Illuminazione e sostenibilità ambientale degli edifici scolastici : potenzialità e limiti di un approccio BIM

Introduzione

La crescita del livello d'istruzione di una nazione non dipende solo dal numero e dalla diffusione delle scuole, ma anche dall'efficacia con cui tali istituzioni svolgono la loro attività didattica-formativa. Questo era chiaro alle amministrazioni pubbliche del secondo dopoguerra, le quali affidarono all'istituzione scolastica, base fondamentale della formazione individuale e sociale, il compito della ricostruzione materiale e spirituale del paese, istituendo i corsi di istruzione per gli adulti, la scuola media obbligatoria e la scuola materna statale.

L'importanza della scuola era indubbiamente dichiarata nel passato, ma lo è ancora di più oggi e lo sarà sempre di più nel prossimo futuro, in cui la crescente competizione tra le nazioni vedrà prevalere quelle che si porranno all'avanguardia nei vari campi del sapere.

Tuttavia, l'approccio con cui le varie normative del paese hanno trattate le tematiche inerenti le proprie istituzioni educative è mutato nel corso degli anni; le disposizioni recentemente proposte per la costruzione della scuola 'del nuovo millennio', infatti, si sono fortemente distaccate dal carattere prescrittivo delle precedenti norme-tecniche degli anni 70, facendo emergere con forza il tema della sostenibilità energetico-ambientale.

La necessità di rinnovare, riqualificare e migliorare l'edilizia scolastica presente su tutto il territorio italiano è ormai all'ordine del giorno. Come riportato dal XIV rapporto di Legambiente sull'edilizia scolastica, la situazione in buona parte degli edifici in Italia, ben lontana dal livello degli edifici scolastici presenti nel resto dell'Europa, presenta una situazione assai precaria e al di là dei reali requisiti che un complesso scolastico in assoluto dovrebbe possedere.

Per questi motivi, negli ultimi anni, le istituzioni scolastiche sono state (e saranno) al centro di una profonda riflessione, avente lo scopo di incoraggiare le amministrazioni pubbliche a istituire nuovi strumenti di indagine e parametri in grado di garantire complessi architettonicamente sostenibili e idonei all'apprendimento degli alunni.

È in questo clima di rinnovamenti che nel 2014 nasce il progetto di ricerca 'Green School', il quale, attraverso un approccio sostenibile, tiene conto di una serie complessa di fattori e aspetti che, se correttamente valutati e integrati all'edificio, permettono di conferirgli un valore aggiunto; questo potenziale valore aggiuntivo è legato al rispetto dell'ambiente ed al miglior utilizzo che si potrebbe ottenere dell'edifico stesso, considerando anche le potenziali esigenze energetiche e prestazionali delle generazioni future.

Tra gli aspetti progettuali proposti dalla ricerca, particolare importanza riveste il campo dell'illuminazione, la cui progettazione sostenibile mira non solo al miglioramento dell'efficienza energetica e alla riduzione dell'impatto ambientale, ma anche al miglioramento del comfort e qualità della fruizione degli spazi, aspetti essenziali per la determinazione di un adeguato livello di apprendimento dello studente all'interno di un istituto scolastico.

In linea generale, il progetto della luce in un complesso scolastico deve essere in grado di garantire un adeguato illuminamento sul piano di lavoro con appropriati apparecchi, attraverso tecnologie non abbaglianti e lampade a basso consumo energetico, e prediligendo, ove possibile: l'utilizzo della luce naturale a discapito della artificiale.

Ai fini di una progettazione volta al risparmio energetico, al miglioramento della qualità dell'ambiente interno e, in generale, alla sostenibilità dell'edificio risulta, quindi, indispensabile la valutazione qualitativa e quantitativa della luce diurna presente negli ambienti.

Il presente elaborato, oltre a definire i parametri e gli indicatori che regolano la qualità ambientale e i consumi di energia elettrica nelle progettazione illuminotecnica delle scuole, si pone proprio l'obbiettivo di indagare alcuni strumenti, utili per la valutazione, certificazione e progettazione sostenibile della luce; tali strumenti sono basati su un n sistema di lavoro, il Green BIM, che integra la tecnologia BIM (Bui Information Modeling) alla progettazione sostenibile.

Indubbiamente, l'integrazione di queste due tendenze è dipesi sempre più crescente interesse che il campo dell'edilizia riserva nei fronti della sostenibilità, al fine di conseguire gli obiettivi di riduzione; delle emissioni di C02 e del fabbisogno di energia primaria del 20% entro il 2020, cosi come richiesto dalla Direttiva sul rendimento energetico nell'edilizia in Europa.

Nell'ottica di una gestione sostenibile della progettazione, attraverso l'approccio Green BIM, le valutazioni energetico-ambientale degli edifici risulteranno maggiormente efficaci poiché condotte attraverso sistemi di calcolo tecnologicamente avanzati; tali sistemi, fin dalle prime fasi del processo progettuale, permetteranno un'interazione tra i professionisti delle differenti discipline coinvolte, nel contesto di un approccio progettazione integrata.

Tale metodologia di indagine verrà sperimentata su uno dei casi studio pilota del progetto Green School, l'Istituto Tecnico Industriale Statale Amedeo Avogadro, sito a Torino; su tale edificio scolastico varranno condotte delle analisi illuminotecniche utili a classificare il livello di sostenibilità dell'istituzione scolastica, attraverso la definizione del grado di certificabilità ambientale secondo i requisiti imposti dal protocollo LEED, sistema di valutazione della sostenibilità per gli edifici.

Nello specifico, è possibile individuare quattro filoni di ricerca principali che hanno contraddistinto la redazione del presente elaborato:

1) Il contesto in cui si sviluppa la ricerca.

Prima di esporre il lavoro di sperimentazione condotto si è deciso di dedicare alcuni capitoli all'esplicazione dei principali argomenti su cui si basa la suddetta ricerca, con lo scopo di facilitare la comprensione delle tematiche affrontate. Di questa prima tranche fanno parte:

Il primo capitolo, 'I requisiti del progetto illuminotecnico nell'edilizia scolastico'. Nel suddetto capitolo la tematica della luce negli edifici scolatici viene relazionata a tre principali aspetti: il comfort visivo, necessario per lo svolgimento delle attività richieste, il risparmio energetico, ottenibile attraverso la corretta gestione della luce naturale e artificiale e l'impatto ambientale, dovuto principalmente ai consumi energetici della luce artificiale. Oltre a definire parametri e indicatori che, a livello normativo, regolano la progettazione illuminotecnica delle scuole, verranno indicate le principali strategie perseguibili nell'ottica di una progettazione sostenibile.

Il secondo capitolo, 'La valutazione della luce naturale: dal metodo statico alle simulazioni dinamiche'. Il primo passo necessario per la determinazione delle strategie di controllo della luce nell'ottica di una progettazione sostenibile, sia rivolata alla realizzazione di una nuova costruzione o alla riqualificazione di un edificio esistente, consiste nella valutazione del quantitativo di luce naturale presente in ambiente. All'interno di questo capitolo viene esplicata l'evoluzione che le metodologie di calcolo della luce naturale hanno subito nel corso del tempo: dai tradizionali approcci statici, primo tra tutti il calcolo del Fattore Medio di Luce Diurna (unico approccio attualmente ammessa dalle Normative vigenti), si è giunti a sistemi di calcolo più evoluti basati sui Cimate Based Daylight Modelling, metodologia in grado di definire in maniera più accurata i livelli di illuminamento presenti all'interno degli ambienti. Oltre alla definizione dei due approcci, si chiariranno le motivazioni che hanno determinato l'evoluzione dei metodi tradizionali per la valutazione della luce naturale a metodologie di calcolo di tipo dinamico.

Il terzo capitolo, 'LEED: protocollo di certificazione ambientale'. In questo capitolo vengono individuate alcuni dei principali protocolli ambientali adottati sul territorio italiano, utili per la definizione delle regole e degli strumenti necessari per l'ottenimento di un indicatore di sostenibilità globale e, nel caso specifico, della gestione della luce. Particolare attenzione verrà posta ai requisiti illuminotecnici richiesti dalla certificazione ambientale LEED, protocollo recentemente integrato agli strumenti di calcolo basati sulla tecnologia BIM, utilizzati nel presente lavoro per la valutazione del caso pilota del progetto Green Schools.

Il quarto capitolo, 'Building Information Modeling'. In tale capitolo viene definito l'approccio BIM, e la recente evoluzione 'Green BIM', soffermandosi sulle conseguenti opportunità che l'adozione di questo tipo di approccio comporta sia nella realizzazione e valutazione delle performances di nuove costruzioni sia nell'applicazione dei retrofit sostenibili sul patrimonio costruito (come nel caso specifico dell'istituto scolastico Avogadro). Tra le varie definizioni, particolare attenzione verrà posta all'interoperabilità in generale e, nello specifico, a quella sperimentata tra gli strumenti di modellazione BIM e quelli per la simulazione illuminotecnica utilizzati nel presente studio per la valutazione della sostenibilità ambientale dell'edificio in esame.

2) Individuazione degli strumenti di analisi

In questo secondo filone di ricerca verranno indicate le funzionalità che uno strumento di modellazione BIM, nel caso specifico Revit Architecture 2014, è in grado di offrire ai fini dell'indagine illuminotecnica, evidenziando gli strumenti che maggiormente risultano utili allo studio della luce diurna nell'ottica di una progettazione sostenibile. Per l'esplicazione di questa tematica è stato redatto:

Il sesto capitolo: 'L'approccio BIM e le funzionalità di Revit al servizio dell'indagine illuminotecnica', in questo capitolo, dopo l'esplicazione dell'approccio necessario ad una corretta modellazione 3D del caso studio, comprendente tutte le informazioni indispensabile per il conseguimento delle successive analisi illuminotecniche, si sono indagati i principali strumenti utili alla valutazione della luce: le funzionalità MEP (Mecanical Elettric Pumping), con cui è possibile, una volta creati e posizionati i dispositivi di illuminazione artificiale e il relativo circuito elettrico, valutare i quantitativi di illuminamento prodotto sul piano di lavoro; il percorso solare, rappresentazione visiva del movimento del sole nel cielo, in grado di fornire un'analisi qualitativa della penetrazione solare diretta e delle ombre prodotte, fornendo informazioni utili per un'efficiente progettazione solare passiva; il Lighting Analysis for Revit, nuovo pacchetto di strumenti per la valutazione della luce, comprendente i Render illuminotecnici, in grado di stimare i livelli di illuminamento generati dalle sorgenti naturali e/o artificiali e il plug-in LA/R, utile ai fini del calcolo degli illuminamenti prodotti dal sole.

3) Analisi sulla sostenibilità dell'edifico campione del progetto Gre-en School

In questa sezione dell'elaborato, una volta descritti i caratteri storici e architettonici dell'istituto tecnico A. Avogadro, sono stati analizzati gli ambienti dell'edificio al fine di valutarne il grado di sostenibilità ambientale. Per suddetta indagine si è fatto ricorso ad uno degli strumenti messi a disposizione dell'Autodesk, il plug-in Lighting Analysis for Revit, recentemente integrato alle funzionalità del software di modellazione parametrica Revit Architecture. Tali tematiche sono affrontate nei seguenti capitoli:

Il quinto capitolo, 'Il caso studio'. In questo capitolo, dopo aver brevemente descritto la storia dell'istituto scolastico, l'attenzione è stata principalmente posta alle caratteristiche architettoniche e funzionali dell'edificio e agli orari di utilizzo dell'ambiente.

Il settimo capitolo, 'Il plug-in LA/R (Lighting Analysis for Revit)'.

Il LA/R è uno strumento in grado di eseguire un calcolo automatizzato dei crediti di interesse illuminotecnico (luce naturale) richiesti dalla certificazione ambientale LEED. Oltre a spiegare nel dettaglio il funzionamento wdi tale strumento, indicando gli input e gli output necessari per l'analisi, verrà condotta un'analisi sugli ambienti interni dell'istituto scolastico, in modo da verificarne l'eventuale certificabilità secondo i requisiti imposti dal protocollo LEED.

4) Validazione dello strumento utilizzato per l'analisi

L'ultimo fase della presente ricerca è volta a validare l'applicativo utilizzato per le simulazioni illuminotecniche del caso studio. Essendo il plug- in LA/R uno strumento recentemente inserito nel mercato informatico, non è stato possibile reperire documentazioni ufficiali che ne attestassero la correttezza di calcolo. Si è quindi deciso di testare l'affidabilità del LA/R, comparandone i risultati con quelli ottenuti dal software Day-sim, uno dei programmi per la simulazione illuminotecnica più accreditato nel panorama scientifico. La validazione dello strumento è stata affrontata nell'ultimo capitolo contenuto nel suddetto elaborato:

Il nono capitolo, 'Validazione del plug-in LA/R'. Dopo una breve presentazione degli ambienti utilizzati per il confronto dei risultati, sono state esplicate nel dettaglio le varie procedure di esportazione e importazione sperimentate per l'esecuzione dell'interoperabilità tra il software per la modellazione 3D e quello per l'analisi illuminotecnica.

Individuata la procedura più idonea, che consentisse uno scambio di informazioni tra i softwares senza un'eccessiva perdita di dati, sono stati confrontati i dati input e output inerenti i due softwares, in modo da poter definire un margine di errore tollerabile durante il confronto dei valori. Sono infine stati confrontati i risultati e ottenuti e tratte le dovute conclusioni.