L’integrazione dei sistemi di energia rinnovabile nell’ambito della progettazione degli edifici

L’integrazione delle fonti di energia rinnovabile nella progettazione degli edifici è un passo cruciale verso la bioedilizia e la conservazione dell’ambiente in un’epoca in cui la sostenibilità è una necessità piuttosto che un’opzione. Secondo un rapporto dell’Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili, le fonti rinnovabili rappresentano il 43% della capacità energetica installata nel mondo. L’integrazione di tecnologie solari, eoliche e geotermiche nei paesaggi urbani non solo promuove un rapporto sostenibile con l’ambiente, ma conduce anche il settore architettonico verso un futuro in cui gli edifici funzionano come ecosistemi innovativi ed efficienti piuttosto che come semplici strutture fisiche. 

In questo articolo esploreremo l’importanza delle energie rinnovabili nella progettazione di edifici sostenibili. Verranno trattati i sistemi innovativi che possono essere integrati, dai pannelli solari alle turbine eoliche, dal riscaldamento geotermico ai sistemi di raccolta dell’acqua piovana. L’obiettivo è fornire a professionisti e appassionati le conoscenze necessarie per rivoluzionare la progettazione degli edifici con le energie rinnovabili, illustrando anche gli ostacoli che si possono incontrare. Prima, però, diamo uno sguardo all’importanza delle energie rinnovabili nella progettazione degli edifici nel mondo di oggi. 

L’importanza dell’energia rinnovabile nella progettazione degli edifici

La progettazione moderna si affida in larga misura all’energia rinnovabile, caratterizzata dalla capacità di reintegrarsi più rapidamente di quanto venga utilizzata. Si tratta di fonti energetiche essenziali per lo sviluppo di progetti di edifici sostenibili, come l’energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica e bioenergetica. Gli edifici possono migliorare l’efficienza energetica e ridurre drasticamente l’impronta di carbonio combinando diverse fonti energetiche. 

Le fonti energetiche tradizionali, tra cui carbone e petrolio, offrono una sostenibilità limitata e si formano nell’arco di milioni di anni. D’altro canto, le fonti di energia rinnovabile, come l’eolico e il solare, sono inesauribili e producono una quantità minima di gas serra. Poiché l’energia rinnovabile è decentralizzata, incorporarla nella progettazione degli edifici non solo migliora la sicurezza energetica, ma riduce anche gli effetti del cambiamento climatico. 

Anche dal punto di vista economico, incorporare le energie rinnovabili negli edifici è un’opzione migliore. Rispetto all’instabilità dei prezzi dei combustibili fossili, l’energia rinnovabile è una scelta più conveniente in quanto riduce i costi energetici e stabilizza gradualmente i prezzi dell’energia. Inoltre, l’utilizzo di energia rinnovabile negli edifici può aumentare i prezzi degli immobili e favorire una migliore qualità dell’aria interna.

Fonti di energia rinnovabile innovative per gli edifici

Ora che abbiamo stabilito le ragioni per costruire strutture con fonti di energia rinnovabile, approfondiamo i tipi di fonti innovative di energia rinnovabile che possono trasformare gli edifici in edifici ecologici. 

Energia solare: Impianti fotovoltaici e termici

Grazie alla tecnologia del silicio, l’energia solare viene convertita direttamente in elettricità attraverso i pannelli fotovoltaici (PV). Questi pannelli, disponibili nelle varietà monocristallina, policristallina e a film sottile, possono essere incorporati nella facciata o nel tetto degli edifici. Nel 2023, la capacità globale del solare fotovoltaico è aumentata di quasi il 50% rispetto all’anno precedente, trainata in modo significativo dalla rapida espansione delle installazioni fotovoltaiche in Cina. Questo fenomeno illustra​ il rapido sviluppo della tecnologia e le possibilità di integrazione nelle strutture contemporanee.

Tipi di pannelli solari fotovoltaici

• Pannelli monocristallini: Costruiti con una struttura a cristallo singolo, questi pannelli sono rinomati per la loro grande efficienza e l’aspetto elegante. Sebbene siano spesso più costosi rispetto ad altre varietà, sono anche più efficaci e occupano meno spazio.
• Pannelli policristallini: Meno costosi dei pannelli monocristallini, ma spesso meno efficienti a causa della costruzione con numerosi cristalli di silicio. Sono una scelta popolare per le installazioni più grandi, dove lo spazio non è un vincolo.
• Pannelli a film sottile: Per creare questi pannelli, un substrato viene ricoperto da uno o più strati di materiale fotovoltaico. Grazie alla loro flessibilità, alla leggerezza e alla possibilità di essere resi semitrasparenti, possono essere integrati in finestre e facciate, oltre che in altri usi creativi.

Solare termico 

La tecnologia solare termica, spesso utilizzata per riscaldare l’acqua, sfrutta la luce del sole per riscaldare i liquidi che producono energia. Questo sistema utilizza collettori per assorbire e concentrare la luce solare, convertendola in calore, che viene trasferito a un fluido. Il fluido riscaldato può poi produrre vapore per azionare una turbina collegata a un generatore elettrico. Questa tecnica è spesso utilizzata nelle attività industriali e nei sistemi di teleriscaldamento, poiché è molto efficiente per le applicazioni su larga scala.

energia eolica

Le turbine eoliche convertono l’energia cinetica del vento in elettricità. Tra i nuovi sviluppi della tecnologia eolica vi sono le turbine ad asse verticale, che funzionano in modo efficiente nelle città poiché non devono essere orientate verso il vento e il loro design compatto consente una maggiore vicinanza all’installazione. Le turbine di grandi dimensioni possono contribuire in modo significativo al fabbisogno energetico di un edificio e alcune sono in grado di alimentare migliaia di famiglie all’anno. Secondo il Global Wind Energy Council, la capacità eolica installata a livello mondiale raggiungerà oltre 906 GW (gigawatt) entro la fine del 2023, con una crescita del 9% su base annua. Questo dato evidenzia l’aumento sostanziale dei progressi tecnologici e dell’adozione nelle aree rurali e urbane. 

Tipi di turbine eoliche

• Turbine eoliche ad asse orizzontale: Questo tipo di turbine, che ruotano su un asse orizzontale, sono le più comuni. Sono ampiamente utilizzate nei parchi eolici di grandi dimensioni e hanno la capacità di generare quantità significative di energia. Ad esempio, un’enorme HAWT può produrre abbastanza energia ogni anno per alimentare migliaia di case. 
• Turbine eoliche ad asse verticale (VAWT): Grazie al loro orientamento verticale, le VAWT possono catturare il vento da qualsiasi direzione senza la necessità di regolare l’orientamento. Questo le rende particolarmente adatte agli ambienti urbani, dove la direzione del vento può variare improvvisamente. Le dimensioni ridotte delle VAWT consentono anche di installarle più vicino ad altri edifici e strutture, massimizzando così la quantità di energia che può essere catturata in piccole aree.

Come integrare le turbine eoliche nella progettazione degli edifici

Le turbine eoliche più piccole possono essere montate sui tetti o integrate nella struttura di un edificio, fornendo una fonte diretta di energia rinnovabile. Questo metodo funziona bene in ambienti urbani con spazio limitato e abbondanza di risorse eoliche. Se le risorse eoliche disponibili sono sufficienti, gli edifici possono soddisfare gran parte del loro fabbisogno energetico grazie a turbine eoliche indipendenti posizionate nelle vicinanze. Queste installazioni possono variare da piccoli progetti eolici comunitari a parchi eolici su larga scala che immettono energia direttamente nella rete.

L’energia geotermica

I sistemi geotermici generano calore e raffreddamento sfruttando la temperatura costante presente sotto la superficie della Terra. Le pompe di calore geotermiche (GHP) scambiano calore con il terreno attraverso uno scambiatore di calore, rendendole altamente efficienti e meno dipendenti dalle variazioni di temperatura esterna. Questi sistemi possono essere configurati in diverse modalità, come ad esempio in orizzontale, in verticale o tramite un laghetto, a seconda della disponibilità di terreno e delle caratteristiche del suolo. Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, le pompe di calore geotermiche possono ridurre il consumo energetico fino al 44% rispetto alle pompe di calore ad aria e addirittura fino al 72% rispetto agli impianti di climatizzazione standard. 

Tipi di sistemi geotermici

• Sistemi orizzontali: Adatti a luoghi con molto terreno ma non troppo profondi, vengono solitamente installati in trincee poco profonde. Per le installazioni residenziali, i sistemi orizzontali sono spesso più convenienti.
• Sistemi verticali: Richiedono la trivellazione di pozzi profondi e sono ideali per le aree con terreni limitati in superficie ma profondi e stabili. Nelle strutture commerciali e nei luoghi in cui il terreno è costoso, si scelgono spesso i sistemi verticali.
• Sistemi a laghetto: Questi sistemi scambiano calore con un corpo idrico vicino. Devono essere vicini a un’adeguata rete idrica, ma sono meno invasivi e abbastanza efficaci.

Come integrare i sistemi geotermici nella progettazione degli edifici?

Integrare efficacemente i sistemi geotermici nella progettazione di un edificio richiede molta pianificazione. Ecco una guida dettagliata che assicura un’integrazione efficace.  

1. Valutazione del sito: Prima dell’installazione, è fondamentale condurre una valutazione approfondita del sito. Questo processo include l’analisi del tipo di terreno e di roccia, che influenzeranno l’efficienza dello scambiatore di calore a terra. Inoltre, è importante considerare la presenza di acqua di falda, che può migliorare le capacità di trasferimento del calore, e valutare la disponibilità di spazio per determinare il tipo di sistema geotermico più adatto (orizzontale, verticale, stagno/lago). 
2. Progettazione dello scambiatore di calore a terra: Lo scambiatore di calore a terra è costituito da una rete di tubi interrati che trasferiscono il calore all’edificio. La progettazione di questo sistema deve tenere conto delle caratteristiche specifiche del sito e delle esigenze dell’edificio, e può prevedere l’installazione di tubi orizzontali, verticali o in corpi idrici vicini. 
3. Integrazione con i sistemi dell’edificio: Il sistema geotermico deve essere integrato negli impianti HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento) dell’edificio. La pompa di calore geotermica può essere collegata alla rete di canalizzazioni dell’edificio o al pavimento radiante per distribuire aria o acqua riscaldata o raffreddata in modo efficiente e uniforme. 
4. Integrazione del sistema di gestione dell’energia (EMS): Un sistema di gestione dell’energia (EMS) può essere configurato per automatizzare il funzionamento del sistema geotermico durante le ore non di punta, ottimizzando l’efficienza e riducendo i costi energetici. Inoltre, fornisce un monitoraggio continuo per garantire il corretto e efficiente funzionamento del sistema nel tempo. 

Bioenergia

I sistemi energetici a biomassa offrono una fonte affidabile e sostenibile di calore ed energia per gli edifici, attraverso la combustione di materiali organici come pellet di legno o scarti agricoli. Integrare caldaie a biomassa o sistemi di cogenerazione di calore ed energia (CHP) nei progetti degli edifici può efficacemente fornire riscaldamento degli ambienti e acqua calda, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e le emissioni di carbonio. A differenza delle fonti di energia rinnovabile sporadiche come l’energia solare o eolica, i sistemi di bioenergia forniscono una fornitura costante di energia, rendendoli particolarmente adatti per garantire la sicurezza energetica degli edifici, specialmente in aree dove le risorse solari o eoliche possono essere limitate o variabili. 

Questa affidabilità ha fatto sì che la bioenergia rappresenti circa il 10% del consumo finale di energia a livello mondiale, secondo l’Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili. Inoltre, circa tre quarti dell’utilizzo di energia rinnovabile a livello mondiale riguarda la bioenergia. Come si può osservare nella Figura 2 qui sotto, la traiettoria dell’uso delle bioenergie è in crescita. 

L’energia idroelettrica

Mentre i progetti idroelettrici su larga scala potrebbero non essere fattibili per singoli edifici, i sistemi micro-idroelettrici possono essere integrati senza problemi in strutture situate vicino a corpi idrici come fiumi, torrenti o persino canali d’acqua artificiali. Questi sistemi sfruttano il flusso dell’acqua per generare elettricità utilizzando turbine o ruote idrauliche, collegate a generatori che convertono l’energia meccanica in energia elettrica, fornendo una fonte di energia rinnovabile.

L’integrazione del micro-idroelettrico nella progettazione degli edifici richiede un’attenta valutazione del sito, l’ingegneria idraulica e la progettazione del sistema per ottimizzare la produzione di energia, riducendo al minimo l’impatto ambientale. I sistemi micro-idroelettrici contribuiscono a raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile riducendo le emissioni di gas serra, migliorando la sicurezza energetica e stimolando la crescita economica regionale attraverso l’utilizzo della potenza dell’acqua corrente. 

Sfide nell’integrazione delle energie rinnovabili nella progettazione degli edifici

L’integrazione delle fonti di energia rinnovabile nella progettazione degli edifici offre numerosi vantaggi. Tuttavia, vi sono diversi fattori che devono essere considerati prima di procedere con l’implementazione, tra cui: 

• Costi – Gli elevati costi iniziali della tecnologia e le difficoltà nell’ottenere finanziamenti per le soluzioni di accumulo energetico rappresentano ostacoli finanziari all’integrazione dei sistemi di energia rinnovabile. Tuttavia, incentivi finanziari come sconti fiscali e sussidi possono compensare tali costi e aumentare la fattibilità dei progetti di energia rinnovabile.
• Vincoli di spazio e integrazione urbana – L’installazione su larga scala di sistemi di energia rinnovabile può essere ostacolata da restrizioni spaziali in contesti urbani. Per superare tali limitazioni, le soluzioni possono includere l’adozione di sistemi più flessibili e compatti, come le turbine eoliche ad asse verticale, o l’esplorazione di opportunità di produzione di energia rinnovabile al di fuori del sito. 
• Ostacoli normativi – Navigare in ambienti normativi complessi rappresenta una sfida significativa. Le norme spesso definiscono modalità di connessione alla rete e meccanismi di pagamento dell’energia. Le differenze normative tra Stati possono causare ritardi e aumentare i costi dei progetti. Un coinvolgimento tempestivo con legislatori e enti normativi può contribuire a superare tali ostacoli. 

Conclusioni

In conclusione, l’integrazione delle fonti di energia rinnovabile nella progettazione degli edifici rappresenta un passo fondamentale verso la creazione di ambienti edificati sostenibili e resilienti. Sfruttando la potenza dell’energia solare, eolica, geotermica, bioenergetica e idroelettrica, gli edifici possono ridurre la loro impronta di carbonio, aumentare l’indipendenza energetica e promuovere la gestione sostenibile dell’ambiente. Questa strategia integrata non solo mitiga le conseguenze negative del cambiamento climatico, ma favorisce anche lo sviluppo comunitario, la creazione di posti di lavoro e il progresso economico. Nel futuro, gli edifici non solo consumeranno meno energia, ma contribuiranno anche alla salute e al benessere del pianeta e dei loro abitanti, poiché architetti, ingegneri e legislatori continueranno a concentrarsi sull’integrazione delle energie rinnovabili.