Forma ed involucro nell'analisi energetica del grattacielo

PREMESSA

La volontà ad erigere costruzioni sempre più alte è un pensiero che da secoli affascina l'uomo.

Espressione di forza, potere e ingegno, l'edificio a marcato sviluppo verticale ha assunto nel corso della storia un'importante valenza simbolica divenendo l'emblema di una modernità formale globalizzata e il manifesto del progresso tecnologico applicato in edilizia.

Frutto di una conoscenza tecnica evoluta capace di confrontarsi con i limiti fisici posti dalla natura, la figura del gratta-cielo assume nell'immaginario comune un significato che oltrepassa aspetti legati alla semplice tipologia architettonica. Nato sul finire dell'Ottocento a Chicago, il grattacielo, si è diffuso dal Secondo Dopoguerra in avanti in tutte le princi-pali aree metropolitane del mondo, assumendo spesso, al di fuori degli Stati Uniti, una connotazione fortemente negativa. Designato talvolta come espressione architettonica del modello capitalistico, diviene oggi la tipologia civile più frequentemente utilizzata per interventi di trasformazione urbana a larga scala anche in contesti cittadini fortemente legati alla tradizione locale.

L'inevitabile estensione delle città con una popolazione in aumento, unito a questioni puramente economiche, ha por-tato anche in Europa all'utilizzo sempre più consueto di tali edifici andando a modificare completamente la scala della città stessa e il modo di vivere contemporaneo.

"Nuove" forme architettoniche, caratterizzate da altezze rilevanti, sono poste al centro di diversi processi di rigenerazione urbana anche sul territorio italiano variando completamente l'assetto morfologico e lo skyline cittadino. La crescita esponenziale del numero di grattacieli nel patrimonio edilizio nazionale ha acceso negli ultimi anni un dibattito pubblico e politico sull'estetica della città dividendo, tra conservatori e innovatori, ogni individuo della comunità.

La maggiore attenzione posta a questioni di carattere ambientale, testimoniata da svariate politiche energetiche comunitarie e nazionali, impone una riflessione attenta su tale tipologia architettonica. Se da un lato il grattacielo si candida come la soluzione tipologica in grado di risolvere i problemi generati dallo sprawl urbano favorendo processi di densificazione sociale, dall'altro le sue caratteristiche fisiche intrinseche fanno affiorare alcuni dubbi sulla sua reale sostenibilità.

Una maggiore superficie disperdente spesso completamente vetrata, la richiesta di un maggior numero di materiali da costruzione dall'alto valore energetico e la necessità di un trasporto verticale automatico continuo sono solo alcuni aspetti che mettono a rischio la sostenibilità di un edificio alto.

Proprio per questi motivi, secondo alcuni il grattacielo sostenibile, oggi è ancora pura utopia.

Ma come si può valutare il grado di sostenibilità di un grattacielo?

L'aggettivo "sostenibile", volto ad indicare lo sviluppo che soddisfa i bisogni del presente senza compromettere la possibilità delle generazioni future di soddisfare i propri (termine adoperato per la prima volta nella Commissione Mondiale sull'Ambiente e sullo Sviluppo, "Our Common Future",1987), in edilizia viene spesso utilizzato solamente per esprimere il consumo energetico dell'edificio durante la fase d'uso, trascurando aspetti economici, sociali ed ambientali non meno importanti che si verificano all'interno dell'intero ciclo di vita del manufatto architettonico.

Se il consumo energetico operativo è tra tutte le componenti della sostenibilità il più facilmente quantificabile, misurabile empiricamente osservando la "bolletta", in un ottica di progettazione sostenibile non può essere il solo ad essere considerato. Gli impatti economici, sociali ed ambientali generati da un edificio di tali dimensioni necessitano di un approccio che consideri l'intero ciclo di vita al fine di ottenere un quadro quanto più completo ed esaustivo.

In ambito edilizio, diversi studi di settore hanno evidenziato l'importanza di valutare la sostenibilità di un manufatto architettonico sommando tutte le componenti materiche ed energetiche necessarie alla realizzazione, all'utilizzo e alla dismissione dello stesso, in quanto le fasi non legate strettamente alla fase operativa incidano fortemente su un bilancio complessivo.

Visto la complessità di tale tipologia architettonica, caratterizzata da un approccio integrato di diverse discipline (stilistiche, strutturali e tecnologiche) che non possono prescindere l'una dalle altre, e la difficile quantificazione di aspetti legati alla sostenibilità economica e sociale, la ricerca si concentra su aspetti di carattere energetico ed ambientale. La decisione di dedicare maggiore attenzione all'ambito energetico si spiega inoltre col fatto che esso è oggi un tema centrale nelle politiche nazionali e comunitarie.

Risulta essenziale, al fine di comprendere al meglio l'attività di analisi proposta, presentare e classificare le due diverse tipologie di energia che si affrontano in un processo edilizio: Embodied e Operating Energy.

La prima include tutte le risorse energetiche impiegate per la produzione dei materiali da costruzione e il successivo processo di edificazione mentre la seconda fa riferimento all'energia impiegata per il funzionamento dell'edificio (riscaldamento, raffrescamento e illuminazione).

Obiettivo della ricerca è analizzare il rapporto che intercorre tra le due forme di energia.

In particolare, volendo scomporre il grattacielo in più sottosistemi, si pone l'attenzione su due aspetti, tra loro legati, che interessano maggiormente il ruolo dell'architetto sin dalla fase di progettazione: Forma ed Involucro Edilizio. Entrambi, oltre ad avere una valenza estetico-formale fondamentale all'interno del progetto, incidono fortemente sul bilancio energetico dell'edificio.

Il primo, inteso nello specifico come rapporto di forma e orientamento planimetrico del volume architettonico, può essere considerato un primo parametro da tenere in considerazione per una progettazione sostenibile mentre il secondo, di carattere più tecnologico, diviene un aspetto principale nella determinazione del comfort interno all'edificio. Al di là delle performance fisiche che condizionano la richiesta di energia per il mantenimento delle condizioni termoigrometriche e luminose, la progettazione dell'involucro edilizio comporta un valore di Embodied Energy difficilmente trascurabile se si considera la quantità di superficie di facciata di cui dispone un grattacielo.

Utilizzando la Forma e l'Involucro Edilizio come chiavi di lettura nel definire il grado di sostenibilità di un grattacielo, la presente tesi si articola in 5 capitoli.

Il primo capitolo, dopo una breve introduzione che analizza le parti morfologiche dell'edifico alto e i parametri che ne caratterizzano l'efficienza della forma e della pianta, si sofferma sull'evoluzione storica che ha modificato radicalmente, dalla Scuola di Chicago ad oggi, le caratteristiche volumetriche di tale tipologia.

Il capitolo successivo, inerente al ruolo dell'involucro, presenta la tecnologia del Curtain Wall. Dagli anni Cinquanta ad oggi il sistema di chiusura verticale in metallo e vetro ha contraddistinto la quasi totalità delle facciate dei grattacieli. In seguito ad una breve evoluzione storica del componente tecnologico, l'attenzione si sposta sulle parti costitutive del modulo di facciata andando a presentare le diverse tipologie di applicazione presenti oggi sul mercato e gli indici utili ad una valutazione prestazionale. Una volta delineato a livello teorico i principi che regolano la progettazione della Forma e dell'Involucro Edilizio, nel terzo capitolo si rintracciano grazie ad una serie di casi studio che rappresentano la prassi progettuale contemporanea. I 50 progetti selezionati tra Torino, Milano, Francoforte, Londra, New York e Chicago, completati tra il 2010 e il 2016, con un altezza superiore ai 150 metri forniscono una serie di prime informazioni utili a comprendere i sistemi tecnologici più frequenti sul mercato. Il quarto capitolo descrive il binomio energia-edificio andando a definire le principali voci di consumo energetico che si verificano all'interno del ciclo di vita. Dopo aver definito i concetti di Embodied ed Operating Energy si descrive l'analisi numerica proposta nella tesi.

Al fine di confrontare diverse soluzioni di involucro, in contesti climatici differenti, sono state selezionate 8 conformazioni di facciata con cui viene declinato un modello di analisi destinato ad uffici. I valori di Embodied e Operating Energy legati ad ogni soluzione presentata permettono di operare un confronto su tipologie di facciata differenti.

L'ultimo capitolo presenta una serie di considerazioni finali in relazione dei risultati ottenuti tramite le simulazioni energetiche dinamiche.