La facciata diventa impianto: così l’HVAC integrato cambia il retrofit energetico degli edifici

Le facciate prefabbricate attive rappresentano una soluzione avanzata per la riqualificazione energetica degli edifici esistenti. Integrando sistemi HVAC direttamente nell’involucro edilizio, consentono ventilazione meccanica con recupero di calore e climatizzazione senza interventi invasivi interni. Uno studio coordinato da Eurac Research ha dimostrato che queste tecnologie possono ridurre la trasmittanza termica effettiva di oltre due terzi rispetto a stratigrafie passive equivalenti. La ricerca combina monitoraggio sperimentale in scala reale e modellazione FEM tridimensionale in COMSOL, introducendo inoltre il metodo HeTheP per supportare la progettazione termoenergetica delle facciate attive.

Facciate attive prefabbricate con HVAC: il retrofit passa dall’involucro-impianto

Una facciata prefabbricata in legno con sistema HVAC integrato può ridurre la trasmittanza termica effettiva di oltre due terzi rispetto alla stessa stratigrafia senza componenti attivi. È uno dei risultati di un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Istituto per le Energie Rinnovabili di Eurac Research, in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria della Libera Università di Bolzano, Ecoloop e MCI The Entrepreneurial School di Innsbruck, pubblicato sulla rivista Buildings.

La facciata oggetto dello studio appartiene alla categoria dei sistemi prefabbricati attivi progettati per la riqualificazione energetica degli edifici esistenti.

Anziché affidarsi esclusivamente all'isolamento, questi sistemi integrano un'unità HVAC direttamente nella struttura della facciata, garantendo ventilazione con recupero di calore e climatizzazione degli ambienti senza richiedere interventi invasivi all'interno dell'edificio. Sebbene questi sistemi abbiano suscitato un interesse crescente nella ricerca nell'ultimo decennio, il loro comportamento termico come sistemi completi non era stato ancora caratterizzato in modo rigoroso.

Per colmare questa lacuna, il gruppo di ricerca ha realizzato un prototipo in scala reale della facciata presso il Facade System Interactions Lab di Eurac Research a Bolzano, monitorandolo per sei mesi in condizioni climatiche esterne reali. I dati sperimentali sono stati poi utilizzati per sviluppare, calibrare e validare un modello agli elementi finiti tridimensionale in COMSOL Multiphysics, verificato rispetto alle misurazioni ottenute in tre scenari operativi: riscaldamento invernale, raffrescamento estivo e sistema HVAC spento. Il modello ha raggiunto un errore assoluto medio inferiore a 0,6 K in tutti e 10 i punti di misura della temperatura superficiale, per tutti e tre i casi di validazione.

«I metodi standard per valutare le prestazioni termiche delle pareti sono stati concepiti per elementi edilizi statici e passivi. Una facciata attiva si comporta in modo diverso a seconda delle condizioni operative, e questa complessità richiedeva sia un approccio sperimentale rigoroso sia nuovi strumenti per esprimerne le prestazioni», ha dichiarato Ingrid Demanega, ricercatrice di Eurac Research e co-autrice dello studio.

Poiché la facciata è destinata a interventi di retrofit su edifici con stratigrafie di parete molto variabili, il gruppo di lavoro ha esteso l'analisi a cinque diversi valori di resistenza termica delle pareti esistenti, suddividendo la superficie della facciata in zone caratteristiche: zona del condotto di mandata, zona del condotto di ripresa/ricircolo, zona dell'unità HVAC e area passiva indisturbata, a ciascuna delle quali è stato assegnato un indicatore di prestazione specifico. Questa suddivisione costituisce la base di uno strumento di calcolo semplificato, HeTheP (Heating Thermal Performance), pensato per supportare i professionisti nei processi di progettazione.

La ricerca è stata condotta nell'ambito del progetto europeo Horizon 2020 INFINITE (Grant Agreement 958397).

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La redazione di Ingenio, ha intervistato la ricercatrice Ingrid Demanega co-autrice dello studio.

Facciate attive prefabbricate: il parametro Ueq può diventare decisivo per i progettisti?

1. Lo studio dimostra che la facciata attiva può ridurre significativamente la Ueq. Questo risultato può cambiare il modo in cui valutiamo le prestazioni dell'involucro negli interventi di retrofit?

Ingrid Demanega

Sì, e questa è proprio una delle ambizioni del progetto INFINITE: superare l'approccio tradizionale che valuta l'involucro solo come elemento passivo. Il nostro studio dimostra che il valore U (trasmittanza termica) convenzionale non è sufficiente per descrivere il comportamento termico di una facciata con componenti attivi integrati. La trasmittanza termica equivalente Ueq che proponiamo tiene conto dell'effetto combinato delle perdite per trasmissione e degli apporti interni introdotti dal sistema di climatizzazione.

Questo tipo di indicatore potrebbe affiancare e integrare le metriche attuali, offrendo ai progettisti uno strumento più realistico per valutare e confrontare soluzioni passive e attive nel retrofit. Se vogliamo che le facciate attive prefabbricate diventino una tecnologia diffusa, come previsto dall'approccio "Renovation4.0" di INFINITE, è necessario che anche i metodi di valutazione si adeguino alla complessità di questi sistemi.

Retrofit energetico: la facciata attiva integra isolamento, VMC e climatizzazione

2. La facciata diventa isolamento, impianto, distribuzione dell'aria e controllo del comfort. Quali conseguenze per progettisti, imprese e produttori?

Ingrid Demanega

La principale conseguenza è la necessità di un approccio interdisciplinare fin dalle prime fasi della progettazione. La facciata multifunzionale è stata sviluppata all'interno del progetto INFINITE integrando competenze di fisica tecnica dell'edificio e ingegneria meccanica in un unico sistema prefabbricato. Per i progettisti, questo significa che involucro e impianto non possono più essere progettati separatamente: le scelte sul percorso dei canali, sulle portate d'aria e sulle temperature di mandata influenzano direttamente le prestazioni termiche della parete. Per le imprese di costruzione servono nuove competenze per l'installazione di moduli che contengono componenti impiantistici, e per garantire la qualità dei giunti con l'edificio esistente.

Per i produttori, come Rubner, Vortice e Fanti nel consorzio INFINITE, la sfida è sviluppare prodotti standardizzati ma adattabili, con dati prestazionali chiari che i progettisti possano utilizzare nei loro calcoli.

La facciata diventa di fatto un prodotto di sistema, non più un semplice componente edilizio.

Come valutare una facciata attiva HVAC? Il FEM 3D mostra flussi termici e zone critiche

3. Il modello FEM 3D validato consente di leggere il comportamento termico della facciata nelle sue diverse zone. Quanto è importante passare da valutazioni semplificate a strumenti più dettagliati?

Ingrid Demanega

È fondamentale, ma con un'avvertenza importante. Gli strumenti dettagliati come il modello agli elementi finiti 3D che abbiamo sviluppato in COMSOL sono indispensabili per comprendere e validare il comportamento termico di assemblaggi così complessi — ad esempio, il nostro modello ha rivelato che nell'area del canale di mandata il flusso termico si inverte, generando un apporto netto verso l'ambiente interno anziché una perdita. Questo fenomeno sarebbe del tutto invisibile con un calcolo semplificato monodimensionale. Tuttavia, i modelli dettagliati da soli non bastano per la pratica professionale quotidiana. Il vero valore sta nell'utilizzare modelli validati per derivare indicatori semplificati ma affidabili che traducano la complessità del modello in informazioni utilizzabili dai progettisti. È esattamente la filosofia di INFINITE: combinare digitalizzazione e strumenti avanzati per produrre soluzioni accessibili al mercato.

Quali edifici sono più adatti al retrofit con facciate prefabbricate HVAC?

4. L'integrazione dell'HVAC nella facciata può rendere il retrofit meno invasivo. Quali tipologie edilizie ne beneficerebbero maggiormente?

Ingrid Demanega

I principali candidati sono gli edifici residenziali multi-appartamento costruiti tra gli anni '50 e '80, che rappresentano una quota significativa del patrimonio edilizio europeo con scarse prestazioni energetiche. Questi edifici spesso non dispongono di spazi tecnici interni per l'installazione di impianti convenzionali di ventilazione e climatizzazione. La facciata prefabbricata con sistema di climatizzazione e ventilazione integrato è particolarmente adatta perché l'intervento avviene dall'esterno, senza lavori interni negli appartamenti occupati — un aspetto fondamentale per l'accettabilità da parte degli abitanti. Gli edifici dimostratori del progetto INFINITE confermano questa vocazione: si tratta di edifici residenziali esistenti dove la riqualificazione industrializzata con facciate prefabbricate ha permesso di ridurre significativamente i tempi di cantiere rispetto agli approcci tradizionali. Altre tipologie interessanti includono l'edilizia scolastica, l'edilizia popolare e i piccoli edifici per uffici, dove sistemi centralizzati sarebbero troppo invasivi o antieconomici da installare in retrofit.

Cos’è il metodo HeTheP e come aiuta i progettisti nel calcolo delle facciate attive HVAC?

5. Lo studio introduce il metodo HeTheP. Quanto contano strumenti di calcolo semplificati ma affidabili per portare queste tecnologie nella pratica professionale?

Ingrid Demanega

Sono decisivi. Senza strumenti accessibili, anche una tecnologia con ottime prestazioni fatica ad entrare nel mercato. I progettisti e i consulenti energetici devono poter valutare e confrontare le soluzioni rapidamente, all'interno dei loro flussi di lavoro abituali. Lo strumento HeTheP (Heating Thermal Performance) che abbiamo ideato va in questa direzione: traduce i risultati del modello FEM validato in un metodo di calcolo pratico che tiene conto della resistenza termica della parete esistente, della geometria della facciata e della posizione dei canali. Riteniamo che un’interfaccia grafica, insieme all’integrazione con i software di calcolo, possa rendere questa soluzione più facilmente replicabile e adottabile su larga scala.

Facciate attive HVAC: ponti termici, condensa e manutenzione, i nodi da controllare

6. La presenza di condotti e componenti attivi nell'involucro apre nuove opportunità ma anche nuovi rischi. Quali sono i nodi più delicati?

Ingrid Demanega

Tutti i possibili rischi — ponti termici, umidità, manutenzione, accessibilità, coordinamento impiantistico — sono rilevanti, ma in fasi diverse del processo.

In fase di progettazione, il rischio più critico è il coordinamento tra facciata e impianto: errori nel percorso dei canali, nelle portate d'aria o nella logica di controllo possono compromettere sia le prestazioni termiche sia il comfort.

In fase di cantiere, i punti più sensibili sono i giunti tra il modulo prefabbricato e la parete esistente e tra modulo e modulo: la tenuta all'aria e la continuità dell'isolamento in questi nodi determinano le prestazioni reali a lungo termine e la sicurezza rispetto alla formazione di condensa.

In fase di esercizio, l'accessibilità diventa essenziale: le unità di ventilazione, i canali e i sensori devono poter essere ispezionati e sostituiti senza smontare la facciata. Il rischio umidità richiede particolare attenzione anche in fase di raffrescamento, quando il sistema potrebbe creare condizioni di condensa all'interno dell'assemblaggio.

A seguito dell'installazione in cantiere, un ruolo fondamentale è stato svolto dalla fase di commissioning. In questa fase, tutte le tubazioni e il sistema di distribuzione sono stati messi in pressione per verificare l’assenza di perdite o trafilamenti. Questo passaggio è stato particolarmente importante per garantire le prestazioni del sistema a valle dell’installazione in facciata, nonché del trasporto e delle connessioni in cantiere.

Facciate attive prefabbricate: la chiave per industrializzare il retrofit energetico?

Ingrid Demanega

7. Le facciate attive prefabbricate possono diventare una tecnologia chiave per industrializzare la riqualificazione energetica?

Ingrid Demanega

Hanno un forte potenziale, e il progetto INFINITE ne è la dimostrazione concreta. La prefabbricazione affronta già due criticità fondamentali della riqualificazione tradizionale: i tempi lunghi di cantiere e la qualità variabile delle lavorazioni. Aggiungere componenti attivi al modulo prefabbricato aumenta ulteriormente la proposta di valore, eliminando la necessità di un'installazione impiantistica separata all'interno dell'edificio.

I risultati di INFINITE sui due edifici dimostratori mostrano una riduzione consistente dei tempi di cantiere e riducono i costi rispetto all'approccio tradizionale. Il nostro studio contribuisce a questa visione fornendo gli strumenti per valutare le prestazioni termiche di queste facciate in modo affidabile e confrontabile con i sistemi convenzionali.

Per arrivare a una vera industrializzazione servono però altre condizioni: un design modulare adattabile a diverse tipologie edilizie, interfacce e dettagli costruttivi standardizzati, dati prestazionali validati per diversi climi, e catene di fornitura capaci di produrre su scala.

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Gli edifici esistenti non sono pronti al caldo estremo: le facciate attive possono aiutare?

8. Lo studio valida il comportamento della facciata anche in condizioni di raffrescamento estivo. Quanto può essere rilevante questa tecnologia per affrontare il crescente fabbisogno di raffrescamento degli edifici esistenti, legato all’aumento delle temperature e delle ondate di calore?

Molto rilevante, e sempre di più. Con l'aumento delle temperature e la maggiore frequenza delle ondate di calore in Europa, il fabbisogno di raffrescamento degli edifici esistenti — originariamente progettati solo per il riscaldamento — sta crescendo rapidamente. La maggior parte di questi edifici non dispone di alcuna infrastruttura per il raffrescamento.

La facciata multifunzionale offre un modo minimamente invasivo per introdurre anche la capacità di raffrescamento attraverso lo stesso sistema prefabbricato utilizzato per l'isolamento e la ventilazione. Il nostro studio conferma che il modello è valido anche in condizioni di raffrescamento, il che significa che la metodologia può essere estesa al funzionamento estivo. Tuttavia, sono necessari ulteriori approfondimenti per caratterizzare completamente le prestazioni in raffrescamento, valutare i rischi di condensa e ottimizzare le strategie di controllo per il funzionamento misto riscaldamento-raffrescamento nelle diverse stagioni.