BiPV

 

Introduzione

Le attuali esigenze di incrementare significativamente la quota di energia rinnovabile nel soddisfacimento dei fabbisogni energetici sta spingendo ad un sempre più marcato uso del fotovoltaico (FV) nell’involucro edilizio, aprendo verso le tematiche dell’integrazione architettonica e costruttiva nell’architettura contemporanea. Inoltre, sebbene vi siano già diversi esempi di integrazione anche in edifici Svizzeri, finora l’installazione fotovoltaica su edificio si è focalizzata sugli aspetti energetici, spostando in secondo piano gli aspetti figurativi, costruttivi e funzionali del progetto architettonico. La direttiva europea 2010/31/EU ha stabilito che, a partire dal 2020, tutti i nuovi edifici dovranno essere Nearly-Zero Energy (NZEBs), ovvero edifici a bilancio energetico nullo). In Svizzera questa direttiva è già implementata all’interno dello standard Minergie-A. Ciò avrà un impatto sia nel progetto degli edifici (strategie passive, scelta appropriata dei materiali e di sistemi efficienti), riducendo i fabbisogni energetici degli stessi, che nella diffusione delle fonti rinnovabili (come fotovoltaico o solare termico) in-situ, le quali produrranno la rimanente quota di energia necessaria. Considerando la crescente popolarità delle tecnologie solari, e in particolar modo dei sistemi fotovoltaici, è necessario prevenire il loro utilizzo indiscriminato in edilizia. Di conseguenza è opportuno che, soprattutto i professionisti che operano nel settore edilizio, sappiano e possano avvalersi di ciò che la tecnica fotovoltaica offre di più innovativo: l’integrazione costruttiva ed architettonica di elementi fotovoltaici (BiPV). Essendo contemporaneamente parte dell’involucro/sistema edilizio e generatore di energia, i sistemi BiPV permettono di ridurre i costi d’investimento iniziali in quanto sia il materiale che la manodopera necessari alla realizzazione dell’impianto fotovoltaico sono minori rispetto ad un’esecuzione tradizionale dove i moduli fotovoltaici non rimpiazzano i tradizionali elementi costruttivi.
Si tratta di una tecnologia multifunzionale che può essere adottata in modo ottimale sia nelle nuove costruzioni che negli edifici esistenti.
Questo utilizzo più razionale dei materiali permette di ridurre il quantitativo di energia grigia necessario alla realizzazione del sistema edificio + impianto fotovoltaico. Grazie allo sfruttamento in loco della tecnologia FV viene inoltre ridotto l’utilizzo di vettori energetici non rinnovabili (fossile e nucleare), così come di gas serra. Tutto ciò rende la tecnologia BiPV uno dei settori dell’industria fotovoltaica con il più alto tasso di crescita.

L’acronimo BiPV si riferisce a sistemi e concetti nei quali l'elemento fotovoltaico assume, oltre alla funzione di produrre elettricità, il ruolo di elemento da costruzione. Negli ultimi anni l’integrazione in architettura dei moduli sta evolvendo fortemente. I nuovi prodotti, per dimensioni e caratteristiche, sono in grado di sostituire integralmente alcuni componenti costruttivi tradizionali.

Con elemento da costruzione BiPV intendiamo un componente edilizio utilizzato come parte dell’involucro dell'edificio (elemento di copertura, rivestimento di facciata, superficie vetrata), dispositivo di protezione solare (frangisole), elemento architettonico “accessorio” (pensilina, parapetto di balconi, ecc.) e ogni altro elemento architettonico necessario al buon funzionamento dell’edificio (schermatura visiva e acustica).
Questa definizione esclude quindi gli impianti “indipendenti” o “sovrapposti” all’edificio quali pannelli semplicemente appoggiati o fissati a coperture esistenti o altri sistemi PV semplicemente  fissati a parti di edificio che non assumono nessun altra funzione oltre alla produzione di elettricità (soluzioni che rappresentano la maggior parte delle superficie fotovoltaiche installate oggigiorno).
Oltre al concetto BiPV nel senso stretto del termine, alla scala dell’edificio, il concetto di integrazione fotovoltaica va estesa anche agli impianti connessi a strutture “urbane” e di trasporto (pensiline, ripari per veicoli, strutture sportive o di gioco, fermate di bus, etc.) così come alla scala paesaggistica.

BiPV: funzionalità e linguaggio architettonico

Il concetto di BiPV, come tipico del settore edilizio e dell’architettura, coinvolge due aspetti complementari. Il primo è la multifunzionalità del componente solare ossia l’integrazione costruttivo/funzionale. Dall’altro verso c’è l’aspetto dell’integrazione estetica cioè della qualità architettonica dell’integrazione. Al contrario, nella vasta scala di applicazione del FV, il concetto di “applicazione” è stato finora prevalente su quello di “integrazione”. In molti casi infatti i moduli solari sono semplicemente sovrapposti sull’involucro edilizio come un componente estraneo, senza soddisfare alcun requisito o alcuna funzione edilizia.  Allo stesso modo, anche in molti casi di corretta integrazione funzionale, la qualità architettonica non è sempre considerate come un requisite significativo del Sistema BiPV e, purtroppo, sembra quasi divenire una qualità aggiunta del progetto. Questo è il risultato di una parzializzazione dell’approccio progettuale dove la specializzazione disciplinare prevale su una piu’ generale e consapevole prospettiva di concept unitario del progetto. “Il mio desiderio è che tali pannelli saranno realmente integrati nella costruzione delle facciate e delle coperture e la morfologia o forma degli edifice sarà di conseguenza scolpita dal ciclo solare per massimizzare gli input energetici. Non ho mai visto una conflittualità fra il perseguimento di una ricerca estetica e le elevate performance in termini di sostenibilità”  (Lord Norman Foster, Swiss Solar Prize 2010,SolarAgentur, pp.3-4).  
Dunque un componente BiPV deve soddisfare un requisito aggiuntivo (ovvero avere una funzione aggiuntiva) oltre alla produzione energetica. Questo significa che lo strato/componente PV non puo’ essere autonomamente rimosso dall’edificio senza compromettere alcun requisito costruttivo/tecnologico primario della stratificazione costruttiva o dell’intero edificio (che è, per definizione, incompleto senza il componente PV). Inoltre, accanto a questo ruolo funzionale/tecnologico, è fondamentale motivare i diversi attori del progetto (anzitutto gli architetti) a considerare sia gli aspetti tecnici che architettonici ed espressivi del PV, con lo scopo di aumentare l’accettabilità e la qualità dei sistemi di produzione energetica decentralizzati. La qualità degli spazi architettonici e urbani connotati dalla presenza di sistemi fotovoltaici è infatti strettamente correlata ad una complessa combinazione di aspetti funzionali, costruttivi, energetici ed  espressivi.

GreenPIx paulHornArena Schueco ProsolTF FabLab

Alla scala edilizia possono essere identificati due principali tipi di integrazione.

L’integrazione funzionale si riferisce al ruolo che i moduli fotovoltaici svolgono all’interno del sistema edificio. Per questo motivo si può parlare di multifunzionalità o criterio di doppia funzione. I moduli fotovoltaici sono considerati integrati all’edificio nel caso in cui svolgono il ruolo di un componente edilizio adempiendo ad una funzione come definita, ad esempio, nel Regolamento Europeo di prodotto CPR 305/2011. Le funzioni edilizie demandate al BiPV  possono essere le seguenti:

- protezione dagli agenti atmosferici: pioggia, neve, vento, grandine, protezione dai raggi UV;
- rigidezza, resistenza meccanica ed integrità strutturale;
- ombreggiamento/daylighting.
Dunque il modulo BiPV è un pre-requisito per l’integrità della funzionalità dell’edificio.

L’integrazione estetica (architettonica, figurativa), d’altro canto, si riferisce al concept architettonico e all’immagine dell’edificio, e risulta più difficilmente definibile in maniera univoca. L’integrazione estetica (morfologico-figurativa) deve essere intesa come la capacità del fotovoltaico di definire le regole morfologiche e linguistiche che governano la struttura e la composizione del linguaggio architettonico dell’edificio. Nell’architettura contemporanea l’immagine è uno dei primi fattori di riconoscibilità dell’edifico ed un nuovo specifico campo di innovazione sempre piu’ legato all’ “architettura solare”. In tutti i casi, nessuna definizione puo’ determinare con certezza e oggettività cosa è accettabile in termini di integrazione architettonica, ma puo’ eventualmente aiutare gli architetti e gli altri attori del processo a definire utili riferimenti.   Tutte le caratteristiche del sistema fotovoltaico in grado di condizionare l’apparenza dell’edificio (ad es. le caratteristiche formali o i materiali) dovrebbero essere coerenti con la sua progettazione d’insieme. Per esempio (Fonte: IEA T.41.A.2):

-  la posizione e la dimensione dei moduli deve essere coerente con la composizione architettonica d’insieme dell’edificio;
- i materiali visibili del modulo PV, la texture di superficie e il colore dovrebbero essere coerenti con gli altri materiali della pelle edilizia, con i colori e con le texture con cui interagiscono;
- la dimensione e la forma dei moduli devono essere compatibili con la griglia compositiva e con le diverse dimensioni degli elementi d’involucro;
- i sistemi di giunzione devono essere attentamente considerati in fase di scelta del sistema, visto il ruolo diverso del giunto nel sottolineare la percezione della griglia modulare del sistema.

Nella prospettiva del BiPV il fotovoltaico  sta progressivamente entrando a far parte dell’alfabeto dell’architettura contemporanea e degli architetti, come ogni altor materiale da costruzione. Dunque, la definizione di regole basilari di progetto per il BiPV dovrebbe non aver piu’ senso, rischiando di condizionare e lacerare il percorso di innovazione architettonica  in atto con regole e vincoli “stilistici” slegati dal contesto. Oggi, ad esempio, come nessun architetto sarebbe d’accordo con la definizione di un manuale generale sulle regole di assemblaggio delle aperture all’interno di una facciata, cosi’ non è pensabile di risolvere la sfida del BiPV, all’interno del dibattito dell’architettura contemporanea, attraverso la pretesa di definire semplici istruzioni di “buona” progettazione. Molti esempi internazionali sono disponibili come utile riferimento ed è già possibile dare una prima valutazione sulla qualità architettonica del BiPV.

Il ruolo dell'architetto

La riduzione dei consumi d’energia e l’utilizzo delle energie rinnovabili sono temi divenuti troppo importanti dal punto di vista dello sviluppo sostenibile per non tenerne conto nel settore dell’architettura. Nell’epoca dei Nearly Zero Energy Buildings l’architetto ha un ruolo molto importante poiché interviene quale consulente presso la clientela. Egli ha l’obbligo di informarli sui vantaggi di un edificio a basso consumo che puo’ drasticamente ridurre la domanda energetica (e i conseguenti costi ambientali ed economici) e funzionare tramite energie rinnovabili. L’architetto deve quindi possedere le conoscenze e gli strumenti necessari al fine di promuovere, in questo caso, il fotovoltaico integrato nell’edificio. È necessario che possa comprendere e considerare le possibilità, gli obblighi, i vantaggi e le difficoltà di un progetto BiPV. Nel caso di un'integrazione BiPV, tenerne conto sin dall’inizio del progetto permetterà una migliore integrazione dal punto di vista estetico, costruttivo, energetico ed economico.

Rispetto delle regole fondamentali del PV

L’impianto PV deve naturalmente soddisfare i criteri di efficienza a livello della produzione energetica, in particolare per quanto riguarda il posizionamento, l’orientamento dei moduli e l’assenza di ombreggiamento (Requisiti di progettazione).