Adap­tive So­lar Fa­çade

La facciata solare adattiva ASF (Adaptive Solar Façade) sfrutta il potenziale energetico dell’involucro edilizio e viene montata su una struttura leggera. La luce solare diretta viene regolata utilizzando pannelli mobili e leggeri, dotati di celle fotovoltaiche. A seconda delle condizioni meteorologiche e delle esigenze degli utenti, i moduli possono ombreggiare i locali risparmiando energia di raffreddamento, oppure lasciar passare il calore solare economizzando sul riscaldamento. I moduli offrono una protezione visiva per gli abitanti generando contemporaneamente energia solare.

La possibilità di seguire la posizione del sole permette all’ASF di generare più elettricità rispetto a sistemi nei quali i moduli sono montati verticalmente. Questa facciata solare può venir controllata manualmente dall’utente o automaticamente da algoritmi di apprendimento che insegnano alla facciata ad adattarsi alle esigenze degli occupanti, riducendo al minimo il fabbisogno energetico. Grazie alla sua leggerezza e flessibilità, la ASF è adatta per nuovi progetti, ma è particolarmente interessante per progetti di ristrutturazione.

Concetto

L’involucro di un edificio coinvolge molti aspetti strettamente legati dell’architettura: funzionalità ed estetica, costruzione e finiture, funzione e immagine. 

All’involucro «esterno», soggetto alle intemperie e alle influenze umane, si contrappone un «interno» in cui l’energia viene utilizzata per mantenere il comfort. L’aspetto del rivestimento, oltre alla sua funzione di protezione, è fondamentale per determinare il carattere architettonico di un edificio. Le facciate tradizionali sono tipicamente trasparenti o opache, con una capacità limitata di rispondere ai cambiamenti dinamici all’interno o all’esterno del manufatto.

Le facciate fotovoltaiche attuali, pur essendo performanti e sempre più colorate nell’aspetto, sono costituite da moduli solari perlopiù pesanti e opachi installati su una struttura portante. Sovente, per le nuove costruzioni, vi sono requisiti severi per quel che concerne le dimensioni e la forma dei pannelli fotovoltaici, il che comporta un aumento dei costi e pregiudica generalmente l’adozione di facciate solari.

La ASF non è una vera e propria facciata ma piuttosto una struttura modulare e flessibile per la gestione energetica dell’involucro dell’edificio. Essa è costituita da pannelli solari leggeri, mobili e non vetrati montati su un supporto snello e reticolato. La struttura portante a maglia viene montata davanti a finestre o facciate trasparenti e viene installata grazie a pochi punti di connessione. I pannelli solari (attualmente dotati di celle solari a film sottile CIGS) ruotano attorno a due assi che ne regolano l’angolo e l’orientamento, consentendo di rispondere dinamicamente alla direzione del sole e regolare l’ombreggiatura. Tutti i moduli hanno le stesse dimensioni e possono quindi essere prodotti in grandi quantità in modo efficiente ed economico. È possibile personalizzare la ASF per forma, dimensioni del modulo e della struttura di supporto; la geometria, la distanza, la rotazione e persino l’inclinazione possono essere facilmente modificati. Il cablaggio è completamente integrato nella struttura di supporto, proteggendolo da possibili condizioni climatiche avverse. Sebbene l’ASF venga installata di fronte a vetrate, i pannelli possono essere ruotati in posizione verticale così da aprire la vista verso l’esterno.
Il ««motore» che permette la rotazione dei moduli su i due assi è un «attuatore morbido» alimentato da aria compressa. Esso è costituito da una miscela di gomma e al suo interno presenta camere d’aria gonfiabili,¹ modificando la pressione nelle camere d’aria, l’attuatore muta forma, cambiando così la posizione del modulo.

Decarbonizzazione

L’ASF è stata pensata per la realizzazione di nuovi edifici, ma è possibile utilizzarla anche per le ristrutturazioni in cui il peso dei moduli convenzionali sul tetto e sulla facciata si riveli eccessivo. Molti fabbricati degli anni Sessanta e Settanta presentano un elevato numero di vetrate e necessitano di una ristrutturazione per migliorare l’efficienza energetica e contrastare il surriscaldamento. La ASF può essere aggiunta alla facciata esistente, fornendo un’ombreggiatura in modo da ridurre i carichi di raffreddamento e il surriscaldamento, consentendo al contempo il riscaldamento solare passivo in inverno. Inoltre, essa produce elettricità in ogni momento, soprattutto durante i mesi invernali. La sua produzione elettrica è superiore se comparata ad analoghe superfici fotovoltaiche da tetto. 

La ASF è stata ampiamente studiata e analizzata per ilsuo potenziale nella riduzione delle emissioni di carbonio in campo edilizio e delle costruzioni. La capacità dei pannelli di seguire il sole porta a rese solari fino al 47% superiori rispetto a una facciata solare verticale convenzionale.² Per la decarbonizzazione dell’edificio, non sono rilevanti solo l’energia e le emissioni operative, ma anche le loro emissioni incorporate. In uno studio del Politecnico di Zurigo, l’impatto del ciclo di vita dell’ASF è stato confrontato con quello di una facciata convenzionale con moduli fotovoltaici statici e con quello di sistemi di ombreggiamento tenendo in conto diverse configurazioni.³ Considerando i benefici energetici degli spazi dotati di ASF, questi ultimi possono avere un impatto totale inferiore a quello di una facciata vetrata comparabile dotata della stessa superficie di pannelli fotovoltaici montati verticalmente e di un sistema di ombreggiatura convenzionale. Questo discorso vale soprattutto per gli edifici che possiedono sistemi di riscaldamento efficienti come le pompe di calore. La ASF è particolarmente vantaggiosa nei climi più caldi, poiché predispone gli edifici ad affrontare le conseguenze del cambiamento climatico, tra cui temperature elevate per lunghi periodi di tempo e un maggiore rischio di surriscaldamento.

I pannelli della ASF vengono posizionati con un semplice sistema di controllo personalizzato; la programmazione può funzionare automaticamente oppure l’utente può intervenire manualmente. Attualmente sono in fase di ricerca anche altre forme di interazione, come ad esempio attraverso i gesti dell’utente. A seconda dell’edificio, della sua posizione e dei suoi occupanti, un sistema di controllo intelligente è in grado di impostare diverse priorità, come la riduzione del raffreddamento, l’utilizzo del calore solare o la generazione di elettricità. Le prossime versioni utilizzeranno l’apprendimento automatico per imparare a rispondere al meglio alle condizioni atmosferiche esterne, agli utenti presenti e alle loro preferenze.

Dal 2012 la facciata solare adattiva è un progetto di ricerca della cattedra di architettura e sistemi edilizi del Politecnico di Zurigo. Durante la fase di ricerca sono stati sviluppati e implementati diversi prototipi in scala reale in diversi edifici. Il prototipo finale è stato installato e testato all’unità abitativa HiLo dell’edificio NEST dell’Empa (Laboratorio federale di ricerca sulla scienza e la tecnologia dei materiali) di Dübendorf. Riconoscendo il carattere innovativo del progetto, la ASF ha ricevuto il premio Watt d’Or dall’Ufficio federale dell’energia (UFE) nel 2023. A causa del crescente numero di richieste di implementazione della facciata su altri edifici, è stato fondato Zurich Soft Robotics (ZSR),⁴ spin-off del Politecnico di Zurigo. Con il nome di Solskin, la ASF è attualmente un prodotto pronto per il mercato e ha partecipato con successo a diversi concorsi per startup e innovazioni energetiche acquisendo i primi progetti su larga scala, tra cui l’installazione di 1300 mq su uno stabilimento di produzione della KELLER Druckmesstechnik AG a Winterthur. Solskin è attualmente l’unica facciata solare flessibile, multifunzionale e permeabile sul mercato.

Contributo realizzato con il sostegno di Svizzera Energia

Note

1. Bratislav Svetozarevic, Zoltan Nagy, Johannes Hofer, Dominic Jacob, Moritz Begle, Eleni Chatzi, Arno Schlüter, SoRo-Track: A two-axis soft robotic platform for solar tracking and building-integrated photovoltaic applications, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Stockholm 2016.

 

2. Jasmine de Riedmatten, Comparative Life Cycle Analysis of the Adaptive Solar Façade, Master Thesis ETH Zürich 2022.

 

3. Bratislav Svetozarevic, Moritz Begle, Prageeth Jayathissa, Stefan Caranovic, Robert F. Shepherd, Zoltan Nagy, Illias Hischier, Johannes Hofer, Arno Schlüter, Dynamic Photovoltaic Building Envelopes for Adaptive Energy and Comfort Management, «Nature Energy», 2018, n. 8, vol. 4, pp.671-682.

 

4. www.solskin.swiss.