo utilizzato è di tipo stratificato a secco, con materiali isolanti di diversa densità e differenti caratteristiche termiche.
L’involucro assicura elevati valori di sfasamento termico e bassa trasmittanza termica.
I materiali che costituiscono l’involucro sono per la maggior parte facilmente riciclabili o ad alto contenuto di riciclato e riducono l’impatto ambientale dell’edificio nel suo ciclo di vita.
La trasmittanza termica media dell’involucro è di 0.146 W/m2K
Lo sfasamento termico medio è di 10h 30m

Architettura e tecnologia: i principali materiali impiegati

Ecco un elenco dettagliato dei principali materiali impiegati per la realizzazione del laboratorio di ricerca:
- Pannelli isolanti in fibra di legno Celenit N Costituiti dal 65% di fibre di legno d’abete marchio ANAB-ICEA, per le caratteristiche di ecobiocompatibilità
λ = 0.066 W/mK, d = 430 kg/m3
- Pannelli isolanti in lana di roccia, materiale naturale con capacità di isolamento termico e fonoassorbente. E’ eco-compatibile: permette di risparmiare fino a 100 volte l’energia utilizzata per la sua produzione.
λ = 0.038 W/mK, d = 40 kg/m3
- Pannelli isolanti in fibre minerali prodotto con il 95% di materie prime naturali e riciclate. Materiale con alta capacità fonoassorbente
λ = 0.040 W/mK
- Sistema isolante esterno ventilato realizzato mediante pannelli isolanti in poliuretano espanso con integrato il profilo di ventilazione e di supporto del rivestimento esterno
λ = 0.024 W/mK d = 38 kg/m3
- Materiale riciclato (sbriciolato di polistirene derivante dagli scarti delle lavorazioni) a riempimento delle intercapedini
- Pannelli in OSB (oriented strand board, pannello a scaglie orientate) è un pannello tecnico a base di legno costituito da scaglie incollate insieme
- Finestre per tetti VELUX ad alte prestazioni. Triplo vetro bassoemissivo, intercapedine con gas Krypton Ug = 0.5 W/m2K, Uw = 1.0 W/m2K
- Serramenti esterni con profili di alluminio a taglio termico ad alte prestazioni e triplo vetro bassoemissivo Ug = 0.5 W/m2K, Uw = 1.05 W/m2K
- Rivestimento esterno opaco ventilato realizzato con lastre porta intonaco StoVentec composte da materiale riciclato (fibra di vetro) e un intonaco organico come finitura.
- Controsoffitto fonoassorbente con lastre Knauf Cleaneo: lastre di gesso rivestito con additivi ad effetto catalitico (zeoliti) in grado di ridurre gli inquinanti presenti nell’aria degli ambienti
- Struttura portante in acciaio facilmente smontabile e riciclabile. Solo il solaio controterra è in calcestruzzo armato per garantire inerzia termica
- Deck esterno in legno di Iroko, recuperato da precedenti installazioni: riduzione dell’impatto ambientale dell’edificio

Simulazioni energetiche e schema impiantistico

Per testare le soluzioni tecnologiche progettate e valutare l’efficienza energetica complessiva dell’edificio, sono state condotte delle simulazioni energetiche in regime dinamico. Il vantaggio di questo complesso sistema di simulazioni risiede nel poter disporre dell’andamento orario del comportamento energetico dell’edificio lungo tutto l’arco dell’anno.
Tale metodo di simulazione consente di avere una stima verosimile del comportamento energetico del sistema edificio/impianto durante la stagione estiva, dove le condizioni climatiche esterne (ma anche interne se si considera la fluttuazione dei carichi termici) sono in continuo mutamento. In questo caso un’analisi con un metodo semi-stazionario porterebbe a risultati non fedeli alla realtà.
Le simulazioni energetiche sono state condotte con il software Trnsys (Transient System SimulationTool), che consente di modellare qualsivoglia edificio e sistema impiantistico per valutarne il comportamento energetico. In questo caso si è operato dapprima costruendo il modello generale dell’edificio e successivamente si sono creati differenti scenari per stabilirne il comportamento energetico e i benefici in termini di riduzione del fabbisogno energetico complessivo. Sono quindi state svolte quattro differenti simulazioni per testare l’efficacia di più soluzioni bioclimatiche ed impiantistiche al fine di giungere a un modello dell’edificio particolarmente realistico e successivamente confrontabile con il monitoraggio previsto.
L’impianto installato prevede un sistema radiante a pavimento a bassa temperatura con una resa termica di circa 90 W/m2 in inverno e 30 W/m2 in estate.
Generatore termico con pompa di calore reversibile (aria-acqua) modulante ad alta efficienza da 7 kW in riscaldamento (con acqua da 30/35 °C e 0 °C aria esterna) e 6.1 kW in raffrescamento (con acqua da 7/12 °C e 35 °C aria esterna).
Ventilazione meccanica  controllata con recupero di calore ad alta efficienza (oltre 90%) dall’aria di estrazione munito di bypass motorizzato e batteria fredda, portata max 470 m3/h.
Ottimizzazione consumi energetici attraverso sonda climatica esterna più cronotermostati per ogni singolo ambiente.
Impianto solare termico per la totale copertura del fabbisogno di acqua calda sanitaria.
Monitoraggio continuo di tutto il sistema impiantistico e dei suoi consumi.
Raggiungimento di ottimi valori di fabbisogno energetico: pre-certificazione energetica (secondo metodo CENED) in classe A

Monitoraggio dell'edificio

L’edificio verrà interamente monitorato per valutare non solo i suoi reali consumi energetici, ma anche il comportamento termico dinamico dell’involucro e validare i modelli analitici adottati.
E’ infatti previsto un sistema di sensori di temperatura superficiale e di intercapedine e di ulteriori contatori per il calcolo del consumo energetico finale dell’edificio.
L’innovativo sistema di monitoraggio messo a punto è basato su una rete di acquisitori di dati senza fili di ultimissima concezione (WSN, Wireless Sensor Network). Il progetto di messa a punto del software di acquisizione dei dati è stato seguito dal Prof. Gianpaolo Cugola del Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano.
Il monitoraggio delle prestazioni dell’edificio è volto alla valutazione dell’efficacia delle chiusure opache con rivestimento ventilato in climi miti, delle condizioni di comfort termico interno e allo svolgimento di alcune considerazioni sull’applicazione di soluzioni di involucro stratificate leggere alle nostre latitudini in edifici a destinazione d’uso non residenziale.
I nodi della rete di sensori wireless (WSN) sono rappresentati da dispositivi TelosB ai quali è stata collegata una scheda di acquisizione dati progettata ad hoc al fine di rimanere nelle specifiche di progetto (< 0,1 °C di errore nella lettura della temperatura) utilizzando sonde PT1000.
I TelosB consentono l’acquisizione dati, la loro elaborazione e la trasmissione. Essi sono autoalimentati attraverso quattro semplici batterie AA (il cui tempo di vita è in fase di sperimentazione). Il software utilizzato è stato messo a punto dal dipartimento DEI del Politecnico di Milano.
I sensori di temperature installati sono così suddivisi:
- 14 Sonde di temperatura superficiale PT 1000 classe A con elemento sensibile al Platino per il monitoraggio dell’involucro
- 6 Sonde di temperatura superficiale PT 1000 classe A con elemento sensibile al Platino e 2 contatori elettrici dedicati per il monitoraggio dell’impianto
- 7 Micro Data-logger wireless TelosB a cui sono collegati i sensori di temperatura

Conclusioni finali

L’edificio sperimentale VELUXlab rientra nel progetto più ampio, voluto dal Politecnico di Milano, denominato Campus Sostenibile, azione primaria dell’Ateneo nell’anno delle celebrazioni del suo 150esimo anno di fondazione
Confrontato con un edificio per uffici tradizionale il suo fabbisogno energetico risulta essere nettamente inferiore e rappresenta un possibile modello per il futuro delle costruzioni.
Le prospettive future per questo prototipo sono molteplici e riguardano in particolare il sistema di monitoraggio delle prestazioni senza fili che potrà essere sviluppato in futuro e potenzialmente integrato anche con i sistemi di gestione e conduzione dell’impianto per ottimizzare sempre più i consumi energetici.
VELUXlab sarà di fatto un laboratorio d’eccellenza dove poter sperimentare e testare innovative soluzioni tecnologiche e di involucro e ospiterà ricercatori dei dipartimenti BEST ed Energia del Politecnico di Milano che potranno lavorare in sinergia in un ambiente luminoso, confortevole e stimolante.
VELUXlab si presenta come un edificio prototipo, un progetto pilota per il futuro delle costruzioni e il suo comportamento potrà essere costantemente verificato e mostrato grazie all’innovativo sistema di monitoraggio.

Credits e dati generali

Coordinamento generale: Prof.ssa Manuela Grecchi, delegato del Rettore all’edilizia – Politecnico di Milano
Coordinamento scientifico: Prof. Marco Imperadori, Dipartimento BEST – Politecnico di Milano
Concept Architettonico originario ATIKA: ACXT/IDOM-Javier AjaCantalejo e Roberto Aparicio Ronda
Progetto Architettonico, tecnologico, direzione lavori e coordinamento per la sicurezza VELUXlab: Atelier 2 – Milano
Coordinamento simulazioni energetiche, impiantistiche e progetto del sistema di monitoraggio: Ing. Michele Sauchelli – Dipartimento BEST, Politecnico di Milano
Team sviluppo tecnologico: Prof. Marco Imperadori, Ing. Michele Sauchelli, Ing. Narghes Doust – Dipartimento BEST, Politecnico di Milano
Team sviluppo energetico/impiantistico: Prof. Mario Motta, Ing. Alberto Mauro – Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano
Team sviluppo sistema di monitoraggio: Prof. Gianpaolo Cugola, Ing. Alessandro Sivieri – Dipartimento DEI, Politecnico di Milano
Impresa di costruzioni: Bertolani – costruzioni compatibili di Bertolani Alessandro
Responsabile tecnico di cantiere: Geom. Marco Talassi
Impianti elettrici: Forlani Impianti
Impianti meccanici e idrico-sanitari: Idronova
Serramenti verticali esterni: Kaser – Schüco
Finestre a tetto e pannelli solari termici: VELUX
Finanziamento: VELUX Italia Spa

AUTORE
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Marco Imperadori
Ingegnere, PhD, Professore Associato presso il Politecnico di Milano, titolare della cattedra di ...
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