Analisi dell’approvvigionamento

Possono venire installate sonde geotermiche sulla parcella?

Tool: GIS-Browser

Come tanti palazzi svizzeri anni ’70, anche il condominio di Schwamendingen va ancora a gasolio: roba vecchia scuola, non rinnovabile e super inquinante. Bruciare gasolio vuol dire buttare nell’aria un sacco di CO₂ e schifezze varie, e in più questi impianti rendono pochissimo.

Se vogliamo fare una ristrutturazione energetica fatta bene, dobbiamo quindi capire quali alternative green funzionano davvero per questo edificio. Prima cosa: dare un’occhiata alle condizioni locali. Con gli strumenti giusti possiamo scoprire quali fonti di energia sostenibile si possono sfruttare sul posto, in Stettbachstrasse 43, 8051 Zurigo.

Questa mappa mostra chiaramente che, presso il sito del condominio di Schwamendingen, esiste la possibilità di installare sonde geotermiche con profilo di perforazione. In altre parole, la perforazione è tecnicamente possibile in questo luogo.
Fonte: GIS-Browser, Cantone di Zurigo

Con il GIS-Browser del Cantone di Zurigo si può vedere chiaramente che in questo sito non è possibile utilizzare l’acqua di falda per la produzione di calore. La ragione risiede nelle condizioni idrogeologiche del sottosuolo.

La mappa mostra invece una buona idoneità per l’installazione di sonde geotermiche con profilo di perforazione. La profondità massima consentita per le sonde è di 234 metri.

Su questa base viene impiegata una pompa di calore salamoia-acqua, collegata a quattro sonde geotermiche con una profondità di circa 234 metri ciascuna. Questo sistema utilizza in modo efficiente il calore immagazzinato nel terreno e rappresenta un’alternativa sostenibile all’attuale riscaldamento a olio.

Una pompa di calore salamoia-acqua estrae energia termica dal terreno tramite sonde geotermiche o collettori orizzontali. Una salamoia, ossia una miscela di acqua e glicole, trasporta questo calore alla pompa di calore. Qui un fluido refrigerante evapora nell’evaporatore, viene poi compresso nel compressore aumentando la sua temperatura. Nel condensatore il refrigerante cede il calore al sistema di riscaldamento, ad esempio a un impianto di riscaldamento a pavimento, prima che il ciclo ricominci attraverso la valvola di espansione.

Le sonde geotermiche offrono diversi vantaggi rispetto ai collettori orizzontali: garantiscono un rendimento più elevato, richiedono meno spazio e sfruttano temperature del terreno più costanti. I collettori sono sì più economici, ma necessitano di superfici molto ampie. In questo caso, le sonde geotermiche rappresentano la soluzione più adatta.

Questo diagramma illustra il principio di funzionamento di una pompa di calore salamoia-acqua. Fonte: Bonin, Heat Pump Handbook, Beuth, 2012

In linea di principio sarebbe possibile anche una pompa di calore aria-acqua. Rispetto a questa soluzione, però, la pompa di calore salamoia-acqua si distingue per un rendimento più elevato, un funzionamento più silenzioso e prestazioni più stabili in inverno, anche se comporta costi di investimento maggiori e non è consentita ovunque. Poiché nel nostro sito è ammesso l’utilizzo di una pompa di calore salamoia-acqua con sonde geotermiche, è stata scelta questa soluzione.Per la distribuzione del calore viene utilizzato il riscaldamento a pavimento con una temperatura di mandata di 35 °C invece dei radiatori che funzionano a 60 °C, ottenendo così un coefficiente di prestazione (COP) più elevato.

Anche il sole può essere utilizzato come fonte di energia?

Tool: Geo-Admin, Sonnendach/Sonnenfassade, Solarrechner EnergieSchweiz

Il terreno rappresenta sì una fonte di energia affidabile, ma non dovrebbe rimanere l’unica fonte energetica locale. Anche il sole offre un enorme potenziale, essendo illimitato e rinnovabile. Combinando l'energia geotermica e quella solare, l'edificio può raggiungere un'efficienza energetica ancora più elevata e un maggior grado di autosufficienza.

Con l'aiuto degli strumenti digitali Tetto solare e Facciata solare, accessibili tramite Geo-Admin e collegati al calcolatore solare di EnergySchweiz, è possibile analizzare con grande precisione il potenziale solare di un edificio.

Questi strumenti indicano quali aree del tetto o della facciata sono particolarmente adatte all'installazione di impianti fotovoltaici o termici, in base all'orientamento, all'inclinazione e all'ombreggiamento.

Analisi del potenziale solare. Fonte: Geo-Admin, calcolatore solare di EnergySchweiz.

I risultati degli strumenti di analisi sono estremamente positivi. Poiché l'edificio residenziale plurifamiliare di Schwamendingen ha un tetto piatto e si trova in un ambiente privo di ombreggiamenti significativi, è ideale per l'installazione di moduli fotovoltaici.

Secondo i calcoli del calcolatore solare di EnergySchweiz, il tetto potrebbe generare circa 62.660 kWh di elettricità all'anno. Il tasso di autoconsumo è del 29%, che descrive la quota di elettricità autoprodotta che viene utilizzata direttamente all'interno dell'edificio piuttosto che immessa nella rete pubblica. Utilizzando un sistema di accumulo a batterie, l'elettricità solare in eccesso può essere immagazzinata e utilizzata in un secondo momento, aumentando l'autoconsumo e riducendo la domanda di elettricità della rete. Secondo il calcolatore solare di EnergySchweiz, l'autoconsumo può essere aumentato fino al 44,4% con una batteria da 62,5 kWh.

Il fabbisogno annuo totale di elettricità dell'edificio residenziale multifamiliare ammonta a 63.696 kWh. Con l'impianto fotovoltaico installato, questo fabbisogno può essere coperto quasi interamente per gran parte dell'anno, soprattutto nei mesi più caldi. Solo nei mesi invernali, a causa delle fluttuazioni stagionali dell'irradiazione solare, una piccola parte deve ancora essere fornita dalla rete pubblica.

Anche la facciata solare mostra un potenziale promettente: la facciata dell'edificio rivolta a sud è molto adatta all'utilizzo dell'energia solare, e anche la facciata rivolta a ovest può essere sfruttata. Poiché il tetto copre già la maggior parte del fabbisogno di elettricità, i moduli della facciata potrebbero essere utilizzati in modo significativo per l'energia solare termica a sostegno del fabbisogno di calore dell'edificio. Ciò è particolarmente vantaggioso in inverno, quando la domanda di riscaldamento aumenta notevolmente e il sole è più basso nel cielo. In questa stagione, i guadagni di calore solare dalla facciata possono dare un contributo sostanziale.

I collettori solari montati in facciata raggiungono un elevato rapporto di copertura solare del 74,5% per l'acqua calda sanitaria e il riscaldamento degli ambienti, evidenziando ulteriormente l'efficienza di questa soluzione.

Facciata con collettori solari. Foto: Kämpfen Zinke + Partner AG

Per la ristrutturazione della facciata con collettori solari è stata sviluppata una soluzione non solo funzionale, ma anche esteticamente convincente. Le superfici tra i balconi e le logge delle facciate est, sud e ovest sono state dotate, a partire dal primo piano, di un totale di 180 metri quadrati di collettori solari termici. Grazie alla distribuzione dei collettori su tre lati dell’edificio, la produzione energetica rimane relativamente costante durante tutto l’anno, aumentando in modo significativo l’efficienza complessiva del sistema.

I collettori solari sono equipaggiati con un vetro innovativo dalla finitura chiara con riflessi color bronzo, sviluppato in collaborazione con l’ETH di Losanna (EPFL). A seconda dell’ora del giorno e delle condizioni meteorologiche, l’effetto cromatico della superficie cambia, conferendo all’involucro edilizio un aspetto dinamico e distintivo.

Le superfici di facciata prive di pannelli solari sono state progettate con supporti per piante rampicanti. Queste facciate verdi proteggono le pareti esterne dall’eccessiva radiazione solare e contribuiscono allo stesso tempo al miglioramento del microclima.

Come viene immagazzinata l'energia?

Per aumentare l'autoconsumo dell'elettricità solare autoprodotta, l'impianto fotovoltaico è abbinato a un sistema di accumulo a batterie. Questo permette di immagazzinare l'energia in eccesso e di recuperarla quando serve, in modo che l'edificio debba attingere meno elettricità dalla rete.

Oltre all'accumulo di energia elettrica, ci si chiede anche se il calore generato dalla pompa di calore acqua salamoia/acqua e dal sistema solare termico possa essere immagazzinato in modo efficiente. La risposta è sì, e in un modo particolarmente innovativo.

Localizzazione dell'accumulatore termico. Progetti: Kämpfen Zinke + Partner AG

All’interno dell’edificio si è presentato un vantaggio costruttivo che inizialmente non era stato pianificato: un condotto centrale di estrazione dell’aria, utilizzato per la ventilazione del parcheggio sotterraneo, ha potuto essere riconvertito dopo un adeguamento tecnico. Al posto della sua funzione originaria, il vano ospita ora un accumulatore termico alto 19 metri con un volume di circa 19.000 litri.

Questo accumulatore di calore consente di immagazzinare temporaneamente l’energia termica in eccesso e di renderla disponibile nei momenti di scarsa irradiazione solare o durante periodi di maltempo. In questo modo è garantita una fornitura continua di calore, anche quando l’energia solare non è direttamente disponibile.

Inoltre, il calore in eccesso può essere convogliato nel terreno tramite quattro sonde geotermiche profonde, che fungono da accumulatore stagionale naturale. La combinazione di accumulo elettrico (batterie), accumulo termico e sonde geotermiche crea un sistema energetico altamente efficiente, convincente sia dal punto di vista ecologico sia da quello tecnico.

Sinistra: illustrazione schematica dell'interazione tra accumulo solare, collettori solari e pompa di calore. Fonte: Deutsche Bauzeitung, 2019
Destra: Installazione in loco del sistema di accumulo solare. Foto: Kämpfen Zinke + Partner AG

È necessario un sistema di ventilazione meccanica?

Dopo aver ottimizzato i sistemi di alimentazione elettrica e termica, ci si chiede se sia necessario migliorare anche il sistema di ventilazione. In linea di principio, sarebbe possibile alimentare l'intero edificio esclusivamente attraverso la ventilazione naturale; tuttavia, le perdite di calore associate sono notevoli.

Come mostrato nel diagramma sottostante, nell'edificio residenziale plurifamiliare di Schwamendingen si verificano perdite annuali di ventilazione fino a 4.400 kWh a causa della ventilazione naturale. Queste perdite sono significativamente più elevate soprattutto in inverno, poiché la differenza di temperatura tra l'aria interna e quella esterna è pronunciata. Questo ha un impatto negativo sul consumo energetico e sul comfort termico degli occupanti e rappresenta un problema critico durante la stagione fredda.

Inoltre, tutti i bagni dell'edificio non hanno finestre e quindi non possono essere ventilati naturalmente. Per questi motivi è indispensabile un sistema di ventilazione meccanica.

Diagramma delle perdite di calore dovute alla ventilazione naturale.

Per questi motivi si raccomanda l’installazione di un impianto di ventilazione meccanica controllata con recupero di calore. Un sistema di questo tipo è stato quindi installato anche nel condominio plurifamiliare di Schwamendingen.

Un impianto di ventilazione con recupero di calore utilizza l’energia termica dell’aria interna estratta per preriscaldare l’aria fresca in entrata. I due flussi d’aria attraversano uno scambiatore di calore senza mescolarsi tra loro: viene trasferito solo il calore. In questo modo, aria fresca già temperata entra nell’edificio, mentre l’aria viziata viene espulsa all’esterno.

Questo sistema riduce in modo significativo le perdite di energia per il riscaldamento e allo stesso tempo garantisce un clima interno confortevole e salubre. Soprattutto in inverno, quando una ventilazione naturale sufficiente è difficile da ottenere, la ventilazione meccanica con recupero di calore fornisce un contributo determinante all’efficienza energetica e alla qualità dell’aria interna.

Sistema e diagramma delle sezioni

In sintesi, la ristrutturazione dell'edificio residenziale plurifamiliare di Schwamendingen comprende diversi sistemi edilizi che insieme formano un concetto energetico integrato.

Per soddisfare la domanda di energia elettrica, sul tetto sono stati installati moduli fotovoltaici. In caso di fluttuazioni stagionali, l'elettricità supplementare viene prelevata dalla rete pubblica. Un sistema di accumulo a batterie aumenta la quota di autoconsumo e ottimizza l'uso dell'energia prodotta in loco.

Per il riscaldamento degli ambienti, una pompa di calore acqua glicolica/acqua sostituisce il precedente sistema di riscaldamento a gasolio. Questo sistema può essere utilizzato anche per il raffreddamento, se necessario. Inoltre, l'impianto solare termico sulla facciata fornisce energia termica supplementare, mentre un grande serbatoio di accumulo dell'acqua immagazzina temporaneamente l'energia raccolta e la rende disponibile quando necessario.

Per la ventilazione dell'edificio, accanto alla ventilazione naturale è stato installato un sistema di ventilazione meccanica con recupero di calore. In questo modo si garantisce un apporto continuo di aria fresca, riducendo al contempo le perdite di calore.

In generale, il risultato è un sistema energetico interconnesso in modo efficiente che combina in modo ottimale elettricità, riscaldamento, raffreddamento e ventilazione, riducendo così il consumo energetico dell'edificio a lungo termine.

Catena di sistemi dell'edificio residenziale multifamiliare di Schwamendingen, fonte: A/S

Schema di sezione dell'edificio residenziale plurifamiliare di Schwamendingen: elettricità, riscaldamento, ventilazione e tutto il sistema.

Conclusione: Dalla fonte allo spazio

L'edificio residenziale plurifamiliare di Schwamendingen dimostra che la tecnologia edilizia sostenibile è molto più della semplice combinazione di singoli sistemi. Essa emerge dall'interazione tra fonti energetiche, architettura e tecnologia.

L'integrazione di sole, terra, aria e strumenti digitali come il browser GIS, Geo-Admin e il calcolatore solare rende visibile come dati e progettazione si fondano in un sistema intelligente ed efficiente. La catena del sistema e il diagramma di sezione illustrano in modo chiaro e accessibile come i flussi di energia all'interno dell'edificio si interconnettono dalla fonte al loro utilizzo all'interno dello spazio.

Soprattutto, però, questo progetto ci ricorda che l'architettura orientata al futuro inizia con la progettazione dei sistemi stessi - l'equilibrio tra funzione, forma e ambiente. Ci invita a considerare gli edifici come attori viventi che non si limitano a consumare energia, ma la modellano, la immagazzinano e la trasmettono.

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