Light Responsive Building Envelopes

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02 - 03 dicembre 2010, Bressanone, Alto Adige

lnvolucri Solari

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lnvolucri Solari

Documentazione, so ENERGY FORUM

02-03 dicembre 2010, Bressanone, Alto Adige

ISBN: 978-3-9812053-3-6

© Foto: ertex solar-Geraint Davis, Fotolia , Schott, Schuco, Rolf Disch

Traduzioni: Alessio Mirabelli

Economic Forum Elisabethstr. 91 D-80797 Monaco, Germania

[email protected]

www.energy-forum.com

P.IVA: DE129771557

©Copyright: EF ECONOMIC FORUM

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1 rt l r c ·v D y

• Panora mica sullo stato attuale delle tecnologie BIPV .............................................. 7

Isabel Cer6n, Dept. of Construction and Architectural Technology,

Universidad Politecnica de Madrid, Spagna

Ottenere il massimo da BIPV: Lezioni dall'ultima decade ...................................... 13

Mario Micali, SolarCentury ltalia

• Architettura ed energia peril Centre of Energy Technology a Dresda ................... 19 Karin Ruhling, Institute of Power Engineering, Technische Universitat Dresda

Facciate in acciaio per applicazioni BIPV- Vantaggi ed esempi di applicazioni ...... 25

Birgit Vach, RP Technik, Bi::inen; Jurgen Koch, 4green architecture, Dusseldorf

lntegrare il fotovoltaico organico nell'involucro dell'edificio ................................. 31

Billie Faircloth, Research Director, KieranTimberlake, Philadelphia, USA

La nuova forma del solare ...................................................................................... 43

Clemens Jargon, VP Solyndra Inc

Nuovi elementi di facciata multifunzionali per l'involucro dell'edificio .................. 49 Tilmann Kuhn, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Germania

• Tecnologie ecocompatibili per edifici ..................................................................... 55

Marco Lang, Schuco International, Germania

• Temperature ed efficienza dei moduli: .................................................................. 61

Comportamento termico ed elettrico di vari sistemi BIPV Kim Nagel, University of Applied Sciences of Southern Switzerland

Riconvertire coperture piatte per risparmiare costi .............................................. 67

di riscaldamento e raffreddamento con sistemi fotovoltaici

Martyn Johnson, Sunpower, Europa

Tecnologie intelligenti per coperture piatte solari impermeabili e durature ........ 73

Klaus Burger, ILD German ia

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• Concetti per l'integrazione di tecnologia solare negli edifici storici ....................... 77 lsa Zanetti, University of Applied Sciences of Southern Switzerland

Recupero e rivitalizzazione dei centri storici minori .............................................. 85 fra qualita architettonica ed efficienza ambientale Antonio Basti , Tecnologie per l'Ambiente Costruito, Universita di Pescara

• Riqualificazione edilizia ed integrazione energia solare ........................................ 91 Laura Elisabetta Malighetti, Dipartimento Best, Politecnico di Milano

2° Parte: So ar Passive Day • lnvolucri cinetici e intelligenti per architetture sostenibili .................................... 99

David Rockwood, School of Architecture, University of Hawaii, USA

• lnvolucri architettonici adattivi ............................................................................ 105 lsak Worre Foged , Institute of Architecture, Aalborg University, Danimarca

• Involucra edilizio reattivo ..................................................................................... 113 Mario Cristiano, Dip . di progettazione urbana, Universita di Napoli

• llluminazione naturale ed efficienza energetica- opportunita e rischi.. .............. 119 Wilfried Pohl, Bartenbach Lichtlabor, Austria

La melle inclinabili ed estendibili per sistemi schermanti permanenti ................ 125 Alessandro Dama, Dip. di Energia, Politecnico di Milano

• Analisi dei sistemi solari passivi nella sede di EDF a Bordeaux di Norman Foster ... 131 Marina Vidaurre -Arbizu, School of Architecture, University of Navarra, Spagna

Progettare edifici per uffici in diverse zone climatiche ........................................ 137 Petra Liedl, Technische Universitat Munich, Germania

0 Parte: essio e P ster .......................... 141

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Dale Clifford. BioLogic Lab, School of Architecture, Carnegie Mellon University,

Pittsburgh, USA; Mario Cristiano, Dip. di progettazione urbana e di urbanistica,

Universita degli Studi di Napoli

mario.cristiano@unimol .it

1. lntroduzione

Una varieta di saperi sta emergendo dalle scienze della biologia e dell'ecologia che trovano applicazione nel settore del design e dell'ingegneria. Nuovi materiali e tecnologie di produzione combinati con una maggiore pressione della coscienza collettiva della societa sono causali per il cambiamento di paradigma nella progettazione verso sistemi che ridefiniranno i nostri modelli di consumo e ricollegheranno Ia societa con Ia fisicita dei sistemi naturali. E' interessante che l'effetto di gran parte della tecnologia e stata in genere di allontanare il genere umano dall'ambiente piuttosto che promuovere un apprezzamento di abilita e design umani. I prototipi presentati in questo documentano un approccio da contrappunto visivo e termico per ristabilire Ia nostra consapevolezza cognitiva dei sottili mutamenti ambientali. Facciate con le quali gli utenti potessero interagire risalgono alia finestra operabile o forse agli schermi che potevano essere chiusi per Ia privacy o per ammettere Ia luce. In questa situazione, l'utente dell'edificio fisicamente e in modo intuitivo gestiva variabili ambientali per ottenere il risultato desiderata. Tecnologia delle costruzioni piu recenti ha eliminato l'operativita degli utenti e effettivamente prodotto un contenitore meccanicamente condizionato e chiuso ermeticamente, che sostanzialmente ci distanzia dal mondo naturale. Questa strategia ha dimostrato di essere economicamente, e dal punto di vista educativo e psicologico costosi , ora stiamo iniziando a vedere il risultato di questo esperimento nell'uomo denaturato. Gli obiettivi di questo studio sono di ricollegare, fisicamente e cognitivamente, le persone a sottili variazioni ambientali attraverso l'arte e Ia scienza della tecnologia costruttiva adattiva. II progetto opera in bilico tra Ia risposta automatica ai mutamenti ambientali e il comando manuale, dando al residente Ia possibilita di interagire direttamente con Ia facciata .

1.1 Adattamento In natura, gli organismi presentano risposte complesse che sono una proprieta emergente basato su semplice regole come evidenziato dalla grande varieta di meccanismi affidabili e relativamente semplice per adattarsi aile variazioni ambientali. La nostra squadra e interessata al trasferimento di conoscenze dal campo della biologia all'ambiente costruito e ha guardato alia condizione di omeostasi biologica per sviluppare involucri degli edifici interattivi che rispondono direttamente aile fluttuazioni di calore, luce e le esigenze degli utenti. II progetto presentato e inteso come uno scudo termico e di modulazione della luce che consente alia supeTficie dell'involucro edilizio di autoregolarsi foto-metricamente in conformita coni cambiamenti ambientali attraverso l'uso di filtri polarizzati.

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La luce e polarizzata naturalmente, mentre attraveFsa !'atmosfera terrestre che fornisce animali con Ia sensibilita alia luce polarizzata una vasta gamma di informazioni. Senza l'aiuto tecnologico, l'occhio umano ha una sensibilita marginale alia luce polarizzata, alcuni artropodi, pesci e molluschi hanno sviluppato una maggiore consapevolezza del fenomeno. Questi animali usano polarizzata per Ia navigazione, Ia comunicazione, l'aumento del contrasto, e per Ia determinazione della prossimita della superficie dell'acqua. ___ ..., __ ..., no-~ -- --

Figura 1 Funzionamento dei filtri polarizzanti

2. Filtri Polarizzanti

Edwin Land, noto per aver inventato Ia macchina fotografica Land e aver fondato Ia Polaroid Corporation, in primo luogo brevett6 un filtro di polarizzazione a film sottile nel 1929 e esplor6 l'uso della tecnologia per Ia riduzione dell'abbagliamento in dispositivi ottici. Land ha scoperto Ia polarizzazione empiricamente, giocando con cristalli di tormalina , ruotando l'uno rispetto all'altro e si mise a inventare un processo per ottenere Ia precipitazione di micro cristalli polarizzati di iodio, poi orientandoli con un processo di estrusione attraverso una filiera con fessure di piccole dimensioni per formare il primo grande filtro polarizzato . La prima applicazione di Land e stato il controllo dell'abbagliamento peri fari dell'automobile. In fotografia , filtri polarizzati sono comunemente utilizzati per ridurre i riflessi da superfici riflettenti. Questa studio cerca di trasferire questa tecnologia per ammettere selettivamente Ia luce attraverso una facciata dell'edificio.

2.1 Tecnologia dei filtri I filtri polarizzanti selettivamente consentono il passaggio delle onde luminose complanari. L'orientamento della figura 1 a permette il passaggio delle onde luminose orientate verticalmente , una volta ruotato di 90 gradi il filtro consente solo il passaggio di onde di luce orientate orizzontalmente. Figura 1 D mostra un filtro composite con due strati di pellicola polarizzata orientati a 90 gradi tra di loro. Questa condizione effettivamente blocca Ia trasmissione della luce nello spettro visibile. Figura X mostra Ia progressiva rotazione 0-90 gradi. I filtri possono anche essere utilizzare per ridurre altre lunghezze d'onda, come ultravioletti.

.... Figura 2 Effetto ottico della sovrapposizione di filtri a/ variare del/'ango/o di rotazione .

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2.2 Colore I filtri polarizzanti generalmente mostrano diverse tonalita di gng1o, mentre un filtro e ruotato rispetto ad un'altro. II colore pu6 essere prodotto quando il filtro polarizzato e abbinato ad un film con proprieta birifrangente - un materiale che ha due indici di rifrazione. Birifrangenza si trova in natura in alcuni cristalli , come il quarzo, in arrivo Ia luce polarizzata e divisa ed esce a velocita diverse. Un filtro polarizzato, in combinazione con un film polimerico birifrangente, permette di visualizzare colori.

2.3 Schemi La prima serie di schemi sono basati sulla rotazione, che richiede di ruotare un filtro rispetto all'altro. Una seconda serie di schemi (Figura 3) e stato progettato con l'intento di ridurre Ia trasmissione della luce con azionamento lineare, piuttosto che di rotazione. I modelli sono stati ruotati (Figura 4) in maniera tale che uno spostamento lineare produce diversi gradi di sovrapposizione dei filtri.

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Figura 3 Filtro di rotazione, in scala di grigi e a colori simulato da birifrangenza.

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Figura 4 Secondo serie di schemi per Ia riduzione di luminosita con attuazione lineare. Le immagini in alto sono modelli fisici che mostrano gli effetti del movimento orizzontale di uno strata (riga superiore) e del movimento combinato verticale ed orizzontale (riga inferiore).

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Questa metoda permette l'utilizzo di attuatori lineari per ottenere lo stesso effetto modulante della luce, con un controllo piu accurato e una gamma piu ampia di schemi.

3. Prototipi

II prima prototipo (Figura 5 +6) e dotato di un sensore di luce che, tramite un microprocessore, invia l'impulso elettrico che attua il fila a memoria di forma . Alia contrazione, uno strata di pellicola polarizzata ruota rispetto a quello fisso generando vari gradi di trasmissione della luce. L'impulso e programmata per modulare Ia corrente ed ottenere il livello di luce desiderata sullato interno del filtro.

II secondo prototipo e attuato con una azione lineare. II modello di filtro e accoppiato a due lastre di vetro. Un foglio rimane fisso, l'altro e azionato da attuatori lineari montati nella direzione x e y. II grado di trasmissione attica e una funzione della rotazione relativa dei filtri e Ia densita del disegno del filtro (Figura 5).

II sistema di filtro e destinato per il retrofit di costruzioni esistenti e per le nuove costruzioni. In entrambe i casi Ia posizione preferita del filtro e all'esterno del'edificio, sui lato esposto dell'isolamento.

Cia presenta problemi per Ia durabilita del sistema in quanta e esposto ad agenti atmosferici , ma permette al sistema di fungere da scudo termico - filtraggio della radiazione termica prima che raggiunga l'interno. La raccolta dei dati termici e di illuminazione sono ancora in corso per pater determinare il rapporto di queste grandezze con i disegni e l'orientamento dei filtri.

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Figura 5 Prototipo 1 con (a) fotoresistore e microcontrollore, (b) attuatore a memoria di forma e (c) due film polarizzanti. "'-

Figura 6 Prototipo iniziale con strati di filtri polarizzanti che passano da posizioni paral/e/e a ortogonali.

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Figura 7 Seconda serie di prototipi e stata costruita per l'attivazione lineare .

3.1 Sensori e attuazione incorporata Una sensore ottico montato sull'esterno percepisce variazioni nei livelli di luce ambientale e innesca il movimento dei filtri polarizzati. I livelli di luce interiore risultante possono essere calibrati cosi come il livello di radiazione termica ammessa all'interno. Vi e una gamma di tecnologie di azionamento per operare gli elementi della facciata dell'edificio. Le caratteristiche richieste sono:

a) buone dimensioni I potenza b) alta efficienza energetica c) alta sensibilita

d) facilita di manutenzione e) lunga vita f) possibilita di riutilizzo I riciclaggio g) basso costo

Le tecnologie considerate sono state: i servomeccanismi , i componenti a memoria di forma , l'aria compressa , idraulica e materiali a cambiamento di fase, come paraffina -ognuno ha i suoi pregi e difetti. La scelta per questo progetto cadde su l'uso del nichel­titanio (NiTi), in fili a causa del loro basso costo e affidabilita. I fili di NiTi a memoria di forma possono essere utilizzati per generare forze lineari.

AI riscaldamento, sia per variazioni delle condizioni ambientali o per effetto joule, i fili in lega si contraggono rapidamente all'interno di una gamma di spostamento controllabile fino al 5% della sua lunghezza. Una forza di contrasto puo quindi estendere il filo di nuovo quando si raffredda , in preparazione del prossimo ciclo. Nella prima fase del progetto, il filo di NiTi e stato attuato per effetto Joule, in questo approccio, Ia corrente assorbita riscalda Ia lega a memoria di forma. L'energia, Ph, elettricamente apportata all'attuatore mediante riscaldamento Joule e P h = i2h R dove ih e Ia corrente elettrica prelevata per il riscaldamento e R e Ia resistenza elettrica della lega . In particolare un impulso a modulazione e utilizzato per ridurre il consumo energetico nell'azionamento elettrico degli attuatori a memoria di forma. Questo migliora l'efficienza a scapito dei tempi di risposta ridotti, che non sono un requisito in questo assemblaggio.

lnfine, dato che l'obiettivo finale del progetto e quello di progettare e realizzare un "azionamento intelligente" (Ia combinazione di funzioni di rilevamento e di attuazione nello stesso componente) Ia scelta di fili NiTi , che possono essere azionati da variazioni delle proprieta termiche del mezzo nei quali sono immersi o da irraggiamento solare diretto, consente questo sviluppo futuro.

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4. Applicazione

E 'previsto che il prototipo potrebbe essere applicato sulla pelle esterna di edifici nuovi o esistenti realizzati prevalentemente in vetro. In un caso, il sistema polarizzato risponde direttamente ad intensita solare attraverso Ia modifica degli angoli solari e copertura nuvolosa e mantiene un range obiettivo di illuminazione interna . In una seconda istanza il sistema e gestito dall'utente peril controllo di visuale e privacy .

.. ....,_ ___ _ .. _ ... __ ---------------- .. _ Figura 8 Applicazione del prototipo 1 ad un edificio esistente. lpotesi di funzionamento in condizioni estive, massima schermatura, ed invernali, massima illuminazione e captazione so/are.

5. Conclusione

Opportunamente utilizzato, questa tecnologia permettera al confine tra il costruito e l'ambiente naturale di diventare piu porosa e in sintonia con le variazioni ambientali. Chiaramente il sistema di filtri polarizzati ipotizzato e destinato per regioni a bassa latitudine dove vi e una legame piu diretto tra Ia trasmissione della luce e il guadagno di calore. Un obiettivo futuro e quello di innescare l'azionamento per effetto a memoria di forma direttamente dal calore assorbito dalla radiazione solare. Abbassando il fabbisogno energetico del sistema e adattando Ia facciata piu direttamente aile variazioni di luce. In tale direzione si sono mossi ulteriori studi per Ia determinazione delle temperature che si possono raggiungere nei cavetti , esposti direttamente alia radiazione solare in varie configurazioni e con vari colori. Data Ia difficolta di misurare su elementi filiformi le temperature in tempo reale , si e deciso di ricavare tali dati per via indiretta misurando le variazioni di resistenza elettrica che sono legate, fino alia temperatura di attuazione, da una relazione lineare. Un nuovo paradigma di tecnologia emerge che aumentera l'interattivita degli utenti e Ia consapevolezza cognitiva quindi spostando Ia nostra dipendenza dalla potenza bruta con informazioni utilizzabili.

-6. Bibliografia

[1) Robson , D. P., Profile: Edwin H. Land . ChemMatters, American Chemical Society (April , 1984), 12-16.

[2) R. Wehner, "Polarized-light navigation by insects,'' Scientific American , Vol. 23 (1 ), pp.1 06-115, 1976.

[3) M. Land (rep.), "Old twist in a new tale," Nature. Vol. 363, pp. 581-582, June 1993.

[4) Pons, Jose L. ,"Emerging actuator technologies: a micromechatronic approach", 2005.

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