Pro­duc­ti­ve Faça­de Sy­stems

Integrazione di fotovoltaico e coltivazione

I Productive Façade Systems integrano sistemi solari e agricoltura verticale sulle facciate. Per testarne le prestazioni sono state costruite otto facciate nel T2Lab presso la National University di Singapore nel 2018, i cui risultati sono stati analizzati mediante vari indicatori, oltre al gradimento estetico di potenziali utenti.

Data di pubblicazione
03-07-2024
Abel Tablada
Prof. Facultad de Arquitectura, Universidad Tecnológica J. A. Echeverria, L’Avana

Non esiste una singola misura all’interno delle città per mitigare e adattarsi ai cambiamenti climatici. La produzione alimentare ed energetica mediante l’utilizzo di involucri edilizi e infrastrutturali potrebbe contribuire significativamente alla riduzione dell’impronta di carbonio e delle emissioni di gas serra se si considerano adeguatamente le condizioni e i potenziali specifici di ogni area urbana. I Productive Façade Systems (PFS) che integrano sistemi solari e agricoltura verticale sulle facciate dei manufatti sono un concetto proposto da Tablada1 presso il NUS2 - CDL3 Tropical Technologies Laboratory (T2Lab) della National University of Singapore e sviluppato e discusso da numerosi specialisti.4 Questo si basa sui benefici della vegetazione verticale e del vertical farming (VF) nonché dei sistemi fotovoltaici integrati negli edifici (BIPV) per massimizzare l’uso delle strutture esistenti con l’obiettivo di rendere le città sempre più autosufficienti. Anche se la VF sulle facciate e i BIPV non sono concetti nuovi, le novità introdotte dai PFS sono l’integrazione delle due funzioni direttamente sui prospetti degli edifici, i benefici reciproci che questa sinergia può ottenere e l’interazione positiva con gli interni. Pertanto, i PFS non solo generano elettricità e producono verdure a foglia, ma sono anche fondamentali nel soddisfare le funzioni convenzionali, come tampone tra gli ambienti esterni e interni, garantendo condizioni visive e termiche interne adeguate e fornendo identità e valore estetico ai fabbricati. I PFS sulle facciate hanno anche altri vantaggi economici, sociali ed ecologici. Possono contribuire a ridurre le bollette dell’elettricità e i costi quotidiani, specialmente per le famiglie a basso reddito e per le persone anziane. Coltivare verdure sul balcone o sulle finestre può anche promuovere un’attività fisica leggera e un passatempo salutare. D’altra parte, se gli orti sono integrati nelle aree comuni come i ballatoi, le scale o i corridoi, si promuove l’interazione sociale tra i vicini. Dal punto di vista ecologico, ci sono numerosi vantaggi, come la riduzione dei chilometri alimentari, il minor consumo di energia grazie all’effetto di ombreggiatura dei moduli fotovoltaici (PV) e della vegetazione sulla facciata, la riduzione dell’elettricità generata dai combustibili fossili, la promozione della biodiversità. Tuttavia, possono essere individuati diversi svantaggi. I più importanti sono il costo aggiuntivo dell’installazione e quello della manutenzione. L’impatto delle condizioni meteorologiche avverse sui raccolti e sui moduli fotovoltaici sui grattacieli può ostacolare e scoraggiare l’installazione dei PFS su edifici multifamiliari. Per testare le prestazioni dei PFS sono state costruite otto facciate nel T2Lab presso la National University di Singapore nel 2018. Sono stati valutati due tipi di soluzioni rappresentative delle tipiche facciate degli edifici del Housing Development Board (HDB) per ciascun orientamento: facciata del balcone e facciata della finestra (fig.1). Le otto facciate sono state progettate utilizzando algoritmi di simulazione 3D e applicando un processo decisionale multi-criterio (MCDM). Il metodo di ottimizzazione VIKOR5 è stato utilizzato per trovare il miglior compromesso tra cinque indicatori di prestazione: potenziale di produzione alimentare, potenziale di generazione di elettricità, luce naturale interna, guadagno di calore solare e angoli di vista dall’interno. Sono stati considerati anche altri aspetti progettuali relativi al costo, all’accessibilità e all’estetica. Ciascun indicatore di prestazione è stato valutato in base alla quantità, alla posizione, alla dimensione e all’angolo di inclinazione dei moduli fotovoltaici che agiscono come dispositivi di ombreggiatura su ogni facciata. Anche la posizione e la distanza tra i vasi sono stati presi in considerazione.6

La posizione e le dimensioni di tutti i moduli fotovoltaici assicurano condizioni visive e termiche interne confortevoli senza interferire con l’adeguato irraggiamento delle colture. I moduli fotovoltaici di seleniuro di gallio, indio e rame (GIGS) posizionati sulle facciate nord e sud sono stati selezionati per avere una buona risposta sotto cieli non limpidi, una condizione tipica di Singapore, e tenendo conto che per metà dell’anno ciascuna facciata non riceverebbe radiazione solare diretta. D’altra parte, i moduli fotovoltaici al silicio monocristallino sono stati installati sulle facciate est e ovest poiché sono più efficienti sotto radiazione solare diretta. Per quanto riguarda la VF, è stata selezionata una varietà di lattuga adattata ai tropici tra diverse verdure a foglia comunemente coltivate a Singapore. Oltre ad essere tra le verdure preferite a Singapore, le lattughe hanno anche cicli di raccolta brevi e un requisito di luce moderato. Tuttavia, altre verdure a foglia come il cavolo cinese, la spinacio d’acqua (Kang Kong) e le spezie possono essere coltivate nei sistemi PF nelle regioni tropicali. Le lattughe sono state coltivate in sei turni da dicembre 2018 a giugno 2019. Il fertilizzante è stato applicato due volte al mese su una miscela di terreno di cocco e perlite. È stato utilizzato un sistema di irrigazione a goccia automatico con micro-spruzzatori su ciascuna pianta e attivato tre volte al giorno per due minuti.

Durante il periodo di misurazione – aprile, agosto, ottobre (2019) e gennaio (2020) –, l’elettricità generata dai moduli fotovoltaici sulle facciate est e ovest è stata da 1,7 a 2,2 volte superiore rispetto alle facciate sud e nord. Considerando una tipica famiglia HDB con facciate sia nord che sud (20 m in totale), circa il 30% della domanda di energia può essere soddisfatto utilizzando i moduli fotovoltaici come dispositivi di ombreggiatura. Gli edifici in cui le facciate principali sono orientate più vicino a est e ovest si prevede che soddisfino una percentuale più alta della domanda di energia.7

Per quanto riguarda la produzione di verdure per il periodo di misurazione di sei mesi, le lattughe sono cresciute bene su tutte le facciate del T2Lab. Tuttavia, il rendimento totale è diminuito tranne per l’ultimo mese quando è stata aggiunta nuova terra. Questo indica l’impatto della qualità del suolo sulla resa delle verdure. Le facciate est e nord hanno le migliori prestazioni, producendo 902 g e 828 g di lattuga. Le facciate sud e ovest hanno una resa totale rispettivamente di 763 g e 550 g. La quantità prodotta rappresenta il 55-103% del consumo medio di verdure a foglia di una famiglia di 4 persone a Singapore (ca 16 kg all’anno).8

In uno studio più recente (Hao et al, 2024)9 che utilizza reti neurali artificiali (ANN) come metodo di previsione delle prestazioni per una tipica torre residenziale a Singapore, i risultati sono stati anch’essi promettenti. Per la parte superiore dell’edificio, la domanda annuale di elettricità domestica può essere soddisfatta tra il 20,0 e il 23,1% per una famiglia di quattro persone, mentre la domanda di verdure a foglia può essere completamente coperta durante quasi tutto l’anno. Per la parte centrale, la domanda di elettricità e verdure possono soddisfare rispettivamente il 18,4-21,2% e l’89,1%.

Data l’importanza cruciale della dimensione collettiva nell’adozione delle pratiche agricole, il team di ricerca ha incluso il test dell’accettazione sociale nello sviluppo completo dei PF. Sono stati eseguiti due sondaggi a Singapore: uno con potenziali utenti e l’altro con esperti in orticoltura, agronomia, sistemi fotovoltaici e architettura.

Un sondaggio personale che includeva 391 inquilini di case popolari ha esaminato le loro opinioni sui PF, le preoccupazioni estetiche e di manutenzione nonché la volontà delle persone interpellate di partecipare alla coltivazione VF. I risultati sono stati molto positivi: l’80% degli abitanti ha concordato sul fatto che il VF e i moduli fotovoltaici hanno un impatto positivo sui residenti.10 Il secondo sondaggio, che includeva anche esperti, ha fornito un feedback dettagliato sugli aspetti estetici, formali e funzionali dei componenti della facciata, inclusi i moduli fotovoltaici, i vasi e le grate di sicurezza. Come gli inquilini, quando si trattava di funzionalità, gli esperti preferivano i design in cui gli utenti accedono ai vasi inferiori attraverso un’apertura sulle facciate del balcone o direttamente sulle facciate delle finestre.11

Nonostante le impressioni positive, i risultati del sondaggio indicano una certa riluttanza degli architetti riguardo all’estetica dei sistemi fotovoltaici. Fortunatamente, il mercato dei fotovoltaici mostra che questa tecnologia non è mai stata così attraente e intelligente. Un ottimo esempio di questo è Solskin,12 la facciata fotovoltaica adattiva mobile concepita presso la cattedra di Architettura e Sistemi edilizi dal professore Arno Schlüter presso il Politecnico federale di Zurigo,13 che Zurich Soft Robotics, spin-off di ETHZ, porta sul mercato. Questa pelle solare altamente flessibile, modulare, leggera e decorativa, che ricorda una struttura a mosaico, è una specifica combinazione di ombreggiatura intelligente e generazione di energia fotovoltaica altamente efficiente grazie al tracciamento solare. Di tale capacità, dovuta all’intelligenza artificiale (IA) di Solskin, possono beneficiare i PFS, ampliando la loro capacità di offrire una risposta bilanciata alle esigenze di illuminazione naturale e di ombreggiatura, garantendo al contempo la possibilità di un’elevata integrazione architettonica.

Ulteriori sforzi di ricerca, inclusi progetti pilota e test, sono necessari per superare le sfide finanziarie e operative dei PFS. Gli studi futuri dovranno necessariamente includere la valutazione del ciclo di vita (LCA) e con essa garantire una risposta valida ai tre criteri di base che definiscono la sostenibilità dei sistemi di facciata (ambientale, economica e sociale).14 La sinergia tra ricerca e pratica, insieme al lavoro nel campo dei valori sociali, potrebbe aiutare questo promettente concetto di progettazione a radicarsi e diffondersi. Per contribuire al raggiungimento di questo obiettivo, sta per avviarsi un programma di ricerca sui PFS a L’Avana, grazie alla collaborazione tra l’Universidad Tecnológica J.A. Echeverria e il Ministero della costruzione di Cuba. L’attuazione dei PFS attraverso soluzioni innovative su varia scala potrebbe contribuire a raggiungere una maggiore autosufficienza energetica, alimentare e idrica, contribuendo così alla resilienza urbana e alla riduzione delle impronte di carbonio. 

Contributo realizzato con il sostegno di Svizzera Energia

Note

1. A. Tablada, V. Kosori , H. Huajing, I. Chaplin, S.K. Lau, C. Yuan, S.S.Y. Lau, Design optimization of productive façades: integrating photovoltaic and farming systems at the Tropical Technologies Laboratory, «Sustainability», 10, 3762, 2018.

2. NUS: National University of Singapore, https://nus.edu.sg/.

3. CDL: City Developments Limited, https://www.cdl.com.sg/.

4. Cfr. nota 8, cfr. nota 9, cfr. nota 10, cfr. nota 11.

5. S. Opricovic, G.H. Tzeng, Compromise solution by mcdm methods: A comparative analysis of vikor and topsis. Eur. J. Oper. Res., 156, pp.445–455, 2004. 

S. Opricovic, G.H. Tzeng, Extended vikor method in comparison with outranking methods. Eur. J. Oper. Res., 178, pp. 514–529, 2007. V. Kosori , H. Huajing, A. Tablada, S.K. Lau, S.S.Y. Lau, Survey on the social acceptance of the productive facade concept integrating photovoltaic and farming systems in public high-rise residential buildings in Singapore, «Renewable & Sustainable Energy Reviews», 111, pp. 197-214, 2019.

6. S.S.Y. Lau, A. Tablada, S.K. Lau, C. Yuan, Vital signs revisited in the tropics – through the NUS-CDL Tropical Technologies Laboratory, Book chapter, Springer Nature Switzerland AG: Lau, S.S-Y et al. (eds) Design and applications in Sustainable Architecture, 2021. Cfr. nota 1.

7. Cfr. nota 6, cfr. nota 14.

8. S. Song, J.C. Cheong, J.S.H. Lee, J.K.N. Tan, Z. Chiam, S. Arora, K.J.Q. Pnga, J.W.C. Seow, F.W.S. Leong, A. Palliwal, F. Biljecki, A. Tablada, H.T.W. Tan, Home gardening in Singapore: A feasibility study on the utilization of the vertical space of retrofitted high-rise public housing apartment buildings to increase urban vegetable self-sufficiency, «Urban Forestry & Urban Greening», 2022.

9. W. Hao, A. Tablada, X. Shi, L. Wang, X. Meng, Efficiency Analysis of the Photovoltaic Shading and Vertical Farming System by Employing the Artificial Neural Network (ANN) Method, «Buildings», 14, 94, 2024. https://doi.org/10.3390/buildings14010094.

10. V. Kosori , H. Huajing, A. Tablada, S.K. Lau, S.S.Y. Lau, Survey on the social acceptance of the productive facade concept integrating photovoltaic and farming systems in public high-rise residential buildings in Singapore, «Renewable & Sustainable Energy Reviews», 111, pp. 197-214, 2019.

11. A. Tablada, V. Kosori , H. Huajing, S.S.Y. Lau, V. Shabunko, Architectural quality of the productive façades integrating photovoltaic and vertical farming systems: Survey among experts in Singapore, «Frontiers of Architectural Research» 9-2, pp. 301-318, 2020.

12. Solskin: a moving adaptive building skin that combines intelligent shading and PV energy generation, https://www.solskin.swiss/.

13. B. Svetozarevic, M. Begle, P. Jayathissa et al., Dynamic photovoltaic building envelopes for adaptive energy and comfort management, Nat Energy, 4, pp. 671–682, 2019

14. A. Tablada e V. Kosori , Vertical Farming on Facades: Transforming building skins for Food Security, Book chapter, Elsevier: Gaspari et al. (eds) Rethinking Building Skins, 2021.