3 per 2: meno energia, più spazio

Le Nazioni Unite prevedono che entro il 2050 il 70% della popolazione mondiale vivrà in città. Le città si manifestano con i loro edifici e gli edifici sono tra i maggiori responsabili delle emissioni di gas serra. A Singapore, ad esempio, gli edifici e le abitazioni consumano quasi il 50% dell'elettricità, causando una percentuale altrettanto elevata delle emissioni di CO₂ emissioni.

L'aria condizionata, come internet, è stata definita una "tecnologia trasformativa". Ha cambiato i luoghi in cui viviamo e lavoriamo - e il modo in cui viviamo e lavoriamo. Condizionando l'interno di un edificio, siamo in grado di disaccoppiarlo dal clima esterno, rendendo possibile vivere e lavorare comodamente all'interno. Il problema è che il condizionamento degli spazi interni richiede molta energia. A Singapore, il 70% dell'energia utilizzata negli edifici serve per il raffreddamento, la deumidificazione e la ventilazione.

La temperatura e l'umidità dell'aria interna e la temperatura delle superfici interne determinano il comfort termico degli ambienti. L'aria condizionata convenzionale utilizza grandi quantità di aria fredda e secca per ottenere il comfort termico. Le temperature molto basse associate a questo processo (fino a 6°C) sono necessarie per deumidificare l'aria e raggiungere un livello di umidità confortevole. Per fornire queste basse temperature è necessaria una grande quantità di energia. Inoltre, l'aria non è un mezzo di trasporto del calore molto efficiente. Pertanto, è necessario distribuire grandi quantità d'aria in tutto l'edificio, richiedendo grandi sistemi di canalizzazione in verticale e in orizzontale. A Singapore, fino a un terzo del volume di un piano è necessario per la distribuzione dell'aria. Ciò significa che una grande parte di un edificio non è costruita per gli occupanti, ma per ospitare i sistemi tecnici necessari per la climatizzazione.

Affrontare un clima costantemente caldo e umido

Nel 2010 abbiamo iniziato la nostra ricerca presso l'ETH Centre (SEC) su modi più efficienti di fornire un clima interno confortevole. Al Future Cities Lab Module 1, abbiamo esplorato nuovi sistemi tecnici e il loro impatto sulla progettazione, la costruzione e il comfort degli edifici. Siamo arrivati con i nostri concetti "europei" di riscaldamento e raffreddamento per climi moderati, ben consapevoli che il contesto climatico di Singapore è molto più esigente ed estremo. Mentre nel nostro clima siamo abituati all'oscillazione di caldo e freddo, di periodi secchi e umidi, il clima tropicale di Singapore è costantemente caldo e umido, il che rende questo lo "scenario peggiore" per la creazione di spazi interni confortevoli.

Il concetto che abbiamo sviluppato consiste in tre componenti principali. Il primo è la divisione tra raffreddamento (raffreddamento sensibile) e deumidificazione (raffreddamento latente). Invece di utilizzare aria fredda e secca per entrambi, distinguiamo tra la rimozione del calore dall'interno dell'edificio e la rimozione dell'umidità dall'aria proveniente dall'esterno. Il vantaggio di questo approccio risiede nel fatto che il processo di raffreddamento, che contribuisce a circa il 60% del carico di raffreddamento totale, può essere realizzato utilizzando temperature molto più elevate (fino a 18°C) rispetto a quelle richieste per la deumidificazione; la separazione di queste funzioni riduce quindi la quantità di elettricità richiesta. Un prerequisito di questo approccio è cambiare il metodo con cui il calore viene rimosso dallo spazio. I sistemi tradizionali utilizzano il cosiddetto trasferimento di calore convettivo, fornito dalla circolazione dell'aria. Nel nostro approccio ci concentriamo sul trasferimento di calore radiativo fornito da grandi superfici fredde che consentono un raffreddamento a temperature molto più elevate. La sfida di questa tecnica, tuttavia, consiste nell'evitare la condensazione che potrebbe verificarsi quando grandi quantità di aria calda e umida entrano in contatto con le superfici più fredde.

Il secondo componente è l'utilizzo dell'acqua al posto dell'aria per il trasporto del calore. L'acqua ha una capacità di trasporto del calore molto superiore a quella dell'aria, il che consente di realizzare tubi molto più piccoli che possono essere facilmente integrati nella costruzione. I controsoffitti e i pavimenti estesi per nascondere i sistemi tecnici non sono più necessari e quindi si può risparmiare volume.

Il terzo componente è l'utilizzo di piccole unità di ventilazione decentralizzate al posto di un'unità di ventilazione centrale [1]. Queste piccole unità trasportano l'aria necessaria per la qualità dell'aria interna attraverso la facciata, deumidificandola nel processo e soffiandola nella stanza in cui sono installate. In questo modo non è necessario distribuire l'aria in tutto l'edificio, risparmiando spazio e volume. Inoltre, l'unità può essere integrata nella facciata o nel pavimento, ad esempio, per risparmiare ancora più spazio.

Liberare spazio e volume

Tutte e tre le misure consentono un intreccio molto più forte tra sistemi di servizio ed elementi costruttivi, liberando spazio e volume. Inoltre, offrono un potenziale interessante per diversi approcci alla progettazione degli spazi interni e delle facciate. Di conseguenza, è possibile risparmiare fino a un terzo del volume di un tipico piano di un edificio di Singapore. Da qui il titolo del progetto "3 per 2" [2]: in futuro si potrebbero costruire tre piani nel volume occupato da due piani di un edificio convenzionale.

Utilizzando delle simulazioni, abbiamo confrontato il nostro approccio con un "edificio verde" standard di Singapore. Abbiamo scoperto che il "3 per 2" non solo fornirebbe il 20% di spazio aggiuntivo per gli uffici, ma ridurrebbe anche il consumo di energia del 40% e i materiali da costruzione del 16%.

Considerando gli elevati prezzi di affitto degli uffici a Singapore, si aprono opportunità economiche del tutto nuove. Improvvisamente un "edificio verde" non significa costi più elevati, ma rendimenti più alti, quindi anche gli sviluppatori commerciali dovrebbero salire a bordo. Più grande è l'edificio, maggiore è l'effetto leva, rendendo questo concetto particolarmente interessante in ambienti urbani densi.

Test in condizioni reali

Per la ricerca e la sperimentazione dell'approccio e dei componenti tecnici abbiamo costruito un laboratorio trasportabile, il BubbleZERO [3], che è stato installato e gestito per diversi anni nell'ambito del Future Cities Lab di Singapore. I risultati promettenti hanno richiesto un passo successivo, ovvero la scalata a uno spazio di uso quotidiano, il che significa trasformare il concetto da scala di laboratorio ad applicazione reale.

Dal febbraio 2014, una prima implementazione del concetto 3 per 2 è stata realizzata come parte di un nuovo edificio in costruzione nel campus dello United World College (UWC), a Singapore. Supportata da collaborazioni industriali, l'installazione su 500 m2 di uffici consentirà di testare e ottimizzare il sistema in condizioni reali a partire dall'autunno 2015. L'implementazione rappresenta un'opportunità unica per la ricerca e la verifica delle prestazioni energetiche e la valutazione del comfort termico e dell'accettazione degli occupanti [4].