Franklin University a Sorengo (Lugano), Supsi spiega multifunzionalità della baukultur

pv magazine Italia ha avuto il piacere di sentire Pierluigi Bonomo, responsabile della ricerca e dello sviluppo degli edifici solari BIPV presso Supsi, e Paolo Corti, membro del team Advanced Building Skin presso la scuola universitaria professionale. Bonomo e Corti hanno spiegato le caratteristiche tecniche del nuovo campus della Franklin University Switzerland a Sorengo (Lugano), caratterizzato da due blocchi architettonici distinti, di cui uno come spazio comune e didattico e l’altro per l’alloggio universitario.

Il volume degli spazi pubblici è rivestito con un sistema dinamico di lamelle fotovoltaiche bianche che seguono l’orientamento del sole. Questo meccanismo garantisce la produzione di energia e l’ombreggiatura all’interno degli spazi per un maggiore comfort termico e visivo dell’ampliamento del campus, firmato da Flaviano Capriotti Architetti, tra i 100 architetti al mondo secondo AD.

Supsi ha spiegato le scelte progettuali, l’ottimizzazione della produzione energetica per strutture non piane con esigenze specifiche, come quella dell’auditorium e tutte le caratteristiche tecniche dell’impianto, che non poteva derivare “da soluzioni presenti sul mercato, ma necessitava di un’ottimizzazione dell’intero processo”. Bonomo e Corti spiegano poi la ricerca relativa al trattamento del vetro frontale con un colore simil-bianco che rispettasse l’idea architettonica. “Il vetro frontale è satinato per evitare elevata riflessione o abbagliamento ed ha una colorazione bianca (“Bianco traffico”). Per ottenere la configurazione desiderata, la perdita di potenza del modulo è stata quantificata intorno al 40% rispetto alla stessa configurazione con un modulo non trattato”, hanno spiegato i due ricercatori.

pv magazine: Potreste descrivere l’impianto? La capacità dell’impianto dovrebbe essere 18 kW, corretto? Questo vuol dire che avete installato circa 250 pannelli?

Supsi: L’impianto fotovoltaico, con una potenza complessiva di circa 18 kWp, è articolato su due livelli indipendenti, ciascuno servito da un inverter e 42 ottimizzatori di potenza. Sono stati installati 252 moduli fotovoltaici: 126 moduli da circa 81 Wp al primo piano e 126 moduli da circa 64 Wp al secondo. I moduli sono integrati in lamelle dinamiche (63 per piano), ciascuna costituita da due moduli fotovoltaici. La stringatura ha previsto il collegamento di 84 celle al primo piano e 66 celle al secondo piano. Ogni gruppo di tre lamelle è gestito da un motore dedicato, per un controllo preciso dell’inclinazione e della risposta solare. Il sistema raggiunge una potenza di circa 10 kWp al primo piano e 8 kWp al secondo.

Problemi nell’installazione?

Partiamo dal dire che l’obiettivo di un progetto è risolvere sfide di ogni tipo. Un processo integrato ha l’obiettivo di limitare o evitare l’insorgere di problemi grazie ad una metodologia di lavoro multidisciplinare sin dalle prime fasi. È quanto il progetto pilota ci ha aiutato a compiere. Nel team BIPV di Supsi, in linea col gruppo di lavoro, siamo coscienti che la vera architettura non possa essere espressa da soluzioni “plug&play”. Il solare, come tutti i sistemi di costruzione, se pretende di entrare nella logica del progetto, deve accogliere le sfide e non considerarle come problemi. Alcune considerazioni che abbiamo raccolto durante il progetto, specifiche per il caso studio sono state:

In questo progetto i diodi non sono stati integrati nella scatola di giunzione, nei prossimi progetti, l’introduzione di diodi all’interno delle scatole di giunzione, potrebbe aiutare a semplificare il processo nelle fasi di montaggio dell’impianto;
Utilizzare cavi di collegamento dei pannelli fotovoltaici più lunghi (almeno 3 metri) per semplificare l’installazione ed avere più agio nella gestione dei collegamenti tra le varie lamelle;
Percorso diretto dei cavi tra i locali tecnici e le aree esterne, evitando il passaggio attraverso le colonne strutturali. Ciò permetterebbe di garantire flessibilità nell’installazione ed evitare ulteriori lavori nella struttura portante;
Raggruppamento di tutti i componenti elettrici (pannello di controllo, pannello di alimentazione, inverter) all’interno dello stesso locale tecnico;
Revisione del sistema di fissaggio dei pannelli alle lame, valutando la fattibilità di un fissaggio semi-fisso dei pannelli senza adesivo. Il processo di incollaggio è infatti stato complesso e dispendioso in termini di tempo.

Avete progettato e realizzato, per questo progetto specifico a Lugano, delle lamelle fotovoltaiche dinamiche. Potreste descriverle? Dove sono state prodotte?

Ogni lamella è un kit multifunzionale che include due moduli fotovoltaici bianchi incollati e fissati meccanicamente su un estruso metallico autoportante. Ogni lamella si muove attorno al proprio asse per massimizzare la produzione energetica grazie all’inseguimento solare, ma allo stesso tempo, garantendo il comfort all’interno dell’edificio. Il kit è stato prodotto da un consorzio di società svizzere e più precisamente tutte nel Canton Ticino: Sunage (moduli fotovoltaici), Poretti&Gaggini e Kuma (estrusi metallici)

Quanto pesano? Come vengono orientate?

Modulo fotovoltaico: 23.75 Kg/m2 (al primo piano una lamella è composta da due moduli di 2310x350mm ciascuno). Sottostruttura: 5.64 Kg/ml (al primo piano una lama è alta 4630mm). Le lamelle vengono orientate secondo un algoritmo che permette di massimizzare la produzione di energia elettrica, in modalità automatica ad inseguimento solare, ed in modalità manuale secondo le esigenze dell’utente.

Campus della Franklin University Switzerland – McNeely Center of Ideas & Imagination di Lugano
*Immagine: Leo Torri*

Spiegate che il circuito interno di ogni lamella fotovoltaica è stato suddiviso verticalmente in due colonne “elettricamente indipendenti”. Cosa vuol dire? Potreste spiegare?

Le lamelle fotovoltaiche sono costituite fisicamente da due moduli fotovoltaici connessi in serie dal punto di vista elettrico. Ogni modulo fotovoltaico è diviso in due colonne verticali di celle solari elettricamente indipendenti. In questo modo, quando una delle due colonne risulta ombreggiata dalla lama adiacente, l’altra è in grado di continuare a produrre energia elettrica. La configurazione permette di moderare gli effetti dell’auto-ombreggiamento che è intrinseco nel funzionamento di un sistema di schermatura, specie nel caso di un volume a geometria non piana e considerando le condizioni variabili in diversi momenti della giornata e delle stagioni.

Come si muove l’intero impianto? Un motore? Usando quale fonte di elettricità? Quella prodotta dallo stesso impianto?

La movimentazione è garantita da un motore che attua un gruppo di 3 lamelle, in quanto risultato ottimizzato sulla base della geometria e dell’orientamento della facciata, ed il movimento è garantito da un Programmable Logic Controller (PLC), che gestisce la movimentazione attraverso programmi dedicati ed algoritmi. È comunque garantita anche una funzione manuale per soddisfare le esigenze degli utenti dell’auditorium.

Cosa implica in termini di performance dell’impianto? Un aumento? Raggiunto come?

In termini di performance: In Supsi, grazie al progetto Pilota & Dimostrazione co-finanziato dall’Ufficio federale dell’Energia (UFE), il nostro team ha seguito la caratterizzazione del kit di oscuramento dal laboratorio fino alla realizzazione di un mock-up in scala ridotta. Data l’unicità di questo sistema, e la volontà dei produttori di ricevere una pre-validazione utile per la successiva introduzione sul mercato, è stato importante validare le performance più significative del sistema sia in ambito elettrico che costruttivo. Sul mock-up sono stati comparati due sistemi: il primo è composto da una soluzione simile ma composta da tre lamelle fotovoltaiche non suddivise elettricamente, mentre il secondo da tre lamelle identiche a quelle previste nell’edificio pilota. La soluzione adottata ha dimostrato un guadagno di produzione superiore al 20% durante la primavera e l’estate, migliorando la resa energetica nei mesi caratterizzati da una maggiore altezza solare.

Mi sembra di capire che avete comunicato che si tratta di una delle prime lamelle fotovoltaiche verticali in Europa che seguono l’orientamento del sole. In cosa consiste lo sviluppo tecnologico rispetto ad altri progetti?

Dettaglio dall’interno dell’edificio.
*Immagine: Leo Torri*

Ci sono già alcuni progetti con sistemi simili in termini tecnologici, che tuttavia spesso hanno solo alcune delle caratteristiche di questo progetto. L’unicità di questa soluzione è stata data dall’unione di vari fattori che coesistono in questo edificio: la specificità del design architettonico e del sistema, in termini di geometria della facciata e orientamento, la specifica forma del componente con richiesta di un particolare sottostruttura e colore specifico del rivestimento, la necessità di adottare una soluzione totalmente integrata senza componenti tecnici in vista, e la dinamicità delle lamelle, con esigenze specifiche da rispettare per gli spazi interni in termini di daylighting, confort e utilizzo. D’insieme assumeva i caratteri di una sperimentazione unica, che non poteva attingere da sistemi o soluzioni presenti sul mercato, ma necessitava di un’ottimizzazione dell’intero processo e di un’integrazione di varie soluzioni costruttive, elettrotecniche e funzionali, da dover dunque anche testare e validare in merito ad alcuni aspetti di sicurezza e funzionalità.

Il progetto rientra, da quanto capisco, nel programma dell’Ufficio Federale dell’Energia (UFE) per sostenere progetti di ricerca speciali. Per rientrare nel programma, e quindi ricevere i finanziamenti, si devono portare avanti una serie di attività di monitoraggio delle prestazioni dell’impianto. Il vostro progetto ha adesso circa 2 anni di dati, corretto? Cosa potete concludere sulla performance dell’impianto e di eventuale indici di degrado?

Purtroppo questo programma è stato sospeso dalla Confederazione attualmente, mentre il progetto dimostra come sia un’opportunità unica per una ricerca applicata dove progettualità, mercato e innovazione trovano una sintesi operativa e concreta, con risultati replicabili per il mercato e simbolici per la società Tra le varie attività accennate, lo studio ha riguardato tecnologie, costi, processo. L’analisi dell’innovazione, tra le altre cose, ha dunque considerato anche l’osservazione della resa energetica sia nel mock-up che nell’edificio, che comprendeva l’analisi delle temperature operative e delle condizioni igrometriche, tipicamente utili a capire i regimi di funzionamento durante la vita utile. Nel mock-up, le osservazioni hanno evidenziato che la lamella fotovoltaica ottimizzata, dotata di due stringhe verticali indipendenti, ha migliorato con successo la tolleranza all’ombreggiamento, riducendo al minimo le perdite. Durante le stagioni primaverili ed estive, quando l’elevazione solare raggiunge il picco, la soluzione ottimizzata ha anche registrato un incremento di produzione superiore al 20%. Nei test in ambiente interno e nelle prove a lungo termine in esterno, la temperatura del modulo della lamella ottimizzata è risultata costantemente inferiore rispetto al design standard, garantendo così adeguata sicurezza termica e affidabilità nel tempo.

E dopo due anni di monitoraggio?

Il monitoraggio dell’edificio, durato due anni, ha confermato quanto emerso dai test in laboratorio e sul mock-up. In termini energetici, la resa è naturalmente compromessa sia dall’ombra che dal colore molto chiaro, ossia dalle condizioni al contorno del sistema. Al primo piano, la resa energetica specifica è inoltre inferiore rispetto a quella del secondo piano a causa dell’auto-ombreggiamento della struttura portante, in particolare durante i mesi estivi. È importante sottolineare che tali riduzioni sarebbero potute essere significativamente maggiori se non fosse stata adottata una soluzione ottimizzata dei moduli fotovoltaici.
Il reale confronto sul quale valutare il vantaggio energetico rimane eventualmente con lo stesso sistema, elettricamente non ottimizzato. La vera performance di questo impianto, di cui ci piace parlare, è quella di aver trovato una fattibilità in quelle condizioni specifiche e aver contribuito alla qualità figurativa e architettonica. È un sistema che entra a far parte della narrativa del progetto, che dimostra una via di qualità estetica nell’adozione dei sistemi solari, trova una sua contestualizzazione economica nel processo. Il progetto non riconduce il proprio valore soltanto alla performance energetica, ma la produzione di energia diventa un plus nel dimostrarsi parte del sistema-edificio, di una transizione fatta sì di kWh ma anche di una cultura della costruzione (baukultur) che ha ancora un enorme potenziale da sfruttare.

Spiegate che la tecnologica fotovoltaica è quella multi-cristallina, con un vetro frontale temperato da 4mm, satinato e trattato per poi diventare bianco. I pannelli sono stati forniti da Sunage SA. Ma vorrei capire due cose: potreste spiegare la tecnologia dei pannelli (TOPCon o PERC, ma anche film sottile o silicio rigido)? Che celle fotovoltaiche sono state utilizzate?

Le celle solari sono quelle convenzionali di tipo mono-cristallino 158.75×158.75 mm con ribbon black, incapsulante POE. La vera ricerca è stata nel mettere a punto un trattamento del vetro frontale con un colore simil-bianco che rispettasse l’idea architettonica. Il colore è stato apportato tramite una tecnica di pigmentazione dell’azienda produttrice del vetro: si trattava di uno dei primi impieghi del bianco per moduli solari con questo tipo di trattamento del vetro, per cui son stati realizzati vari prototipi per capire la risultante figurativa data dai vari strati del vetro e dai trattamenti superficiali, in relazione anche all’output energetico (inversamente proporzionale alla luminosità del bianco).

Potreste anche comunicare il produttore delle celle?

Non ne siamo al corrente. Come detto, la ricerca non ha riguardato la cella solare.

Il vetro bianco riflette la luce, no? Questo vuol dire che il trattamento del vetro per rendere l’esterno dell’impianto bianco implica anche una perdita in termini di produzione elettrica dell’impianto, no? È quantificabile?

Il vetro frontale è satinato per evitare elevata riflessione o abbagliamento ed ha una colorazione bianca (“Bianco traffico”). Rispetto ad un vetro trasparente non trattato ci sono ovviamente delle perdite che variano in base al colore ed al grado di mascheramento delle celle che si vuole ottenere. In questo caso, per ottenere la configurazione desiderata, la perdita di potenza del modulo è stata quantificata intorno al 40% rispetto alla stessa configurazione con un modulo non trattato.

D’altra parte la parte esterna bianca potrebbe avere delle ripercussioni sulla temperatura dell’edificio all’interno. Questo potrebbe causare, per esempio, una diminuzione dei bisogni di aria condizionata in estate? Possibile quantificare i vantaggi dell’impianto “bianco” da questo punto di vista?

Il vero vantaggio di questo sistema è la sua multifunzionalità: un sistema che funge da schermatura solare, protegge dall’irraggiamento diretto, riduce il fabbisogno energetico estivo e, allo stesso tempo, permette di produrre energia rinnovabile sul posto. È importante notare che non solo i moduli fotovoltaici, ma anche la sottostruttura sono stati colorati di bianco. Il colore, oltre alla posizione, l’ottimizzazione del controllo, l’orientamento, sono tutti fattori che incidono e influiscono in modo significativo sul comfort interno, contribuendo a ridurre la necessità di aria condizionata in estate. Tuttavia, non sono state considerate delle analisi specifiche per quantificare i vantaggi dell’impianto “bianco”.

Perché non avete installato una batteria?

Perché con una taglia del genere, e visto l’orientamento, la maggior parte della produzione avviene in momenti diversi ed è realisticamente utilizzata con autoconsumo istantaneo. Tuttavia, considerando che è presente un impianto tradizionale in copertura, si sarebbe potuto pensare di installare una batteria, previa un’analisi costi-benefici. In ogni caso, trattandosi di un impianto di proprietà del gestore elettrico, tale decisione avrebbe coinvolto solo marginalmente il proprietario dell’edificio.

Altre considerazioni?

Il progetto ha suscitato molto interesse, non solo nella regione ma anche come caso studio internazionale. Grazie alle attività di Supsi all’interno della Task 15 della International Energy Agency (IEA o AIE) è stato promosso in vari eventi e pubblicazioni. È stato oggetto di visite guidate in occasione di corsi di formazione e per studenti, visite e delegazioni internazionali. Inoltre è anche stato raffigurato in una video intervista prodotta dal proprietario dell’impianto (link) e in un docufilm sull’architettura solare che è stato realizzato da Supsi in un progetto europeo ed è documentato nella piattaforma solarchitecture (www.solarchitecture.ch). L’interesse di architetti e esperti di settore, ha preso spunto anche per progetti successivi e l’azienda stessa ha ricevuto richieste per realizzazioni successive.

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