Serramenti innovativi: la finestra come elemento di facciata ‘attivo’

Il ruolo delle tecnologie di involucro adattivo nel retrofit energetico di edifici

Quando si ristruttura un edificio bisogna prima di tutto avere un approccio che tenga conto degli aspetti di approvvigionamento energetico, sostenibilità e uso di fonti energetiche rinnovabili.

Gli edifici sono oggi più che semplici unità autonome che consumano energia e si stanno trasformando sempre più in elementi attivi che producono, utilizzano e forniscono energia all’intera rete energetica.

Questo cambiamento, soprattutto a livello europeo, porta con sé anche il passaggio da un sistema energetico nazionale centralizzato basato su combustibili fossili, a un sistema decentrato rinnovabile e interconnesso in cui gli edifici consumano ma al contempo producono energia.

Il primo passo prevede lo studio di tecnologie di involucro attivo che siano il più possibile “adattabili” ai vari contesti, rispettose dell’estetica dell’edificio e al tempo stesso performanti.

Il concetto di “adattabilità” ha diverse declinazioni: per adattabilità si intende la capacità delle soluzioni d’ involucro proposte di adattarsi ai diversi contesti (condizioni atmosferiche, urbane, normative, caratteristiche e funzioni dell'edificio). Adattabilità significa anche la capacità di adeguare il profilo dei carichi alla produzione locale di energia rinnovabile, nonché la capacità dell’involucro sviluppato di interagire con l'ambiente esterno influenzando positivamente le prestazioni energetiche dell'edificio e il comfort interno.

I serramenti innovativi

Nello specifico, quando parliamo di serramenti, le tendenze che attualmente si sono delineate vanno verso un prodotto innovativo principalmente prefabbricato e multifunzionale.

Un monoblocco prefabbricato prevede innanzitutto una progettazione più accurata, e ha il vantaggio di una posa in opera più semplice e meno rischio di errori durante l’installazione.

Questo comporta migliori prestazioni termiche e minore disturbo per gli occupanti in fase di installazione.

Un serramento multifunzionale diventa inoltre un elemento “attivo” che potenzia l’efficienza energetica, la qualità dell’ambiente interno, il comfort degli occupanti mediante l’integrazione di componenti diversi quali: sistemi di schermatura adattivi, sistemi di ventilazione controllati, sensori e produzione di energia rinnovabile.

Il Solar Window Block

Il progetto Horizon2020 EnergyMatching, al quale hanno collaborato 17 partner europei coordinati dal centro di ricerca applicata Eurac Research di Bolzano e conclusosi lo scorso anno, ha avuto come obiettivo lo sviluppo di diverse soluzioni di involucro edilizio - con annesso impianto HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) - consentendo al contempo la produzione di energia rinnovabile e l'interazione con i sistemi energetici a livello sia di edificio che di distretto.

Tutte le soluzioni sono state sviluppate con l'obiettivo specifico di non superare di oltre il 20% i costi standard convenzionali di ristrutturazione dell'edificio, supportati da una rigorosa ottimizzazione di progettazione, materiali e processi, e un PBT (Pay Back time) tra i 5 e i 9 anni, a seconda delle specifiche condizioni di contesto, del tipo di implementazione all'interno dell'edificio e del modello di business utilizzato.

Grandi aziende sia italiane che estere come ad esempio Eurofinestra, Pellini Industrie, l’azienda spagnola ONYX Solar e l’olandese TULiPPS, hanno contribuito con il loro know-how alla creazione di queste tecnologie innovative, tra cui il “Solar Window block” (Figura 1 e 2).

Questa soluzione consiste in una finestra prefabbricata in un monoblocco che integra macchina di ventilazione decentralizzata, ombreggiatura automatica adattiva e moduli fotovoltaici integrati.

Il modulo fotovoltaico si offre a diverse possibilità di integrazione, come le configurazioni su aggetto ombreggiante, a davanzale e verticale, rendendo così possibile un’ottima flessibilità progettuale. L'elettricità generata può alimentare il sistema di ventilazione con recupero di calore integrato nel monoblocco, o essere utilizzata per l'autoconsumo all'interno dell'edificio. Il monoblocco attorno alla finestra, ad alto isolamento, può ospitare il sistema di ventilazione, l'elettronica di controllo e le batterie per l'alimentazione autonoma del sistema.

I test in laboratorio

Le aziende partner hanno prodotto tre prototipi utili per valutare la funzionalità del sistema a livello di produzione, assemblaggio e funzionamento, nonché a testare il concetto di isola elettrica basato sulla generazione fotovoltaica e l'accumulo di energia per alimentare la ventilazione meccanica della soluzione.

Questi prototipi sono stati poi oggetto di una campagna di test di laboratorio per la verifica dell'intera catena di montaggio testando le prestazioni, la funzionalità e la robustezza dell'insieme e dei suoi componenti. Questi test sono stati eseguiti presso il laboratorio “PV Integration Lab” di Eurac Research del polo tecnologico NOI a Bolzano (Figura 3).

Il laboratorio è un’infrastruttura all’aperto in grado di testare in condizioni reali le prestazioni elettriche di moduli e sistemi fotovoltaici sia “liberi” che integrati in strutture architettoniche, nonché di verificare l’impatto di impianti collegati a sistemi di accumulo sulle reti elettriche.

Conclusa la fase di test, alcune delle configurazioni del “Solar Window Block” sono state installate in due edifici reali posti a diverse condizioni geoclimatiche. Il primo edificio sul quale è stata installata la nuova tecnologia, si trova proprio in Italia a Campi Bisenzio, Comune dell’area metropolitana di Firenze ed è di proprietà di Casaspa, partner del progetto di ricerca.

Active window system

Un ulteriore esempio di serramento innovativo è l’Active Window System (AWS), tecnologia sviluppata in collaborazione fra Eurac Research e Eurofinestra, nell’ambito delle attività di ricerca del progetto Horizon2020 Cultural-E.

L’Active Window System consiste in una finestra multifunzionale che può integrare: un telaio modulare in legno e quindi facilmente adattabile alle diverse esigenze, un sistema schermante adattivo integrato in una cavità semi-ventilata protetta dall’esterno però accessibile per la manutenzione, un sistema di ventilazione decentralizzata sia passivo (trickle vents) che meccanico, che può essere a sua volta collegato alla cavità semi-ventilata del sistema schermante per ottimizzare le prestazioni del sistema (Figura 4).

Prima dei prototipi e dei test, sono state identificate e analizzate diverse possibili configurazioni AWS in termini di fattibilità e prestazioni ed è stata eseguita un'attività di simulazione completa a livello di sistema e di edificio.

Queste simulazioni hanno permesso di ottimizzare il disegno del sistema, stimare le sue prestazioni e raccoglierli in un database a modo de configuratore del sistema, così come identificare i limiti di ciascuna configurazione. Sulla base di questi risultati, sono stati selezionate le soluzioni più promettenti per la fabbricazione dei prototipi e la campagna sperimentale.

L’azienda Eurofinestra, partner del progetto, ha disegnato e realizzato i due prototipi: uno concepito per l’applicazione in climi più freddi con vetro sottovuoto, e un secondo concepito per l’applicazione in climi miti con doppio vetro.

Entrambi presentano, a loro volta, tre diverse configurazioni a seconda della modalità di ventilazione montata e testata in ogni momento: ventilazione naturale, ventilazione passiva attraverso bocchette di ventilazione chiamate trickle vents o ventilazione attiva attraverso un dispositivo di ventilazione meccanica (Figura 4).

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