Oscuramento adattivo “Solar Gate” prende spunto dalla natura per migliorare l’efficienza HVAC

La crisi climatica rappresenta una grande minaccia sia per il nostro ambiente sia per le nostre vite. Questo ha reso la riduzione di le emissioni di anidride carbonica (CO2) una necessità globale urgente. 

L’ambiente costruito è in realtà responsabile di circa 42% delle emissioni globali annuali di CO2. Sebbene le operazioni degli edifici siano per lo più responsabili di ciò, i materiali da costruzione e infrastruttura svolgono anch’essi un ruolo importante.

Ciò lo rende la forza trainante del cambiamento climatico, i cui effetti negativi sono già visibili in eventi meteorologici più frequenti e più dannosi.

Pertanto, dobbiamo costruire non solo facciate adattive che hanno il potenziale di ridurre la necessità di riscaldamento e raffreddamento attivi, diminuendo così il consumo energetico e l’impatto ambientale degli edifici, ma anche un’architettura più resiliente in grado di resistere alle sfide poste dal cambiamento climatico.

Per realizzare tali facciate adattive, gli architetti devono utilizzare strategie di progettazione che incorporino le caratteristiche ambientali locali uniche. Questo si traduce semplicemente nel dare priorità all’architettura climatico‑responsiva.

Questo tipo di architettura si concentra sulla progettazione di edifici ad alta efficienza energetica adatti al clima in cui vengono costruiti. Ciò richiede di tenere in considerazione fattori come la stagionalità, l’ombreggiatura naturale, i modelli di pioggia, l’umidità, ecc.

Invece di lottare contro il clima locale, gli edifici climatico‑responsivi lavorano con le condizioni regionali per fornire il massimo comfort all’occupante utilizzando la minima quantità di energia possibile. 

Adottando questo approccio di implementazione di strategie di design passivo, città e paesi possono essere costruiti per proteggerli dall’aumento della frequenza e dalla gravità degli eventi meteorologici estremi causati dal cambiamento climatico.

Oltre a migliorare la resilienza degli edifici rendendoli più preparati a resistere sia alle condizioni meteorologiche sia ai disastri naturali, l’architettura climatico‑responsiva offre i vantaggi di costi operativi ridotti grazie all’uso di sistemi naturali e passivi.

Utilizzando la luce naturale e la ventilazione naturale invece di sistemi che consumano elettricità, i costi operativi legati all’energia possono essere notevolmente ridotti. L’uso estensivo di questi sistemi passivi ha la capacità di ridurre il consumo energetico fino al 90%. Questi sistemi passivi, come il flusso d’aria naturale, migliorano persino la produttività degli occupanti.

Migliorando l’efficienza energetica, riducendo le emissioni di carbonio e proteggendo le risorse naturali, questa architettura contribuisce anche a favorire la sostenibilità ambientale. 

Tuttavia, gli edifici climatico‑responsivi presentano anche la sfida di costi iniziali elevati a causa dell’uso di materiali sostenibili e del lungo e complesso processo di costruzione. Inoltre, vi sono gli ostacoli normativi. 

Certo, i governi stanno prendendo iniziative e le normative sull’efficienza energetica HVAC e sull’isolamento termico sono progredite, ma manca ancora una serie di regole di supporto per i progetti climatico‑responsivi. Incrementare l’adozione di queste architetture richiede anche un’attenzione all’educazione e agli investimenti nelle competenze correlate. 

Nonostante le sfide, stiamo osservando un crescente interesse per tali edifici. Alcuni degli elementi fondamentali di un design adattivo includono l’utilizzo di fonti naturali per il flusso d’aria e la ventilazione, un design solare passivo che tiene conto della posizione del sole, materiali naturalmente sostenibili come legno e bambù, e caratteristiche verdi su tetti e pareti.

Oscuramento adattivo bioispirato e sensibile alle condizioni meteorologiche

Tra le architetture climatico‑responsive, i sistemi di oscuramento adattivo sono un ottimo modo per regolare il clima interno in modo più efficiente, modificando dinamicamente forma, orientamento o proprietà termiche in risposta alle condizioni meteorologiche esterne.

Tuttavia, il problema di questi sistemi di oscuramento cinetico è la dipendenza dall’energia operativa per attivare dispositivi elettro‑meccanici che muovono molteplici parti. Queste complesse strutture sono vulnerabili a malfunzionamenti, che richiedono poi costose riparazioni.

Sebbene esistano alternative sotto forma di vetri tintati passivi anti‑sole, questi filtrano troppa luce naturale. Qual è quindi la soluzione? È nella natura.

Un nuovo studio¹ condotto da ricercatori delle Università di Friburgo e Stoccarda si è rivolto alla natura e ha scoperto che esistono già soluzioni per l’adattamento. Sono ispirate a materiali biologici e rispondono passivamente a stimoli esterni. 

La soluzione che i ricercatori hanno preso come modello sono le pigne, che reagiscono all’ambiente e cambiano forma nonostante siano costituite da materiali completamente morti. La pigna si apre e si chiude in risposta a variazioni di temperatura e umidità senza consumare energia metabolica. 

Utilizzando la pigna come modello, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo sistema di facciata autonomo dal punto di vista energetico che si adatta passivamente al tempo. Denominato “Solar Gate”, il sistema è stato installato sulla Shell biomimetica livMatS dell’Università di Friburgo. livMatS, o “Living, Adaptive and Energy‑autonomous Materials Systems” (livMatS), è un edificio di ricerca.

Invece di dipendere da “dispositivi tecnici elaborati”, come fanno la maggior parte dei tentativi di reattività nelle facciate architettoniche, questa ricerca “esplora come possiamo sfruttare la reattività del materiale stesso attraverso la progettazione computazionale avanzata e la manifattura additiva”, ha dichiarato il professor Achim Menges, capo dell’Istituto di Progettazione Computazionale e Costruzione (ICD) dell’Università di Stoccarda.

Secondo Menges, che è anche portavoce del Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC), il loro approccio ha permesso di realizzare un sistema di oscuramento che si apre e chiude autonomamente in risposta ai cambiamenti climatici. 

Questo effetto è ottenuto senza impiegare elementi meccatronici o energia operativa. Qui, “la struttura biomateriale stessa è la macchina”.

Questo sistema di oscuramento adattivo e sensibile alle condizioni meteorologiche è il primo a funzionare senza energia elettrica. Oltre al design bioispirato, i ricercatori hanno utilizzato materiali naturali e tecnologie ampiamente accessibili per il “Solar Gate”.

La tecnologia utilizzata è la stampa 3D, nota anche come manifattura additiva, che consente la produzione di forme e strutture complesse. In questo processo, oggetti tridimensionali vengono creati da un file digitale depositando strati successivi di materiale. La stampa 3D permette prototipazione rapida, personalizzazione, risparmio sui costi e alta precisione, oltre a offrire libertà di progettazione.

Il team ha utilizzato stampanti 3D standard per replicare la struttura dipendente dalla direzione della cellulosa nei tessuti vegetali.

La cellulosa è la biomassa più abbondante sulla Terra. È anche un materiale naturale, a basso costo, biodegradabile e rinnovabile che, soprattutto, possiede caratteristiche igromorfe intrinseche, consentendo che l’oscuramento adattivo sia sostenibile.

Questa proprietà igromorfica, che rappresenta il gonfiamento e il restringimento con le variazioni di umidità, è frequentemente osservata in natura. L’apertura e la chiusura delle squame delle pigne è un esempio.

Sfruttando questa proprietà, il team ha progettato su misura fibre di cellulosa biobasate e poi le ha stampate in 4D in una struttura a due strati, ispirandosi alle squame delle pigne.

I ricercatori hanno inoltre sviluppato una tecnica di fabbricazione computazionale per controllare l’estrusione dei materiali cellulosici tramite la stampante 3D FFF.

I sistemi materiali prodotti qui possono cambiare autonomamente forma in risposta a stimoli esterni. I materiali cellulosici assorbono umidità e si espandono quando l’umidità è alta, facendo arricciare e aprire gli elementi. Al contrario, a bassa umidità, questi materiali rilasciano umidità e si contraggono, facendo appiattire e chiudere gli elementi stampati. 

“Ispirato dai movimenti igroscopici delle squame delle pigne e delle bratte del cardo d’argento, Solar Gate è riuscito a tradurre non solo l’alta funzionalità e robustezza dei modelli biologici in un sistema di oscuramento bioispirato, ma anche l’estetica dei movimenti delle piante.”

– Professor Thomas Speck, portavoce di livMatS e capo del Plant Biomechanics Group Freiburg presso l’Università di Friburgo

Il sistema di oscuramento adattivo bioispirato è già stato testato nel mondo reale per la sua funzionalità e durata. Il team lo ha installato sul lucernario rivolto a sud della Shell biomimetica livMatS, che assiste nella regolazione del clima interno dell’edificio.

Durante il periodo di oltre un anno, è stato osservato che in inverno gli elementi di oscuramento stampati in 4D si aprono, consentendo il riscaldamento naturale lasciando entrare la luce solare, mentre in estate si chiudono per ridurre la radiazione solare.

Il “Solar Gate” è alimentato esclusivamente dai cicli meteorologici e non richiede energia elettrica, rappresentando un’alternativa efficiente in termini di risorse e autonomamente energetica ai tradizionali sistemi di oscuramento. Il sistema di oscuramento stampato in 4D bioispirato offre inoltre vantaggi di basso costo, consumo ridotto di materiale, costruzione leggera e maggiore robustezza operativa.

Questo sistema, secondo i ricercatori, ha implicazioni molto più ampie rispetto alle sole facciate degli edifici. Hanno scritto che può influenzare anche settori più ampi dell’architettura, dell’ingegneria e della costruzione.

Nel lavoro futuro, i ricercatori approfondiranno il degrado indotto dai raggi UV e i suoi effetti a lungo termine, insieme all’usura meccanica del Solar Gate, e quantificheranno il miglioramento della regolazione del clima interno.

Clicca qui per scoprire come la manifattura additiva multimediale apre la strada alla prototipazione interna.

Adaptive Roof Tiles

In passato, abbiamo anche trattato come gli scienziati dell’Università della California, Santa Barbara, sviluppato tegole per tetto adattive. Queste tegole potrebbero ridurre notevolmente i costi energetici. Il loro segreto è un “interruttore radiativo” che passa tra modalità di riscaldamento e raffreddamento, reagendo alla temperatura esterna. Le tegole si regolano entro 3 gradi Celsius dal valore target. E rispetto ai sistemi tradizionali, sono più di 2,5 volte più efficienti. Il risultato sono bollette più basse e minore dipendenza dai combustibili fossili.

Al centro di questa innovazione c’è un piccolo dispositivo quadrato di 4 pollici. Regola la quantità di calore che irradia a seconda del tempo. L’obiettivo è mantenere le temperature interne costanti—intorno a 65°F (18°C) senza la necessità di energia costante. Tuttavia, questa tecnologia non è ancora sul mercato, ma quando lo sarà, potrà risparmiare energia, ridurre i costi e contribuire a rendere gli edifici più verdi.

Aziende 

Ora, diamo un’occhiata a un paio di società quotate che sono impegnate nell’architettura adattiva attraverso il loro focus su soluzioni innovative per l’efficienza energetica, la sostenibilità degli edifici e le prestazioni dei materiali.

1. Johnson Controls International

Johnson Controls offre il più ampio portafoglio di apparecchiature e controlli HVAC per ambienti edilizi più confortevoli, sani e sostenibili. Le soluzioni HVAC dell’azienda possono fornire aria pulita in modo misurabile e offrire un controllo climatico totale. I suoi servizi predittivi e diagnostici, nel frattempo, rilevano problemi legati alla struttura prima che si verifichi il danno causato da problemi sismici. Inoltre, offre manutenzione pianificata e preventiva e gestione remota degli edifici. 

Con la corsa alla decarbonizzazione in corso, Johnson Controls garantisce la sostenibilità attraverso i suoi sistemi di riscaldamento e raffreddamento efficienti che forniscono un controllo climatico efficace insieme a un uso ottimizzato dell’energia. Il portafoglio di apparecchiature HVAC dell’azienda è progettato per massimizzare l’efficienza energetica. 

Oltre agli HVAC, l’azienda offre anche una piattaforma IoT, OpenBlue, che consente operazioni intelligenti e proattive e ottimizzazione. La piattaforma può elaborare un milione di dati al minuto e mira a rendere gli edifici più intelligenti ed efficienti.

Johnson Control utilizza intensamente l’IA nelle sue soluzioni di sicurezza per ambienti aziendali, commerciali e residenziali. L’azienda ha ulteriormente ampliato le sue capacità di IA nel OpenBlue Enterprise Manager, puntando a portare le intuizioni sui dati al livello successivo. Questi miglioramenti, insieme agli aggiornamenti delle attrezzature e ai servizi proattivi, offrono ai clienti una riduzione fino al 30% della spesa energetica, fino al 20% della spesa di manutenzione e un’ottimizzazione dello spazio del 10%.

“Queste nuove funzionalità basate sull’IA non solo migliorano l’efficienza operativa e la sostenibilità, ma anche potenziano i proprietari e gli operatori degli edifici con livelli di insight e controllo senza precedenti. Siamo impegnati a guidare innovazioni che promuovono l’automazione e creano ambienti più intelligenti e reattivi per i nostri clienti.”

– CTO Vijay Sankaran

Al momento della stesura, le azioni JCI sono quotate a $82,10, in rialzo del 4,02% YTD, con una capitalizzazione di mercato di $54,19 miliardi. Johnson Controls ha un EPS (TTM) di 2,09, mentre il suo rapporto P/E (TTM) è 39,27. L’azienda paga un rendimento da dividendo dell’1,80%.

Per l’ultimo trimestre riportato, cioè Q3 2024, i ricavi di Johnson Controls sono stati inferiori alle aspettative, attestandosi a $6,25 miliardi. Tuttavia, il suo profitto non GAAP di $1,28 per azione ha superato le stime di consenso degli analisti del 2,6%. Il CEO e presidente George Oliver, all’epoca, ha dichiarato che erano “molto soddisfatti” di aver conseguito “una crescita organica a doppia cifra delle vendite e una robusta espansione dei margini”.

Secondo Statista, Johnson Controls ha generato vendite nette globali di quasi $26,8 miliardi nell’anno fiscale 2023, un aumento di quasi il 6% rispetto all’anno precedente.

Più recentemente, l’azienda ha acquisito Webeasy, con sede nei Paesi Bassi, un fornitore di automazione e controlli per edifici che si allineerà alla missione di Johnson Controls di innovare soluzioni edilizie efficienti dal punto di vista energetico e sostenibili.

2. Owens Corning

Fornitore di materiali per l’edilizia e la costruzione, Owens Corning (OC ) ha quattro divisioni: coperture, porte, compositi e isolamento. 

Le soluzioni di isolamento dell’azienda sono adatte a praticamente qualsiasi situazione edilizia, coprendo pareti esterne, sistemi di copertura e HVAC. Le sue soluzioni per edifici offrono conformità energetica e alle normative edilizie, alte prestazioni termiche, resistenza aria/acqua, controllo dell’umidità e prestazioni acustiche.

Gli utenti preferiscono i servizi di isolamento dell’azienda per la loro efficienza energetica, durata, prestazioni a lungo termine, facilità di installazione e manutenzione minima.

Al momento della stesura, le azioni OC sono quotate a $187,57, in rialzo del 10,13% YTD, con una capitalizzazione di mercato di $16,09 miliardi. Owens Corning ha un EPS (TTM) di 11,76, mentre il suo rapporto P/E (TTM) è 15,96. L’azienda paga un rendimento da dividendo dell’1,47%.

Per quanto riguarda i dati finanziari dell’azienda, nel terzo trimestre del 2024 ha riportato vendite nette di $3 miliardi, con un aumento del 23% rispetto all’anno precedente. La sua divisione porte, recentemente acquisita, ha contribuito con oltre mezzo miliardo di dollari. L’EPS diluito consegnato dall’azienda è stato $3,65 e l’EPS diluito rettificato $4,38. Il flusso di cassa libero in questo periodo è stato $558 milioni.

Owens Corning ha restituito un totale di $252 milioni ai suoi azionisti tramite dividendi e riacquisti di azioni. Parlando della sua solidità finanziaria, il Chief Financial Officer Todd Fister ha dichiarato:

“Abbiamo dimostrato la forte capacità di guadagno e il potenziale di generazione di liquidità dell’impresa. Il nostro team ha conseguito una crescita sia dei ricavi che dei risultati netti grazie a un’esecuzione commerciale e operativa di prima classe.”

Per quanto riguarda gli sforzi di sostenibilità dell’azienda, il portafoglio prodotti di Owens Corning aiuta i clienti a risparmiare energia e ridurre le emissioni. Nel suo rapporto di sostenibilità 2023, Owens Corning ha avuto 14 dei suoi prodotti certificati come realizzati con elettricità al 100% rinnovabile, rappresentando un quarto del fatturato totale dell’azienda.

L’azienda ha anche riportato di aver raggiunto una riduzione del 28% delle emissioni Scope 1 e 2 rispetto a una baseline del 2018, avvicinandosi al suo obiettivo di una riduzione del 50% delle emissioni di gas serra entro il 2030. Sono stati fatti progressi anche negli sforzi di Owens Corning per riciclare due milioni di tonnellate di tegole per anno negli Stati Uniti entro la fine di questo decennio.

L’azienda di materiali da costruzione ha inoltre investito in un impianto di produzione di tappeti di vetro di 52.000 metri quadrati per fornire al settore materiali da costruzione sostenibili e più resistenti.

Conclusione

Le emissioni globali di carbonio stanno aumentando rapidamente, causando l’innalzamento della temperatura della Terra e portando a condizioni meteorologiche estreme, incendi boschivi più frequenti e interruzioni nella fornitura di cibo. Poiché gli edifici rappresentano una quota considerevole delle emissioni globali di carbonio, è estremamente importante ridurre l’energia necessaria per riscaldamento, raffreddamento e ventilazione. Allo stesso tempo, le strutture devono essere in grado di resistere ai disastri climatici. 

La risposta a entrambe le esigenze è l’architettura climatico‑responsiva, che richiede di prestare attenzione e incorporare il clima locale e le caratteristiche geografiche della regione nei progetti edilizi. Data l’alta capacità dell’architettura climatico‑responsiva di ridurre le emissioni globali di carbonio nel settore e limitare la produzione di rifiuti, è necessario un supporto normativo e, naturalmente, un’innovazione costante.

Studi come il “Solar Gate” offrono soluzioni promettenti al problema, in grado di affrontare le sfide ambientali e soddisfare le esigenze funzionali dell’ambiente costruito. Evidenziano inoltre il potenziale di tecnologie accessibili come la manifattura additiva e materiali abbondanti e rinnovabili come la cellulosa nel contribuire a soluzioni architettoniche sostenibili.

Abbracciando materiali naturali e design bioispirati e utilizzando tecniche di produzione digitale, possiamo costruire strutture sicure, durature e un futuro resiliente!

Clicca qui per scoprire come la stampa 3D può aiutare a affrontare l’ostacolo dell’accessibilità alla casa negli Stati Uniti.

Riferimento allo studio:

^{1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Oscuramento adattivo sensibile alle condizioni meteorologiche tramite materiali biobasati e bioispirati igromorfici. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8}