Autore: arch. Giulia Di Folco
Tutor: ing. Alessandro Zichi
Master: Master in “Sustainability and Energy Management in Construction Works” a.a 2023/2024
La presente tesi nasce dalla volontà di approfondire, nell’ambito della progettazione architettonica già in fase preliminare e poi definitiva, l’applicazione del protocollo di certificazione energetico ambientale LEED, che trova possibilità concrete di ricerca nel concorso di progettazione indetto dal comune di Biassono (MZ), avente come oggetto il progetto per la realizzazione di una nuova scuola primaria secondo i principi di sostenibilità.
I sistemi di rating, tra i quali il LEED è senz’altro uno dei più autorevoli e diffusi, consentono di determinare il livello di performance degli edifici mediante la valutazione dei criteri prestazionali, permettendo di rendicontare in maniera strutturata il livello qualitativo e quantitativo e l’impatto dell’attività antropica già in fase di progettazione, ed eventualmente mitigarlo adottando le misure da essi consigliati. Nell’ambito di un’effettiva transizione ecologica, l’utilizzo di questi nuovi protocolli propone un cambio di paradigma e un nuovo e differente approccio tecnico-formale alla progettazione: un approccio di tipo olistico, integrato e multidisciplinare, che abbia la sostenibilità tra i propri obiettivi e principi ispiratori. Inoltre, un approccio bio-eco-sostenibile deve essere attentamente considerato soprattutto per quelle tipologie di edifici considerati più “sensibili”, come lo spazio scolastico da cui dipendono l’apprendimento e soprattutto la crescita e il benessere dell’individuo: “l’edificio crea il metodo”.
Il patrimonio immobiliare italiano dell’edilizia scolastica (oltre 42.000 edifici) risulta essere attualmente inadeguato con uno stato di conservazione mediamente non buono, -spesso dovuto alla “anzianità” delle strutture – a prestazioni energetiche tutt’altro che ottimali, a problemi di sicurezza antisismica e a una collocazione su parti del territorio particolarmente fragili dal punto di vista idrogeologico. Alla luce di questi dati, è evidente la necessità e l’urgenza di una profonda revisione degli edifici scolastici, unitamente a una corretta programmazione delle nuove edificazioni, uno dei punti nodali dell’agenda della politica italiana. Il concetto di innovazione è entrato dunque di diritto anche nel mondo della scuola. È in questo contesto di rinnovamento che si inserisce il concorso indetto dal comune di Biassono che intende riunire in un unico nuovo complesso scolastico altamente performante le scuole primarie esistenti molto energivore, con l’obiettivo di razionalizzare gli spazi, ridurre i costi di gestione e manutenzione nonché migliorare l’offerta didattica e aumentare il confort e benessere interno.
La ricerca è stata divisa in due parti: la prima si è focalizzata su tutto il processo di analisi finalizzata all’elaborazione del progetto definitivo, oltre che sulla valutazione e scelta delle possibili strategie energetiche e ambientali per rispondere ai requisiti del protocollo LEED, per il perseguimento di una futura certificazione. Partendo da un pre-assessment della checklist LEED V4 for School si è quindi verificata la rispondenza dei requisiti minimi di programma, i crediti perseguibili, l’implementazione e le strategie per ciascuno dei crediti così da avere già chiara una prospettiva di risultato e capire a quale livello di certificazione si potesse arrivare impiegando più/ meno risorse ipotizzate. Trattandosi di un’opera pubblica, è risultato imprescindibile fare il confronto con i CAM, i requisiti ambientali per il raggiungimento degli obiettivi previsti dal PAN GPP. Visto l’oggetto “sensibile” della progettazione, si è ritenuto interessante fare anche il confronto con il protocollo americano WELL, di più recente natura, che ben si integra con il LEED, ed è maggiormente focalizzato su gli aspetti di confort, salute e benessere delle persone.
Lo step successivo ha riguardato le strategie di architettura bioclimatica e, attraverso l’analisi del contesto in cui si inserisce l’edificio, sono stati raccolti i dati ambientali e climatici che forniscono preziose informazioni sul microclima globale, sulla quantità di giorni di sole, sul percorso del sole, sulla direzione ed intensità dei venti per determinarne la forma, l’orientamento, l’ottimizzazione delle vetrature, la scelta delle corrette schermature, i materiali costruttivi etc. Già in fase preliminare, è stato dunque individuato il modo migliore per orientare l’edificio, disponendo la pianta lungo l’asse est-ovest in modo da ottimizzare la collocazione di tutte le aule scolastiche a nord o a sud come consigliato dalle Advanced Energy Design Guide for K-12 School Building, una guida pratica che fornisce consigli per progettare edifici scolastici ad alta efficienza energetica. Si sono studiati poi i modi per migliorare la penetrazione della luce naturale, incorporando atri, lucernari, roof monitors, dimensionando adeguatamente le vetrature, valutando il rapporto corretto tra la finestra e la superficie del pavimento, integrando le schermature per controllare la radiazione solare e prevenire l’abbagliamento e surriscaldamento.
L’ottimizzazione del sistema di daylight è fondamentale in un edificio scolastico, in quanto massimizzando la luce naturale può diminuire la dipendenza dall’ illuminazione artificiale, riducendo così i consumi energetici e riuscendo ad incidere sul benessere e la salute dell’utente. Tramite il software IES VE è stato possibile operare la simulazione di daylight per dimostrare la conformità del progetto al requisito LEED (Opzione 2), ottenendo due crediti. Per completare in maniera esaustiva questa parte di ricerca si sono infine analizzati i parametri termo-igrometrici e fisico-tecnici dell’involucro edilizio, creando dei pacchetti costruttivi ad elevate prestazioni e verificandone tramite software specifico la trasmittanza e l’inerzia termica, l’ assenza di formazione di condensa interstiziale e superficiale, il buon potere fonoassorbente per determinare il soddisfacimento dei requisiti energetici, acustici, di confort interno e qualità dell’aria prescritti sia dal protocollo LEED ma anche dal quadro normativo italiano.
Nella seconda parte della ricerca, l’approfondimento sull’efficientamento energetico è stato possibile grazie alla simulazione energetica dinamica sempre con IES VE, uno strumento fondamentale per soddisfare il prerequisito Minumum Energy Performance e il credito Optimize Energy Performance, che risulta essere il credito più corposo di tutta la certificazione, in quanto fornisce fino a 16 punti. Questo è un credito di tipo prestazionale: il punteggio è dato in base al miglioramento percentuale nelle prestazioni dell’edificio di progetto comparato con l’edificio di riferimento, chiamato Baseline. La simulazione energetica dinamica, rispetto a quella in regime stazionario e semi stazionario, consente la valutazione globale della prestazione energetica dell’edificio e tiene conto di tutti gli usi energetici, delle reali condizioni di utilizzo e delle condizioni al contorno, giorno per giorno.
Proposed model
Baseline Model secondo ASHRAE 90.1-2010
Con l’ausilio del software, e nello specifico del Navigator ASHRAE 90.1-2010, si è potuto dimostrare in maniera concreta la rispondenza del progetto ai requisiti LEED per il credito Optimize Energy
Performance mediante la creazione automatizzata dell’edificio Baseline, modellato secondo le indicazioni fornite dallo Standard ASHRAE 90.1-2010, e la generazione di un Report in cui viene riportata la percentuale di risparmio di energia primaria dell’edificio di progetto rispetto all’edificio di riferimento.
Nel corso di tutta la ricerca si è dunque dimostrato come sia fondamentale già in fase preliminare valutare opportunamente i fattori ambientali e climatici, fisici e tecnici, e le interrelazioni tra i sistemi; nonché, identificare opportunità volte a conseguire sinergie tra discipline e sistemi dell’edificio nell’ottica di una progettazione integrata, che favorisca risultati ad alte prestazioni, economicamente efficaci e soprattutto sostenibili.
FOR INTERNATIONAL STUDENTS
This thesis stems from the desire to explore, within the field of architectural design—starting from the preliminary phase through to the final stages—the application of the LEED environmental and energy certification protocol. A concrete opportunity for research is provided by the design competition launched by the Municipality of Biassono (MB), aimed at the creation of a new primary school based on sustainability principles.
Rating systems—among which LEED is certainly one of the most authoritative and widespread—make it possible to determine the performance level of buildings by evaluating performance criteria throughout their various life stages. This allows for a structured assessment of both the qualitative and quantitative impact of human activity starting from the design phase, and, where necessary, to mitigate that impact by adopting the measures recommended by the protocol. In the context of a genuine ecological transition, the use of these new protocols introduces a paradigm shift and a new, distinct technical-formal approach to design: a holistic, integrated, and multidisciplinary approach that places sustainability among its core objectives and guiding principles. Moreover, a bio-eco-sustainable approach must be carefully considered, especially for those types of buildings regarded as more “sensitive,” such as school environments, on which learning—and above all, individual growth and well-being—depend: “the building shapes the method.”
The Italian real estate stock of school buildings (over 42,000 structures) is currently inadequate, with an average state of conservation that is not good—often due to the “age” of the structures, far-from-optimal energy performance, seismic safety issues, and their location in areas of the territory that are particularly vulnerable from a hydrogeological standpoint. In light of this data, the need and urgency for a thorough overhaul of school buildings is evident, along with proper planning for new constructions—one of the key priorities on the Italian political agenda. The concept of innovation has therefore rightfully entered the world of education. It is within this context of renewal that the design competition launched by the Municipality of Biassono fits. The competition aims to merge existing highly energy-consuming primary schools into a single, high-performance educational complex, with the goal of rationalizing space, reducing management and maintenance costs, improving the quality of education, and increasing indoor comfort and well-being.
The research has been divided into two parts. The first focuses on the entire analytical process aimed at developing the final design, as well as on the evaluation and selection of potential energy and environmental strategies to meet the requirements of the LEED protocol, with a view toward future certification. Starting from a pre-assessment using the LEED v4 for Schools checklist, the compliance with minimum program requirements was verified, along with the credits that could be pursued, their implementation, and the strategies for each, in order to clearly understand the potential outcome and determine what certification level could be achieved depending on the amount of resources allocated. Since this is a public project, it was essential to compare it with the CAM (Minimum Environmental Criteria), which are the environmental requirements for achieving the objectives set out by the PAN GPP (National Action Plan for Green Public Procurement). Given the “sensitive” nature of the design subject, it was considered interesting to also make a comparison with the more recent American WELL standard, which integrates well with LEED and is more focused on aspects of comfort, health, and human well-being.
The next step involved examining bioclimatic architectural strategies by analysing the context in which the building is located and collecting environmental and climatic data. These data provide valuable insights into the global microclimate, the number of sunny days, the sun’s path, and the direction and intensity of prevailing winds—all crucial elements for determining the building’s shape, orientation, optimization of glazing, appropriate shading systems, construction materials, and more. Already in the preliminary phase, the best way to orient the building was identified, positioning the layout along the east-west axis in order to optimize the placement of all classrooms to the north or south, as recommended by the Advanced Energy Design Guide for K-12 School Buildings, a practical guide that provides advice for designing high energy-efficiency school buildings. Methods were then studied to improve natural light penetration, incorporating atriums, skylights, and roof monitors, properly sizing glazing, evaluating the correct window-to-floor area ratio, and integrating shading systems to control solar radiation and prevent glare and overheating.
The optimization of the daylight system is essential in a school building, as maximizing natural light reduces reliance on artificial lighting, thereby lowering energy consumption and positively impacting users’ well-being and health. The optimization of the daylighting system is fundamental in a school building, as maximizing natural light can reduce dependence on artificial lighting, thereby lowering energy consumption and positively impacting users’ well-being and health. Using the IES VE software, a daylight simulation was carried out to demonstrate the project’s compliance with the LEED requirement (Option 2), earning two credits. To thoroughly complete this part of the research, the thermo-hygrometric and physical-technical parameters of the building envelope were analysed, designing high-performance construction assemblies and verifying, through specific software, their thermal transmittance and thermal inertia, the absence of interstitial and surface condensation, and their good sound-absorbing properties. This ensured compliance with energy, acoustic, indoor comfort, and air quality requirements prescribed not only by the LEED protocol but also by the Italian regulatory framework.
In the second part of the research, the in-depth analysis of energy efficiency was made possible through dynamic energy simulation using IES VE, a fundamental tool for meeting the Minimum Energy Performance prerequisite and the Optimize Energy Performance credit, which is the most substantial credit in the entire certification process, as it can provide up to 16 points. This is a performance-based credit: the score is determined based on the percentage improvement in the performance of the design building compared to the reference building, known as the Baseline.
Compared to steady-state and quasi-steady-state simulations, dynamic energy simulation allows for a comprehensive evaluation of the building’s energy performance, taking into account all energy uses, real usage conditions, and boundary conditions on a day-by-day basis.
With the aid of the software—and specifically the Navigator ASHRAE 90.1-2010 —it was possible to concretely demonstrate the project’s compliance with LEED requirements for the Optimize Energy Performance credit. This was achieved through the automated creation of the Baseline building, modelled according to the guidelines set by ASHRAE 90.1-2010, and the generation of a report indicating the percentage of primary energy savings of the Proposed project compared to the reference building.
Throughout the research, it became clear that already in the preliminary design phase, it is essential to properly assess environmental, climatic, physical, and technical factors, the interactions among building systems, and to identify opportunities for synergy between disciplines and components. This approach fosters an integrated design process, capable of delivering high-performance results that are both cost-effective and, above all, sustainable.