Densificazione urbana nello sfruttamento delle risorse energetiche solari, ecco gli effetti

Indice:

• Sfruttamento delle risorse solari
• Connubio tra patrimonio storico-culturale e innovazione tecnologica
• Conclusioni

Questi modelli di sviluppo urbano sorgono oggi per contrastare l’eccessivo sfruttamento di suolo che si è intensificato con il boom economico degli ultimi due decenni e solo in parte rallentato con la crisi immobiliare degli ultimi anni, problema comune in tutto il mondo occidentale, in particolare negli Stati Uniti e in Europa.

Dalla Carta di Aalborg sulle città europee sostenibili (maggio 1994), e più avanti con la Carta di Lipsia (maggio 2007) e la dichiarazione di Toledo (giugno 2010), è stata riconosciuta l’importanza di attuare politiche efficaci nella pianificazione e nell’utilizzo del territorio, considerando una valutazione ambientale strategica. L’accento è stato posto sulle opportunità offerte da una concentrazione urbana (e densamente popolata) di fornire servizi di trasporto pubblico e di approvvigionamento energetico in modo più efficiente, ma che allo stesso tempo sia in grado di conservare la dimensione umana e sociale dello sviluppo, facilitando la complessità di usi e funzioni, l’accessibilità e la vicinanza ai servizi e alle attrezzature di base, la mobilità e infine, la coesione sociale e territoriale.

Nel caso specifico svizzero, la revisione della legge sulla pianificazione del territorio entrata in vigore nel 2014, e le relative ordinanze, si fondano su una gestione parsimoniosa del suolo e mirano ad uno sviluppo centripeto degli attuali insediamenti:ad esempio tramite la densificazione, la riqualificazione di aree dismesse (brownfields dall’era industriale e postindustriale) e l’eliminazione delle zone di distacco fra gli insediamenti. La necessità di un addensamento urbano di alta qualità si sta facendo strada anche nell’opinione pubblica, come recentemente affermato dallo Schweizer Heimatschutz, la società svizzera attiva nella salvaguardia del patrimonio, dell’architettura e della conservazione dei monumenti storici.

Sfruttamento delle risorse solari

Il ruolo delle energie rinnovabili nella città a sviluppo verticale

La «densificazione edilizia» e la conservazione del suolo sono aspetti da qualche tempo dibattuti nelle politiche di sviluppo territoriale che oggi trovano un ulteriore ambito di confronto con le tematiche di uso razionale delle risorse ambientali e climatiche del luogo. Si apre in questo scenario, come una delle possibili soluzioni, la possibilità di «costruire verso l’alto» e di modificare l’indice di sfruttamento, cioè il rapporto fra superficie di piano lorda dell’intero edificio e superficie edificabile.

Tuttavia gli insediamenti urbani densi e compatti offrono un ambiente complesso, dove l’accesso solare e la disponibilità di luce possono diventare un bene scarso, con implicazioni anche nel microclima urbano. Questo fenomeno è principalmente legato agli effetti d’ombreggiamento reciproco sulle superfici degli edifici, come conseguenza della riduzione del fattore di cielo con edifici di altezze considerevoli che oscurarono la volta celeste.

In questo caso, anche lo sfruttamento delle risorse solari passive e attive, quali le energie rinnovabili (solare termico e fotovoltaico), può essere compromesso unitamente al confort termico e visivo, sia esterno sia interno agli edifici. In aree densamente edificate, è importante perciò prendere in considerazione fattori come la geometria e la morfologia delle costruzioni, l’altezza, i materiali ed i colori, la distanza tra gli edifici stessi e la dimensione e morfologia delle strade, come fattori in grado di influenzare l’assorbimento della radiazione solare e la riflessione e modificare l’illuminamento e i parametri ambientali che regolano il benessere (es. flussi di ventilazione, temperature ambiente esterne, ecc.). La necessità di quantificare con precisione questi effetti è un fattore chiave per prevedere la riduzione della disponibilità solare o di luce naturale.

Lo sfruttamento del sole e delle risorse climatiche è un aspetto da sempre considerato fin dalle antiche civiltà (per esempio le città greche di Mileto, Olinto e Priene o in periodo romano, tanto che alcune considerazioni al riguardo si ritrovano sin dal trattato “De Architettura” di Vitruvio). I fenomeni termodinamici e meteorologici del ”clima caratteristico” di una regione sono stati, nella maggior parte dei casi, il fattore decisivo per lo sviluppo degli insediamenti urbani e per la definizione degli aspetti tipologici e degli archetipi costruttivi dell’architettura vernacolare.

Lo sviluppo urbano, nel corso dei secoli, ha sempre subito condizionamenti legati alla disponibilità delle risorse locali, alle caratteristiche geomorfologiche, naturali e paesaggistiche, agli aspetti ambientali, d’illuminazione, d’insolazione, ecc., talvolta riuscendo ad integrarsi in maniera sinergia e sostenibile, in altri introducendo condizioni di rischio e di criticità.

Il concetto di «densità costruttiva» compare fin dall’antichità e si ritrova in molte città del medioevo , nelle città tradizionali arabe e in tutti i piccoli borghi caratterizzati dalla concentrazione e compattezza delle costruzioni, dove la risposta adeguata ai fattori climatici ed ambientali del luogo attraverso la morfologia urbana diveniva uno dei fattori caratterizzanti degli insediamenti e le tipologie edilizie, originate dall’esigenza di sfruttare le risorse ambientali per assicurare il confort all’interno delle costruzioni.

Al contrario, la crescita incontrollata delle città pur attraverso politiche di densificazione ma che non tengano in considerazione quest’interazione sinergica con le caratteristiche climatiche e ambientali del sito, potrebbe avere un effetto importante sull’insolazione disponibile e sul corretto utilizzo dei sistemi per lo sfruttamento dell’energia solare (illuminazione naturale, sistemi solari passivi e strategie bioclimatiche e sistemi solari rinnovabili attivi).
Uno dei fattori chiave nel processo di pianificazione urbana all’interno dei nuovi piani regolatori, nell’ottica di una crescente attenzione al tema della sostenibilità degli insediamenti (intesa, dalla sua dimensione ambientale a quella economica e sociale), consiste oggi nel trovare l’ottimale equilibrio tra superfici edificate, aree libere e spazi verdi tale da favorire l’elevata qualità di vita per i residenti, tenendo conto al tempo stesso di tutte le implicazioni a livello energetico/ambientale e del potenziale d’uso delle risorse climatiche.

Connubio tra patrimonio storico-culturale e innovazione tecnologica

Il progetto di ricerca VerGE

In questo processo di sviluppo urbano, risulta anche interessate valutare il ruolo degli edifici del patrimonio storico e culturale e l’impatto che queste politiche trasformative arrecano sugli stessi, i quali restano spesso invariati e immutabili nel tempo, protetti da esigenze di conservazione e vincoli paesaggistici e di tutela.

A questo punto è necessario chiedersi: qual è l’impatto, in termini energetici, dei processi di trasformazione urbana sulle costruzioni esistenti (in particolare nel patrimonio storico) e sul loro microclima circostante? Come misurare l’impatto di una maggior proliferazione edilizia e di uno sviluppo urbano con insediamenti compatti e densi? Quali sono le implicazioni energetiche, economiche e di confort per gli edifici esistenti durante il processo di trasformazione urbanistica del territorio circostante? Come cambieranno le città di fronte ad una maggior e necessaria integrazione dell’energia solare nelle aree urbane esistenti, e in particolare nelle vicinanze di edifici storici protetti?

Queste sono le principali questioni alla base del progetto di seguito presentato, il quale si pone come obiettivo generale l’indagine dell’accessibilità solare sui tessuti urbani consolidati a seguito delle trasformazioni urbane nelle aree circostanti.

L’Istituto sostenibilità applicata all’ambiente costruito (ISAAC), dell’Università della Svizzera Italiana (SUPSI), ha portato a termine una ricerca su questi argomenti tramite l’analisi di un caso di studio in Ticino, nel comune di Lugano Paradiso (Svizzera). Questo comune è stato selezionato nell’ambito del progetto di ricerca VerGe, “Städtische Verdichtung und Energie Verhalten der Bestehenden Gebäude” sostenuto dalla Fondazione per la promozione della conservazione del patrimonio costruito in Svizzera (Stiftung zur Förderung der Denkmalpflege). L’area del centro del comune (CC) di Lugano-Paradiso sta subendo profondi cambiamenti nella direzione di un progressivo addensamento dell’ambiente urbano con un nuovo piano urbanistico e regolamenti di zonizzazione. Il nuovo Piano Regolatore (PR) ha definito una incremento della densità urbana per questa zona della città, cambiando in modo radicale il tessuto urbano con tipologie edilizie nuove (volumi chiusi e compatti), aumentando in modo rilevante anche le altezze dei nuovi stabili e consentendo all’altezza limite di superare i nove piani, senza portare alcuna modifica nella larghezza e della morfologia delle strade.

L’obiettivo di questo progetto è stato quello di analizzare l’effetto, da un punto di vista energetico e solare, della trasformazione urbana sugli edifici esistenti e in particolar modo sugli edifici protetti e del patrimonio culturale.

Nella figura 1, si può osservare una simulazione 3D dell’area prima (stato attuale) e dopo l’attuazione del nuovo piano regolatore (stato futuro). Nell’area, sono stati identificati 5 edifici monumenti culturali protetti (edifici 1 al 5) dai regolamenti settoriali per il paesaggio.

Le politiche energetiche federali svizzere, in conformità alla nuova Strategia Energetica 2050 e in linea con quelle a livello Europeo ed internazionale (Direttiva CE 91/2002 e Direttiva CE 31/2010), sottolineano l’importanza di incrementare la fornitura di energia da fonti rinnovabili, favorendo l’impiego delle tecnologie solari, passive e attive (solare termico e fotovoltaico), ma anche di ridurre la domanda di energia, con particolare attenzione sul settore delle costruzioni, per migliorare le prestazioni energetiche del parco immobiliare.

Inoltre, è previsto il futuro obbligo di installare almeno 10 Watt/m² (su) di sistemi fotovoltaici nelle nuove costruzioni, oggi prescrizione solo volontaria, come riportato nel nuovo “Modello per il fabbisogno energetico a livello cantonale svizzero” (Stellungnahme des BFE zum Projekt MuKEn 2014, Consiglio federale, strategia di sviluppo sostenibile 2012-2015, 23 gennaio 2012).

Questa normativa, presuppone cambiamenti nella percezione visiva dei quartieri densi e nelle città stesse considerando che nel futuro, gli edifici sviluppati in altezza non saranno in grado di rispondere alle nuove esigenze imposte dalla normativa, se non integrando sistemi di generazione dell’energia anche nell’involucro delle facciate.

Nella ricerca effettuata, è posta particolare attenzione al requisito che tutti i sistemi tecnologici siano integrati in modo adeguato nell’involucro edilizio, non solo da un punto di vista funzionale ma anche estetico: si parla di sistemi fotovoltaici e termici integrati (BIPV e BITS).

I sistemi BIPV o BIST (dell’acronimo Building Integrated Photovoltaic/Solar Thermal) sono sistemi fotovoltaici o di solare termico che oltre a generare energia dal sole, assolvono le funzioni di un elemento costruttivo, parte dell’involucro edilizio (ad es. come elementi di rivestimento di facciata o tetto, sistemi semitrasparenti, elemento architettonico frangisole, ecc.) in grado di soddisfare gli stessi requisiti tecnologici (ad es. tenuta all’acqua, resistenza meccanica, ecc.).

Inoltre, questi elementi, sono caratterizzati da una maggior qualità estetica e architettonica, in modo da poter essere integrati anche nel caso di edifici di pregio culturale e di valore patrimoniale e in contesti particolarmente sensibili dei nuclei urbani delle città storiche

Molti progetti di ricerca europei e svizzeri sulle città esistenti e i nuclei urbani, dove il patrimonio culturale e storico è una risorsa preziosa, si sono posti l’obiettivo di superare l’aspetto legato a norme di protezione troppo rigide (che non permettono nemmeno l’adattamento necessario delle performance energetiche di edifici storici ma anche delle costruzioni nelle vicinanze di aree protette) in modo da riaffermare il ruolo chiave dell’efficienza energetica e l’integrazione delle fonti Rinnovabili di Energia Solare (RES) e di promuovere le politiche per la ristrutturazione sostenibile delle città esistenti.

L’ISAAC ha portato a termine diverse ricerche in questo ambito come nel caso del progetto ENBAU e SURHIB [1-2], collaborando anche alla definizione delle Linee guide cantonali per l’integrazione dei sistemi solari nei nuclei storici e partecipa all’interno di un gruppo di lavoro istituito dall’Agenzia Internazionale per l’Energia (IEA) sul tema “L’energia solare nella pianificazione urbana” (IEA-SHC Task 51 Solar Energy in Urban Planning).

Dall’altra parte, diventa sempre più importante a livello di pianificazione urbana, prevedere la salvaguardia del «diritto al sole»: questo dovrebbe avvenire sia attraverso provvedimenti normativi e regolamenti finalizzati a tutelare l’accesso alla risorsa solare e garantire lo sfruttamento ottimale dei sistemi di generazione dell’energia (ad es. ordinanze solari a livello urbanistico per  definire criteri insediativi ottimali, integrazione di sistemi attivi, ecc.), ma anche considerando il rispetto di ulteriori misure relative al confort e alla sostenibilità delle costruzioni e degli spazi urbani (illuminazione, sistemi bioclimatici passivi, ventilazione naturale, ecc.). Ad oggi, in alcune realtà statunitensi sono già state definite basi giuridiche riguardanti le servitù per i diritti solari.

Nel progetto di ricerca VerGe è stato valutato e quantificato l’impatto del futuro piano regolatore sugli edifici preesistenti, in particolare sul patrimonio storico, per studiare le conseguenze in termini energetici ed economici legate alla disponibilità solare, rendimento energetico, illuminazione diurna, la modifica del fattore di cielo, il confort o la produzione di energia solare attraverso sistemi solari attivi [3-5].

L’utilizzo combinato di diversi metodi di analisi (figura 2), sfruttando sia metodi ed elaborazione delle immagini fotografiche con l’utilizzo di diagrammi solari, sia software 3D per la simulazione energetica, è servito a valutare l’effetto dei futuri cambiamenti.

Quest’approfondimento, mira a valutare i principali aspetti di cambiamento nel rendimento energetico degli edifici esistenti, nel particolar caso per gli edifici protetti, con l’obiettivo di definire i principali parametri e fattori d’influenza e fornire delle linee guida d’intervento per soluzioni di sviluppo urbano.

Confrontando la situazione ante e post-intervento, quando la trasformazione urbana sarà eseguita e il nuovo piano completato, è stato possibile calcolare la percentuale di ostruzione solare (sole / ombreggiatura) in ogni edificio protetto, causata dalle altre costruzioni nell’area di studio.

Secondo quest’analisi, effettuata sui 4 edifici oggetto di studio, i risultati mostrano che a livello del suolo, soprattutto nel periodo invernale, si registrano pochissime ore di sole durante tutto l’anno, aumentando la percentuale di ombra fino al 17,5%, nel peggiore dei casi.

Un maggiore ombreggiamento sulle facciate degli edifici ha un effetto diretto sul fabbisogno degli ambienti interni e il benessere termico e visivo degli utenti. Quest’effetto potrà essere positivo o negativo in funzione delle condizioni climatiche ed ambientali del sito e può avere un rilevante impatto sia in termini energetici che economici nei costi operativi e di esercizio nella durata di vita dello stabile.

In questo specifico caso, sono state anche analizzate le condizioni di confort interno, e i risultati hanno mostrano una chiara diminuzione nel periodo invernale. Tuttavia, si nota un certo effetto benefico in alcuni edifici, nel periodo estivo, dovuto all’aumento dell’ombreggiamento e a un minor surriscaldamento degli spazi, diminuendo i carichi interni. Allo stesso modo, una maggiore ostruzione solare fa si che le condizioni d’illuminamento naturale si modifichino, diminuendo il Fattore di luce diurna (FLD oppure DF, Daylight Factor) fino al 10%, nel peggiore dei casi, a livello annuo. Questo fattore, anche se non troppo elevato, implica una maggior dipendenza dell’illuminamento artificiale e un maggior fabbisogno energetico.

È stato anche dimostrato che l’influenza delle nuove costruzioni aumenterà il consumo di energia per il fabbisogno termico degli stabili. Grazie ad una simulazione energetica fatta al dettaglio su un edificio residenziale costruito tra la fine sec. XIX e primi decenni del XX (1.515 mq, superfice totale lorda), si è potuto inoltre verificare la crescita del fabbisogno di energia per il riscaldamento (circa il 8.5%) nello scenario futuro a causa della riduzione della radiazione solare e dei guadagni solari passivi.

Durante il periodo estivo, invece, sullo stesso edificio le ombre previste dal futuro piano regolatore provocheranno la diminuzione della domanda di raffrescamento stimata del 66% come conseguenza della diminuzione d’irraggiamento solare diretto. Tuttavia, questa pur sensibile riduzione rappresenta solo il 5% del fabbisogno energetico globale dell’edificio.

Questo risultato, in sintesi dimostra come il nuovo assetto urbano possa in alcuni casi tradursi in un maggior fabbissogno energetico e costo operativo globale dell’edificio pre-esistente, stimato dell’ordine del 7.20%. E’ evidente che in una posizione geografica differente (con condizioni climatiche più severe, per esempio) o con altre morfologie e orientamenti degli edifici considerati, l’impatto potrebbe essere diverso.

Conclusioni

Questo progetto ha messo in risalto la necessità di ampliare l’analisi solare in un’ottica di approccio integrato a diverse scale, dalla pianificazione e progettazione a scala urbana fino alla scala dei singoli edifici, al fine di individuare possibili effetti cumulativi che limitano l’accesso alla luce (illuminazione naturale), ai guadagni solari passivi e anche di valutare la possibilità di dotare gli edifici di sistemi solari rinnovabili, con il fine di assicurare adeguate performance energetiche e, allo stesso tempo, tutelare la qualità architettonica dell’area d’intervento.

Gli effetti di densificazione urbana, come si è visto, possono essere determinanti se attuate senza un attento studio delle condizioni al contorno per tener conto non solo della qualità architettonica del luogo (considerando anche il patrimonio protetto culturale della zona) ma anche delle implicazioni dei cambiamenti sugli aspetti energetici e di sfruttamento delle risorse solari.

In genere, il processo di pianificazione territoriale e lo sviluppo urbano richiedono tempi che potrebbero risultare in contrasto con la rapidità di cambiamento richiesta dalle nuove politiche energetiche e di sostenibilità dell’ambiente costruito.

Risulta dunque determinante quantificare con precisione e prefigurando anche scenari di medio-lungo termine, tutte le ripercussioni che le strategie di pianificazione del territorio (sia nella pianificazione in vigore che per quella futura) possono causare in termini energetico/ambientali, sia a livello qualitativo che quantitativo, nell’ottica di poter valutare i reali impatti e definire in maniera sinergica criteri e strategie sostenibili d’intervento, oltre ad eventuali misure correttive e migliorative.

Contatti:

Dr Arch. Cristina S. Polo López, [email protected]

Scuola Unitaria Professionale della Svizzera Italiana (SUPSI)

Dipartimento ambiente costruzioni e design (DACD)

Istituto sostenibilità applicata all’ambiente costruito (ISAAC)

Campus Trevano CH-6952 Canobbio –Svizzera

[1]       Polo López C. S., Frontini F. (2014). Energy efficiency and renewable solar energy integration in historical buildings heritage. Energy Procedia, V 48, 2014. pp. 1493–1502.

[2]       Polo López C. S., Frontini F., Ferrazzo M. (2012). Project: ENBAU, Energie und Baudenkmal. Energy Conservation Practices on the Historic Heritage Buildings. BRENET Status-Seminar “Forschen für den Bau im Kontext von Energie und Umwelt” – ETH-Zürich.

[3]       SuRHiB Project: “Development of Technical and Architectural Guidelines for Solar System Integration in Historical Buildings. Determination of Solar Energy Opportunities” (2011). ISAAC – DACD – SUPSI, sostenuto da CCEM, SFOE.

[4]       Polo López C. S., Frontini F., Bouziri S. (2015). Urban densification and energy performance of existing buildings: a case study. CISBAT 2015, Losanna, Svizzera. pp 943-948.

[5]       Polo López C. S., Sala M., Tagliabue L. Ch., Frontini F., Bouziri S. (2015). Solar Radiation and Daylighting Assessment Using the Sky-view Factor (SVF) Analysis as Method to Evaluate Urban Planning Densification Policies Impacts. International Conference SHC 2015, Istanbul, Turchia.

[6]       Sala M, S. Polo López C. S., Tagliabue L. Ch., Frontini F., De Angelis E. (2015). The energy performance evaluation of buildings in an evolving built environment: an operative methodology. International Conference SHC 2015, Istanbul, Turchia.

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