Schermature solari adattive. Smart fabrics per involucri edilizi multi-configurabili

Facciate tessili adattive: come migliorare le prestazioni termo-energetiche degli involucri

L'articolo esplora le facciate tessili adattive, che utilizzano tessuti "intelligenti" per migliorare il comfort interno e l'efficienza energetica degli edifici. Questi nuovi involucri sfruttano stimoli come calore, temperatura dell'aria e umidità per modificare autonomamente le loro caratteristiche fisiche o chimiche. Sono inoltre in grado di cambiare configurazione, funzione o comportamento in risposta a condizioni esterne variabili.

L'architettura tessile utilizza materiali leggeri che offrono numerosi vantaggi, come la praticità nel montaggio e smontaggio delle strutture e la reversibilità e adattabilità dei sistemi costruttivi. Tuttavia, questi presentano alcune problematiche, principalmente legate al comfort interno e all'efficienza energetica.

Nel campo delle facciate tessili, l'innovazione si concentra oggi su applicazioni che migliorano le prestazioni termo-energetiche degli involucri. La ricerca scientifica e tecnologica si orienta sempre più verso lo sviluppo di membrane tessili ad alte prestazioni, poiché possono includere: rivestimenti e trattamenti che modificano le loro proprietà ottiche in risposta alla radiazione solare, sistemi di sensori avanzati per rilevare le variazioni ambientali e nanoparticelle a cambiamento di fase, per regolare termicamente i flussi energetici attraverso la superficie tessile. Ciò permette la realizzazione di involucri edilizi altamente prestazionali, in grado di modificare autonomamente le loro caratteristiche fisiche o chimiche grazie agli stimoli ambientali esterni, quali il calore solare, la temperatura dell'aria o l'umidità atmosferica.

Questa nuova generazione di facciate tessili è spesso composta da sistemi multifunzionali altamente adattivi, in cui il separatore fisico, o parte di esso, tra l'ambiente interno ed esterno può cambiare configurazione, funzione o comportamento in risposta a requisiti prestazionali transitori e condizioni esterne.

Attualmente, si distinguono due principali approcci nella progettazione di facciate tessili adattive, configurabili in modo variabile nel tempo:

• Il primo prevede lo sviluppo di dispositivi meccanici di ombreggiamento solare, in cui elementi aggiuntivi sono posizionati all'esterno o all'interno della facciata, oppure integrati in doppie pelli. Questi dispositivi aiutano a regolare l'assorbimento della radiazione solare attraverso movimenti meccanici e sistemi automatici di controllo e regolazione (approccio meccanico).
• Il secondo si basa sul movimento ottenuto mediante la deformazione elastica dei materiali utilizzati (approccio cinetico), riducendo significativamente l'uso di componenti meccanici e la quantità di energia necessaria per l'attivazione del sistema adattivo.

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Le facciate adattive si modificano in base alle condizioni esterne regolando il microclima interno dell’edificio per migliorare il comfort indoor e le prestazioni energetiche. È stata sviluppata una ricerca per analizzare oltre le implicazioni anche le criticità di queste facciate sottolineando il ruolo centrale della progettazione ambientale e parametrica. Presente anche un esempio progettuale.

Approccio meccanico nelle facciate adattive

Nei sistemi di schermatura solare, l'efficienza è strettamente legata all'angolo di altitudine solare, variando nel corso della giornata e dell'anno. Per questo motivo, i sistemi adattivi sono molto più performanti rispetto a quelli fissi, poiché possono essere regolati per rispondere ai cambiamenti della radiazione solare, permettendo un controllo individuale, un'ombreggiatura ottimale e la massimizzazione dell'uso della luce diurna.

I sistemi regolabili possono avere un impatto significativo sulle prestazioni climatiche di un edificio. Tuttavia, il limite attuale è rappresentato dalle sfide geometriche e meccaniche poste dalle facciate degli edifici contemporanei. La meccanica dei più comuni sistemi di schermatura regolabile, quali persiane, avvolgibili e brise-soleil, si basa solitamente su una griglia modulare e su poche configurazioni limitate agli assi ortogonali e agli angoli retti. Questi prodotti funzionano bene su facciate piane, ma non offrono soluzioni standard per le applicazioni su superfici curve, sempre più comuni nell'architettura contemporanea.

Progettazione parametrica per schermature che si adattano alla geometria delle architetture

La progettazione parametrica permette oggi di creare soluzioni di schermatura solare tessile che si adattano sia geometricamente che funzionalmente alla crescente complessità delle architetture contemporanee. Esistono attualmente validi esempi di sperimentazioni tecnologiche dove involucri edilizi geometricamente complessi, integrano sistemi di ombreggiamento con elevata flessibilità tecnologica e adattabilità.

Le serre bioclimatiche Gardens-by-the-Bay a Singapore rappresentano un ottimo modello di schermatura adattiva, applicata su due grandi coperture a guscio. Per garantire un controllo automatizzato del microclima interno alle due strutture, è stato sviluppato un sistema dinamico in cui le tende sono posizionate esternamente in modo da favorire la trasmissione della luce, proteggendo al contempo la facciata dal surriscaldamento. I sensori installati negli spazi interni monitorano temperatura, luce e umidità; in base alle necessità, i motori srotolano due teli triangolari per ciascun elemento (Fig. 1).

Un altro esempio di sistema meccanico-adattivo è rappresentato dalle torri Al-Bahr di Abu Dhabi. Questi edifici, ciascuno di 29 piani per un'altezza complessiva di 145 metri, sono dotati di un sistema esterno di schermatura pieghevole ispirato al tradizionale mashrabiya, reinterpretato attraverso strutture a ombrello triangolari in tessuto traslucido di PTFE. Gli attuatori lineari, controllati da una sequenza programmata che invia diversi input durante il giorno, innescano il movimento degli elementi della schermatura, permettendo cinque diverse configurazioni operative, da completamente aperto a totalmente chiuso. Secondo le stime progettuali, questo sistema dovrebbe ridurre i carichi di raffrescamento fino al 25% (Fig. 2).

Approccio cinetico-elastico: la deformazione dei materiali attiva i movimenti delle schermature

Le nuove sperimentazioni si concentrano sullo sviluppo di meccanismi che utilizzano la deformazione elastica dei materiali per attivare il movimento, eliminando l'uso di cerniere o altri dispositivi meccanici.

Un esempio è Flectofin®, un sistema di schermatura cinetica elastica ispirato alla natura. La deformazione elastica osservata quando un impollinatore si posa sul trespolo del fiore Strelitzia reginae ha ispirato architetti e ricercatori delle Università di Friburgo e Stoccarda, nella progettazione di schermature tessili che rispondono alle variazioni ambientali senza l'uso di cerniere, adattandosi così all'ambiente circostante.

Il sistema di ombreggiamento è composto da coppie di lamelle tessili verticali, irrigidite ai lati da profili piatti in materiali fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP e GFRP), che combinano un'elevata resistenza alla trazione con una bassa rigidità alla flessione, offrendo una vasta gamma di deformazioni elastiche calibrate. In questo modo si garantisce una buona stabilità strutturale per tutte le configurazioni intermedie di apertura delle lamelle (Fig. 3).

Un principio simile è stato applicato alla scala dell’intera facciata nel padiglione tematico dell'Expo 2012 a Yeosu, in Corea del Sud. L'edificio è composto da singole lamelle di polimeri rinforzati con fibra di vetro (GFRP), che si orientano diversamente in base all'esposizione solare e alle condizioni di luce. Gli attuatori, semplici morsetti azionati da un servomotore elettrico posti alle estremità delle lamelle, applicano forze di compressione per creare la deformazione elastica che provoca l’apertura dell’involucro. L'energia necessaria per l'attivazione viene convertita in energia elastica immagazzinata nelle lamelle deformate, e parzialmente trasformata in energia elettrica durante la procedura di chiusura, mediante l’impiego di servomotori come generatori elettrici (Fig. 4).

Combinazione tra cinetica elastica e morbide sfumature tessili

Un esempio che combina cinetica elastica e morbide sfumature tessili è l'involucro esterno della Softhouse, un edificio residenziale sperimentale costruito ad Amburgo per la mostra internazionale "Bauausstellung" IBA 2013.

Il sistema presenta due livelli di adattabilità:

• su base annuale, i pannelli curvi in vetroresina posti sulla parte superiore del tetto modificano la loro flessione, ottimizzando l'angolo d’incidenza solare delle celle fotovoltaiche situate all'esterno;
• quotidianamente, le strisce tessili verticali che compongono la facciata ruotano su se stesse per seguire la traiettoria solare.

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