AUTHOR: Ing. Alessio Tolomei
TUTORS: Ing. Alessandro Zichi
INTERNSHIP:
MASTER: Master in “Sustainability and Energy Management in Construction Works” a.a 2022/2023
La presente tesi vuole analizzare e descrivere l’approccio bioclimatico che ha influenzato le strategie di progettazione della ricostruzione di un Auditorium a Reggio Calabria, derivante dal concorso di progettazione indetto dal Consiglio della Regione Calabria nel 2023. Il progetto nasce dalla necessità di ripristinare l’area a seguito del crollo del tetto della vecchia sala auditorium. Questo evento ha fornito la possibilità di dare vita a una riqualificazione e valorizzare dell’area, con l’obbiettivo di rifunzionalizzare gli spazi esistenti al fine di renderli fruibili ad un pubblico più ampio.
La tesi è incentrata in particolar modo sugli aspetti energetici passivi e di sostenibilità, focalizzandosi sugli elementi che caratterizzano ed unificano il sistema edificio-impianto, e come questo è influenzato dal contesto in cui si immerge il progetto.
La progettazione del fabbricato segue i principi cardine dell’architettura bioclimatica, integrando anche le strategie energetiche ed ambientali del protocollo LEED v4.1 BD+C – New Construction al fine di perseguire una futura certificazione. Si vuole dimostrare, come partendo da studi preliminari fino a studi avanzati di fisica dell’edificio, è possibile raggiungere elevate prestazioni energetiche e ridurre i fabbisogni termici dell’edificio, ottenendo conseguentemente un risparmio di energia primaria, senza l’impiego di sistemi avanzati inseriti a posteriori nel processo di progettazione.
Dopo l’introduzione del protocollo di certificazione LEED vengono analizzati i parametri fisico edili degli edifici ad elevate prestazioni e sulla base di questi viene esplicato come sono stati applicati al progetto e quale sia la loro influenza sulla prestazione energetica ottenuta.
Fra i principi di architettura bioclimatica nella prima parte della tesi viene analizzato e dimostrato l’importanza del considerare il contesto in cui si immerge l’edificio. Viene analizzato in prima battuta il clima del luogo a scala urbana per poi scendere in una scala ristretta “di quartiere” contestualizzando l’ambiente circostante l’edificio, quali sono i venti prevalenti e le schermature microclimatiche dell’area di progetto.
Successivamente viene illustrato il processo di progettazione dell’area esterna, suddiviso in due macro-aree: il “Verde” e “l’Acqua”, due grandi temi della sostenibilità ambientale, che contribuiscono ad integrare l’edificio con l’ambiente circostante.
Partendo dalle caratteristiche orografiche del luogo, è stato sviluppato il progetto dell’area esterna, la quale offre ai visitatori una serie di percezioni spaziali mediante una vegetazione che favorisce la biodiversità e funge da regolatore microclimatico. Il progetto soddisfa i requisiti della sezione Sustainable Sites della certificazione BD+C-New Construction, come il “Protect or Restore Habitat”, preservando il 40% dell’area verde e ripristinando il 25% dell’area disturbata. Sono state utilizzate vari tipi di piante, in particolare specie autoctone che migliorano la biodiversità locale.
Per la gestione delle risorse idriche, il progetto impiega tecnologie per raccogliere, trattare e riutilizzare l’acqua piovana, riducendo il deflusso superficiale e migliorando l’efficienza energetica. Sono previste pavimentazioni drenanti e rain garden per facilitare l’infiltrazione dell’acqua nel suolo e ridurre le inondazioni. Il progetto mira a gestire il 100% degli eventi pluviometrici attraverso tecniche di infiltrazione, evapotraspirazione e raccolta dell’acqua meteorica.
Inoltre, il progetto include un sistema di irrigazione efficiente che riduce il consumo di acqua potabile, utilizzando piante a basso fabbisogno idrico e acqua piovana raccolta in serbatoi. Questo approccio ha permesso di raggiungere un risparmio idrico del 36% per l’irrigazione esterna.
Figura 1: Concept Bioclimatico
Infine, per gli usi interni, sono state previste apparecchiature a basso flusso per ridurre il consumo di acqua, ottenendo un risparmio del 52,87% rispetto agli standard. Questo progetto olistico affronta la gestione dell’acqua in modo integrato, migliorando la sostenibilità e la resilienza del nuovo edificio pubblico.
Il processo di progettazione architettonica, è iniziato seguendo gli indirizzi di progettazione dedotti dall’analisi del contesto. mediante una “modellazione a scatola”. Inizialmente è stato sviluppato un Concept bioclimatico al fine di identificare gli aspetti prevalenti, risolvere potenziali criticità fin dalle prime fasi del progetto, e garantire una base solida su cui sviluppare dettagli più complessi.
Il progetto è stato guidato dall’idea di creare un volume architettonico distintivo e riconoscibile, che dialogasse con il palazzo adiacente della Regione, mantenendo comunque una sua indipendenza formale. L’idea principale prevede un ingresso ampiamente vetrato verso l’esterno, in contrapposizione alla chiusura degli ambienti funzionali e della sala interna. Inizialmente è stato studiato un cubo di 10x10x10 metri, interamente vetrato su un lato, analizzandone il bilancio termico. Il cubo completamente vetrato mostrava un elevato fabbisogno di raffrescamento che si aggiungeva al carico che viene prodotto inevitabilmente nella sala.
Per mantenere una grande superficie vetrata senza aumentare il carico termico estivo e prevenire l’abbagliamento, sono stati introdotti elementi schermanti verticali. Questo ha portato a una forma più complessa del semplice cubo iniziale, una forma “a ventaglio”, con la quale andando a ridurre la superficie vetrata e studiandone le caratteristiche termofisiche e l’ombreggiamento, si è osservato un minor fabbisogno di raffrescamento. Sono stati integrati inoltre, elementi per la sostenibilità, funzionalità, requisiti acustici, prefabbricazione, rispetto dell’esistente ed efficientamento energetico.
Il capitolo più corposo si concentra su alcuni dettagli spesso sottovalutati che riguardano la progettazione dell’involucro opaco e trasparente, con un accenno alle prestazioni acustiche della sala interna.
Pertanto, si tenderà a porre l’attenzione su alcuni singoli parametri che regolano gli effetti dinamici e si cercherà di analizzare nel particolare come questi influenzino la prestazione energetica del sistema edificio-impianto. Nell’ analisi delle stratigrafie sono state valutate diverse soluzioni costruttive, dai sistemi a secco alle murature in blocchi in calcestruzzo cellulare. Dato il contesto geografico vicino al mare e la bassa latitudine, l’attenzione è stata posta sull’ottimizzazione della prestazione energetica durante l’estate.
Successivamente, dopo la progettazione termica dell’involucro è stata analizzata ogni stratigrafia dal punto di vista igrometrico, andando ad effettuare dapprima una verifica con il metodo di Glaser, per poi analizzare nel dettaglio eventuali punti di formazione di condensa mediante un calcolo orario delle condizioni al contorno.
È stato introdotto il tema della tenuta all’aria ed al vento, andando ad analizzare un nodo di collegamento parete di tamponamento-copertura, al fine di governare i flussi d’aria e vapore che migrano da e verso l’esterno.
Descritte quindi le caratteristiche termofisiche e geometriche dell’edificio oggetto di analisi e definito il luogo in cui esso è inserito, si procede con la presentazione della tipologia impiantistica utilizzata in progetto, partendo dall’analisi dei fabbisogni ottenuti a seguito di una corretta progettazione dell’involucro.
Il connubio involucro impianto è da valutarsi congiuntamente, è stato dimostrato il legame ed il contributo reciproco tra questi due componenti.
Il lavoro svolto, tende a mettere in risalto e ad analizzare con spirito critico, l’importanza della progettazione preliminare con un approccio passivo basato sui principi di architettura bioclimatica.
FOR INTERNATIONAL STUDENTS
The present thesis aims to analyze and describe the bioclimatic approach that has influenced the design strategies for the reconstruction of an Auditorium in Reggio Calabria, following the design competition launched by the Calabria Regional Council in 2023. The project arose from the need to restore the area after the roof collapse of the old auditorium hall. This event provided the opportunity to revitalize and enhance the area, with the objective of repurposing the existing spaces to make them accessible to a broader audience.
The thesis focuses particularly on passive energy aspects and sustainability, emphasizing the elements that characterize and unify the building-system relationship and how it is influenced by the context in which the project is immersed.
The design of the building follows the core principles of bioclimatic architecture, also integrating the energy and environmental strategies of the LEED v4.1 BD+C – New Construction protocol to pursue future certification. It aims to demonstrate how, starting from preliminary studies to advanced building physics studies, it is possible to achieve high energy performance and reduce the building’s thermal needs, consequently saving primary energy, without employing advanced systems added later in the design process.
After introducing the LEED certification protocol, the physical building parameters of high-performance buildings are analyzed, and based on these, their application to the project and their influence on the achieved energy performance are explained.
Among the principles of bioclimatic architecture, the importance of considering the context in which the building is immersed is analyzed and demonstrated in the first part of the thesis. The local climate at the urban scale is first examined, then narrowed down to a “neighborhood” scale, contextualizing the surrounding environment of the building, including prevailing winds and the microclimatic shading of the project area.
The external area design process is then illustrated, divided into two macro-areas: “Green” and “Water,” two major themes of environmental sustainability that contribute to integrating the building with its surroundings. Based on the orographic characteristics of the location, the external area project was developed, offering visitors a series of spatial perceptions through vegetation that promotes biodiversity and acts as a microclimatic regulator. The project meets the requirements of the Sustainable Sites section of the BD+C-New Construction certification, such as “Protect or Restore Habitat,” preserving 40% of the green area and restoring 25% of the disturbed area. Various plant types, particularly native species that enhance local biodiversity, have been used.
For water resource management, the project employs technologies to collect, treat, and reuse rainwater, reducing surface runoff and improving energy efficiency. Permeable pavements and rain gardens are planned to facilitate water infiltration into the soil and reduce flooding. The project aims to manage 100% of rainfall events through infiltration, evapotranspiration, and rainwater harvesting techniques.
Furthermore, the project includes an efficient irrigation system that reduces potable water consumption by using low-water-demand plants and collected rainwater stored in tanks. This approach achieved a 36% water savings for external irrigation. For internal uses, low-flow fixtures are planned to reduce water consumption, achieving a 52.87% saving compared to standards. This holistic project addresses water management in an integrated way, improving the sustainability and resilience of the new public building.
The architectural design process began by following the design guidelines derived from the context analysis through “box modeling.” Initially, a bioclimatic concept was developed to identify prevalent aspects, address potential issues from the early stages of the project, and ensure a solid foundation on which to develop more complex details.
The project was guided by the idea of creating a distinctive and recognizable architectural volume that interacts with the adjacent Regional Council building while maintaining its formal independence. The main idea includes a broadly glazed entrance facing the outside, contrasting with the closed functional areas and the internal hall. Initially, a 10x10x10 meter cube, entirely glazed on one side, was studied, analyzing its thermal balance. The fully glazed cube showed a high cooling demand, adding to the inevitable load produced in the hall.
To maintain a large glazed surface without increasing the summer thermal load and preventing glare, vertical shading elements were introduced. This led to a more complex form than the initial simple cube, a “fan-shaped” form, which, by reducing the glazed surface and studying its thermophysical characteristics and shading, showed a lower cooling demand. Elements for sustainability, functionality, acoustic requirements, prefabrication, respect for the existing structure, and energy efficiency were also integrated.
The most substantial chapter focuses on often overlooked details related to the design of the opaque and transparent envelope, with a mention of the internal hall’s acoustic performance. Therefore, attention will be given to some individual parameters that regulate dynamic effects, analyzing in detail how they influence the energy performance of the building-system. Various construction solutions were evaluated in the analysis of the stratifications, from dry systems to cellular concrete block walls. Given the geographical context near the sea and the low latitude, attention was paid to optimizing energy performance during the summer.
After the thermal design of the envelope, each stratification was analyzed from a hygrothermal perspective, first performing a verification with the Glaser method, then analyzing in detail any condensation points through hourly calculations of boundary conditions. The topic of air and wind tightness was introduced, analyzing a wall-to-roof connection node to manage air and vapor flows migrating to and from the outside.
After describing the thermophysical and geometric characteristics of the building under analysis and defining its location, the type of systems used in the project is presented, starting from the analysis of needs obtained from correct envelope design.
The envelope-system combination is to be evaluated jointly, demonstrating the mutual link and contribution between these two components.
The work carried out aims to highlight and critically analyze the importance of preliminary design with a passive approach based on the principles of bioclimatic architecture.