STRATEGIE DI PROGETTAZIONE ADATTIVA PER IL RETROFIT DI EDIFICI IN RISPOSTA AI CAMBIAMENTI CLIMATICI ADAPTIVE DESIGN STRATEGIES FOR BUILDINGS' ...
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ARCHITECTURE
AGATHÓN – International Journal of Architecture, Art and Design | n. 06 | 2019 | pp. 192-199
ISSN print: 2464-9309 – ISSN online: 2532-683X – DOI: 10.19229/2464-9309/6182019
RESEARCH & EXPERIMENTATION
STRATEGIE DI PROGETTAZIONE ADATTIVA
PER IL RETROFIT DI EDIFICI IN RISPOSTA
AI CAMBIAMENTI CLIMATICI
ADAPTIVE DESIGN STRATEGIES FOR
BUILDINGS’ RETROFIT IN RESPONSE
TO CLIMATE CHANGE
Giulio Davino, Eduardo Bassolino
ABSTRACT
L’aumento delle temperature urbane legate ai fenomeni di cambiamento climatico in
atto, quale conseguenza dell’incremento delle concentrazioni di gas climalteranti nel-
l’ambiente, le carenze prestazionali dell’edilizia in Italia e in particolare di quella edifica-
ta tra gli anni ‘70 e ‘90 del secolo scorso, l’avanzamento tecnologico delle soluzioni
tecniche e della ricerca nel campo delle tecnologie digitali legate all’architettura, hanno
stimolato lo sviluppo di una metodologia basata sull’uso di strumenti IT di computatio-
nal desing e data exchange per la simulazione energetica degli edifici e la definizione di
azioni di retrofit energetico e tecnologico ad-hoc finalizzate all’adattamento e alla miti-
gazione secondo scenari climatici attuali e di proiezione. Il presente contributo si foca-
lizza sulla sperimentazione di un approccio di tipo simulativo, basato sull’utilizzo di
software di tipo parametrico al fine di definire azioni di retrofit energetiche e tecnologi-
che attraverso un approccio metodologico replicabile per interventi di rigenerazione
edilizia e urbana finalizzati alla mitigazione e all’adattamento climatico.
The urban temperature raising related to climate change on-going phenomenons as
a consequence of greenhouse gas concentration’s increasing, the performance flaws
of Italian construction, particularly of the one built between ‘70s and ‘90s, the techno-
logical progress of technical solutions and research in the field of architecture-related
digital technology, have stimulated the development of a methodology based on
computational design and data exchange IT tools for buildings’ energy simulation and
the definition of interventions of energy and technology retrofit aimed towards adap-
tion and mitigation according to climatic scenarios. This contribution is focused on
the experimentation of a simulative approach, based on the use of parametric soft-
ware for outlining interventions of energy and technology retrofit for buildings, through
a methodology replicable for urban and building regeneration actions for mitigation
and climate adaption.
KEYWORDS
cambiamenti climatici, progettazione computazionale, progettazione ambientale,
risoluzione evolutiva, approccio adattivo
climate change, computational design, environmental design, evolutionary solving,
adaptive approach
Giulio Davino, Architect, is a Computational Designer at Risklayer GmbH (Germany). His re-
search fields are the Parametric Computational Design and the Climate Adaptive Design. Mob.
+39 348/93.73.695 | E-mail: davinogiulio@gmail.com
Eduardo Bassolino, Architect and PhD, is a Researcher at the Department of Architecture of
‘Federico II’ University of Naples (Italy). His research activities are mainly in the fields of Climate
Adaptive Design, Environmental Design and on IT Tools Use for Architecture and Urban Planning.
Mob. +39 389/68.37.289 | E-mail: eduardo.bassolino@unina.it
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Il cambiamento climatico è la più importan- Il contesto urbano | Oggetto della sperimen- dologia incentrata sulla progettazione parame-
te sfida della storia recente, le cui implicazioni tazione è un edificio che ricade all’interno della trica, azioni di retrofit energetico e tecnologico
investono la sfera delle politiche economiche e periferia orientale di Napoli, nel quartiere di di un edificio campione, tenendo in considera-
sociali a livello globale e in cui l’architettura1, in- Ponticelli, e che fa parte del Programma Straor- zione la risposta ai futuri effetti prodotti dai
quadrata nel più ampio settore delle costruzio- dinario di Edilizia Residenziale (PSER) introdot- cambiamenti climatici. Il workflow digitale si
ni, può giocare un ruolo fondamentale nell’au- to per soddisfare la domanda di abitazione de- svolge nell’ambiente parametrico di Grasshop-
spicata inversione della tendenza al cambia- gli sfollati del terremoto in Irpina del 1980; l’a- per4, plug-in del software di modellazione 3D
mento. L’Intergovernmental Panel on Climate rea di Ponticelli fu infatti una delle più coinvolte (Rhinoceros5), che permette di gestire ingenti
Change (IPCC) sostiene che tali fenomeni siano dal Programma con la costruzione di diversi quantità di dati e input necessari allo sviluppo di
causati dall’attività umana. Tra gli effetti e le comparti edilizi. Il progetto aveva lo scopo di un algoritmo capace di analizzare simultanea-
cause dei cambiamenti climatici, quali l’aumen- demarginalizzare il quartiere con edifici ritenuti mente i dati relativi alle caratteristiche geometri-
to del PH degli oceani salito del 25%, la con- all’avanguardia sia dal punto di vista spaziale che e tecnico-costruttive dell’edificio, quelli re-
centrazione di gas serra nell’atmosfera e l’au- che tecnologico. Le carenze presenti nel Pia- lativi al clima e al microclima, oltre ai fattori di
mentata frequenza di ondate di calore, il più ri- no, congiunte alla scarsa qualità dei processi ombreggiamento in funzione del contesto urba-
levante è il riscaldamento globale, che ha por- di realizzazione, hanno reso vano tale obiettivo no (Fig. 2). Gli strumenti utilizzati per gestire
tato all’aumento di 1 °C delle temperature ri- (Bianchi, 1986), tanto che oggi il Ponticelli re- questi dati sono due add-on: Ladybug, per
spetto ai livelli preindustriali2 (IPCC, 2018). Per sta un quartiere periferico, marginale e discon- l’importazione dei file climatici6, e Honeybee7,
definire l’evoluzione del clima futuro alla data nesso. L’area urbana in cui è localizzato l’edifi- per la gestione di processi di energy design e
del 2100, l’IPCC (2015) ha delineato quattro cio oggetto della sperimentazione è completa- per la connessione del flusso di dati con il mo-
macro-scenari in funzione della emissione di mente priva di attrattive pubbliche e commer- tore di simulazione energetica EnergyPlus.8
gas serra definiti RCP (Representative Concen- ciali, e denuncia l’assenza di interventi di ma- Un approccio di tipo parametrico-algoritmi-
tration Pathways), dal più ottimistico RCP 2.6, nutenzione ordinaria e straordinaria. co può garantire sia l’utilizzo di strumenti utili al-
che prevede un aumento delle temperature Gli edifici risultano oggi carenti sia sul piano la raccolta dati sia la misurazione dell’efficacia
medie globali sotto i 1,5-2 °C, al più catastrofi- distributivo-funzionale sia in relazione alle solu- degli interventi proposti, agevolando l’interpre-
co RCP 8.5, con un aumento di quasi 5 °C. zioni tecniche adottate, esprimendo la neces- tazione del risultato grazie alla correlazione tra
In risposta agli obiettivi concertati nella sità di un adeguamento prestazionale in termini le condizioni di partenza e la definizione degli
Conferenza delle Parti COP 24 del 2018 – in di benessere per i residenti e di contenimento interventi di retrofit. Inoltre, il vantaggio di tale
cui è stato definito quale target globale la ridu- energetico; i sistemi di prefabbricazione pe- approccio sta nella sua totale adattabilità e re-
zione delle emissioni di gas climalteranti al fine sante impiegati sono l’eredità di una cultura e plicabilità in condizioni e contesti differenti. Ogni
di contenere l’aumento delle temperature me- di una tecnologia considerata già superata al- elemento del processo (dati climatici, materiali,
die globali al di sotto di 1,5 °C – il settore delle l’epoca dell’insediamento, come dimostrano la forma dell’edificio, ecc.) può essere aggiornato
costruzioni dovrà contribuire in maniera signifi- scarsa durabilità e la condizione di avanzato o modificato con diverse o più accurate infor-
cativa alla riduzione delle emissioni di CO2 degrado degli elementi che compongono i si- mazioni, senza compromettere il processo in
mediante interventi di riqualificazione urbana stemi costruttivi. Dal punto di vista dell’aggre- sé. Considerando che intervenire in risposta ai
clima-adattiva. In particolare, in Italia la rispo- gazione tipologica, una tra le più frequenti al- cambiamenti climatici risulta un problema di ti-
sta a tali fenomeni può venire da quell’edilizia l’interno del quartiere di Ponticelli, è quella del- po multi-criteriale, è richiesta un’elevata flessibi-
di tipo residenziale di scarsa qualità edificata la ‘corte aperta’ (Corsi and Frano, 1991), com- lità nella definizione di soluzioni tecniche ade-
gli anni ‘70 e i primi anni ‘90 del secolo scor- posta da edifici di massimo quattro piani con guate. In questo ambiente software è possibile
so, in cui sono prevalse istanze legate all’e- uno o due edifici a torre in testata (Fig. 1). verificare le alternative tecniche proposte senza
mergenza, all’economicità e di conseguenza Quanto detto, insieme a un contesto ambien- dover uscire dal processo, in modo da com-
alla rapidità di costruzione3, già oggi inade- tale privo di qualità e di infrastrutture verdi, prendere i vantaggi e gli svantaggi di ogni solu-
guata a garantire ottimali condizioni di contribuisce al verificarsi del fenomeno dell’au- zione. Essendo questo un processo altamente
comfort. In tali casi, le soluzioni tecniche e co- mento delle temperature urbane (Urban Heat sperimentale, non tutti i dati o le possibili defini-
struttive adottate risultano inefficienti in termini Island). Il manufatto edilizio scelto è rappresen- zioni per rappresentare la realtà possono esse-
di prestazioni energetiche, e l’unica strada tativo delle criticità esposte, diffuse anche al- re presi in considerazione. I fattori esclusi dal
percorribile risulta essere quella della riqualifi- l’interno del territorio nazionale. processo metodologico sono stati scelti fin
cazione edilizia attraverso azioni di retrofit dall’inizio, a favore di un algoritmo fluido.
energetico e tecnologico. Metodologia di progettazione adattiva pa- Gli interventi che rientrano all’interno di
L’evoluzione e lo sviluppo di queste prati- rametrica per il retrofit di edifici | Il presente questo processo riguardano esclusivamente
che hanno permesso di eseguire l’analisi delle contributo mira a definire, attraverso una meto- l’involucro dell’edificio, escludendone trasfor-
performance energetiche dell’edificio già du-
rante la fase della progettazione. La simulazio-
ne del consumo di energia e delle condizioni
termo-igrometriche permettono di indirizzare
gli interventi verso il raggiungimento delle mi-
gliori condizioni di comfort per gli occupanti.
Per condurre tali analisi sono necessari diversi
dati caratteristici del contesto, quali la tempe-
ratura dell’aria, l’umidità relativa, la velocità del
vento, l’irraggiamento solare, ecc., ma a causa
dei cambiamenti climatici, i dati ambientali di
contesto non possono essere considerati inva-
riabili durante l’arco di vita degli edifici. Il pre-
sente contributo si focalizza sulla sperimenta-
zione di un approccio di tipo simulativo, basato
sull’utilizzo di software di tipo parametrico al fi-
ne di definire azioni di retrofit energetiche e
tecnologiche, attraverso un approccio meto-
dologico replicabile per interventi di rigenera-
zione edilizia e urbana finalizzati alla mitigazio- Fig. 1 | Urban setting of the building under study and survey of the environmental and performance characteristics of the
ne e all’adattamento climatico. context through thermography.
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sulta la condizione limite con la quale stressare
l’edificio campione con e senza l’appicazione
degli interventi di retrofit definiti secondo le tec-
nologie e le esigenze odierne. Mettendo a con-
fronto l’EPW originale e quello proiettato, si
può avere un’intuitiva percezione della differen-
za fra le condizioni climatiche al 2018 e nel
trentennio 2080s. L’innalzamento della tempe-
ratura media annuale di 3 °C comporterà gra-
vissime ripercussioni sulla salute della popola-
zione e degli ecosistemi urbani, rendendo cen-
trali le esigenze di garantire comfort all’interno
degli edifici e di contenere i consumi di energia.
Fig. 2 | Definition of the algorithm for simulating the performance characteristics of the building. A valle di questi ragionamenti si è scelto di
mettere a confronto gli output delle simulazioni
che misurano il consumo energetico per il con-
mazioni architettoniche e morfologiche come G) Stratigrafie: l’add-on Honeybee permette di dizionamento e il benessere percepito dall’u-
addizione/sottrazione di finestre, addizioni vo- assegnare alle superfici di ogni HBZone una tente all’interno delle unità abitative dell’edifico
lumetriche, modificazione del layout funziona- combinazione di diversi EPMaterial, chiamate oggetto delle simulazioni, ipotizzando i dati di
le-spaziale e della destinazione d’uso dei locali. EPConstruction; è possibile assegnare una rilevamento futuri di seguito riportati.
Per la stessa ragione e per la semplificazione singola EPConstruction alle superfici che con- A) Operative Temperature14 (°C): prende in con-
delle operazioni di calcolo, è stata esclusa la dividono le stesse caratteristiche (ad esempio, siderazione la temperatura dell’aria, la tempe-
definizione nel dettaglio di nuovi e più perfor- tutte le superfici verticali esterne) o trattare se- ratura media radiante dalle superfici e la velo-
manti impianti di generazione di calore come paratamente ogni zona e le relative superfici. cità dell’aria; al 2080s, la temperatura delle su-
parte degli interventi. Infine, sono stati esclusi i H) HVAC e Schedule: gli interventi riguardano perfici esterne dell’edificio aumenta di circa 2-3
sistemi per la produzione di energie rinnovabili esclusivamente l’involucro e trascurano gli im- °C, con valori più alti in copertura, e all’interno
che potrebbero incidere notevolmente sul bi- pianti, individuati per il riscaldamento autono- delle unità abitative valori compresi tra 0,5 e 1
lancio energetico ma che complicherebbero mo in caldaia bitermica alimentata a gas e ra- °C (Fig. 3).
l’elaborazione dei dati. Altre soluzioni tecniche, diatori in acciaio, e per il raffrescamento in fan B) Heating (KWh/m2): dati gli impianti costituiti
quali il riciclo delle acque piovane o l’impiego di coil; la Schedule, ovvero l’occupazione degli da una caldaia a gas e da radiatori tradizionali e
tetti giardino, potrebbero non essere simulate utenti all’interno delle unità abitative, viene ta- in considerazione del fatto che il riscaldamento
dal software. Il processo algoritmico è stato rata per una famiglia di 4 persone (un lavorato- globale renderà gli inverni leggermente più miti,
sviluppato secondo le fasi che seguono. re, due studenti e una casalinga), con differenti i risultati nel trentennio 2080s mostrano un ri-
A) Importazione di dati climatici: i dati climatici gradi di occupazione a seconda dei profili d’u- sparmio del 58% rispetto al 2018 (Fig. 4).
specifici del contesto di analisi sono importati tenza e alla stagionalità. C) Cooling (KWh/m2): dati gli impianti del tipo a
in formato EPW mediante Ladybug; l’add-on I) Simulazione: tutte le caratteristiche delle HB- fan coil, i risultati mostrano che al 2080s l’edifi-
preleva da un database online il file EPW per le Zones elencate finora concorrono alla simula- cio campione consumerà quasi tre volte l’ener-
diverse località geografiche. zione in EnergyPlus attraverso Honeybee; gli gia spesa nel 2018, +240% (Fig. 5).
B) Modellazione del contesto: la modellazione output delle simulazioni consentono di com- D) Predicted Mean Vote (PMV15): la condizione
del contesto urbano, che avviene mediante il prendere gli impatti dell’aumento delle tempe- climatica invernale al 2080s, seppur mitigata
software Rhinoceros, è definita con volumi rature dovute al cambiamento climatico duran- dal riscaldamento globale, restituisce valori in-
semplici anche al fine di ridurre la complessità te la vita dell’edificio e di verificare la rispon- torno a -3 per gli appartamenti esposti a nord,
del calcolo di EnergyPlus. denza degli interventi di retrofit alle condizioni mentre durante il periodo estivo si prevede un
C) Computazione ombre portate: i solidi del climatiche future, specificando il periodo di aumento di circa 1 punto nei valori di PMV per
contesto sono impostati nell’add-on Honeybee analisi della simulazione che può essere consi- tutte le unità abitative; l’aumento delle tempe-
come Context Surfaces; durante la simulazio- derato annuale, mensile o giornaliero.9 rature sarà fortemente percepito all’interno del-
ne, EnergyPlus tiene conto delle ombre portate l’edificio (Fig. 6).
per calcolare le temperature superficiali e in- Confronto dei risultati | Se il processo avesse Il confronto fra gli output delle simulazioni
door dell’edificio, e che influiscono sui consumi la sua compiutezza nelle fasi sopraelencate, la effettuate permette di definire differenti tipolo-
energetici e sul comfort; al fine di una maggio- sua utilità sarebbe limitata alla conoscenza del- gie di soluzioni tecniche quali misure di retrofit
re accuratezza di calcolo, vengono inserite le la sola risposta dell’edificio alle condizioni cli- energetico e tecnologico – adatte all’edifico con-
superfici dei balconi e gli sporti dell’edificio. matiche fornita dai dati climatici per la città di siderato e al suo contesto ambientale e micro-
D) Modellazione in zone termiche: l’edificio è Napoli nell’anno 2018. Dato quale obiettivo l’a- climatico – suddivise secondo la classificazio-
modellato suddividendolo in 25 zone termiche, dattamento ai cambiamenti climatici, i dati de- ne tecnologica del sistema edilizio16. Ogni so-
denominate HBZones, aree con caratteristiche vono essere confrontati con quelli di una con- luzione tecnica prevista è stata elaborata a se-
omogenee, che corrispondono alle unità abita- dizione futura, in cui gli effetti del riscaldamen- guito di test e di ottimizzazioni, in risposta alle
tive, ai corpi scala, ai locali del sottotetto e ai to globale saranno ancora più esasperati di specifiche esigenze dettate dai risultati delle si-
locali al piano terra; le HBZones sono l’unità quanto non lo siano adesso. L’immissione di mulazioni e all’interno di una più vasta gamma
fondamentale del processo. un file climatico modificato – ovvero soggetto a di soluzioni ipotizzate (Figg. 7-9).
E) Superfici trasparenti: le superfici trasparenti operazioni di morphing secondo i differenti
sono inserite in seguito alla creazione delle zone scenari di proiezione climatica10 – risulta rap- Definizione parametrica e algoritmica delle
termiche mediante il componente Add Glazing presentativo di una possibile e futura trasfor- soluzioni tecniche per il retrofit | La combi-
Object; Honeybee permette la creazione ad- mazione ambientale11 (Troup and Fannon, nazione ottimale delle soluzioni tecniche è sta-
hoc di finestre distribuite sulle facce esterne 2016). In questo caso, il processo permette di ta definita attraverso l’impiego del solutore
delle HBZones, con la possibilità di poterne con- proiettare in un probabile futuro un edificio rea- evolutivo Octopus17, add-on di Grasshopper,
trollare la grandezza, il passo, e altri parametri. lizzato negli anni ‘80 del ventesimo secolo, e di che applica i principi dell’evoluzione genetica
F) Materiali: ciascun materiale dell’edificio è in- definirne i suoi livelli prestazionali in termini di alla risoluzione di problemi complessi. Le varia-
serito in una specifica libreria all’interno di Ho- consumi energetici e di comfort indoor. bili del problema sono considerate come Geni
neybee, come EPMaterial, attribuendogli speci- Si è scelto quindi di eseguire le simulazioni combinati per ottenere degli Individui, cioè del-
fiche caratteristiche quali spessore, calore spe- dello stato attuale dell’edificio secondo lo sce- le soluzioni. Ogni generazione di soluzioni vie-
cifico, densità, conducibilità termica e nome (ID). nario RCP 8.512 del trentennio 2080s13, che ri- ne elaborata dal software come più adatta del-
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la precedente, includendo la possibilità di recu- so, anche il calcolo evolutivo può essere imple- Ulteriori fattori che potrebbero essere presi in
pero di vecchi Geni o di loro mutazioni. I para- mentato in diversi modi. La possibilità di ag- considerazione sono le emissioni di gas serra
metri utilizzati per determinare la rispondenza giungere altri Geni, ad esempio soluzioni tecni- dell’edificio, i tempi e le modalità delle opera-
di una soluzione sono definiti Fitness. Octopus che alternative e nuove Fitness, può ampliare zioni di cantiere e il costo parametrico della
considera quali migliori soluzioni quelle che ot- l’orizzonte del calcolo e la validità delle soluzio- soluzione. Quest’ultimo è stato scelto quale
timizzano tali parametri (Fig. 10). ni finali. Il progettista può agire su diversi fattori ulteriore variabile per la definizione dell’inter-
I Geni che Octopus combina sono le solu- che influenzano il calcolo in relazione alle spe- vento di retrofit. Alle soluzioni considerate più
zioni tecniche definite. Ogni soluzione consiste cifiche esigenze, come il numero massimo di adeguate dal solutore evolutivo è stato asse-
nella combinazione di un elemento di chiusura generazioni o di individui per generazione, op- gnato un costo parametrico18, comprensivo
verticale, di chiusura orizzontale e di chiusura pure definire un intervallo di tempo limite. A della quota relativa agli interventi di manuten-
trasparente. Le combinazioni possibili sono 16, causa delle performance dell’hardware utilizza- zione (Figg. 11-13). Le tre soluzioni risultate
ma non è esclusa la possibilità di implementare to, Octopus è stato impostato per ridurre la maggiormente adeguate e derivate da tre di-
una più ampia gamma di soluzioni. Le Fitness complessità del calcolo, limitando il processo verse generazioni sono state confrontate se-
scelte quali parametri preferenziali del calcolo di analisi unicamente al 7 agosto, giorno identi- condo diversi aspetti: prestazioni al 2018,
evolutivo corrispondono ai valori medi di Coo- ficato quale mediamente più caldo del 2018. prestazioni al 2080s e costo dell’intervento
ling e PMV, ottenibili adoperando le differenti Altri limiti riguardano il numero di soluzioni tec- (Fig. 14). L’alternativa per il retrofit tecnologi-
combinazioni di soluzioni tecniche. Tali variabili niche, l’impostazione di due soli valori di Fit- co ed energetico che risulta essere la miglio-
sono preferite in quanto i consumi del raffresca- ness e il limite a 30 generazioni. re appartiene alla Generazione 29, dimostra-
mento risultano maggiori rispetto al riscalda- Risulta importante sottolineare che il solu- tasi più efficiente nel lungo periodo, capace
mento invernale, mentre il PMV fa riferimento al- tore evolutivo non prende decisioni. Un pro- di garantire buone prestazioni termiche alla
la sensazione di comfort percepita dagli utenti. cesso digitale di ottimizzazione serve a infor- condizione attuale e con un costo d’interven-
Il calcolo evolutivo di Octopus rende possi- mare delle scelte il progettista, operando un’a- to che risulta medio.
bili valutazioni quantitative multi-criteriali altri- nalisi quantitativa dei risultati e lasciando al
menti complesse. Come ogni step del proces- decisore la valutazione sull’aspetto qualitativo. Conclusioni | Il processo presentato risulta for-
Figg. 3-6 | Operative Temperature, comparison between simulations; Energy consumption for heating, comparison between simulations; Energy consumption for cooling, comparison
between simulations; Predicted Mean Vote (PMV), comparison between the simulations.
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temente implementabile, anche grazie allo svi- fect socio-economic policies globally and in considered unvaried during the whole build-
luppo di nuovi strumenti di simulazione e all’in- which architecture1, framed in the wider con- ing’s lifecycle. This contribution focuses on a
cremento di tool che consentono l’interopera- struction sector, can play a fundamental role in simulative approach, based on the use of
bilità tra i differenti software. Tra gli sviluppi fu- the wished turnaround. The Intergovernmental parametric software to outline energy and
turi che questa metodologia può delineare vi Panel on Climate Change (IPCC) claims that technology retrofit actions of buildings, through
sono: la definizione di Schedule giornaliere del- these phenomenons are caused by human ac- a methodology replicable for urban and build-
le unità abitative, per una maggiore varietà di tivities. Among effects and causes of climate ing regeneration actions for mitigation and cli-
condizioni sociali (ad esempio, una famiglia di change, like the raising of 25% of ocean’s PH, mate adaption.
6 persone con 2 lavoratori diurni, 1 lavoratore the greenhouse gas concentration in the atmo-
notturno, 2 studenti e 1 neonato); la connes- sphere and the raising regularity of heatwaves, Urban context | The experimentation’s sub-
sione con strumenti BIM, per l’implementazio- the most relevant is global warming, which led ject is a building located in the eastern suburbs
ne all’interno di dinamiche di progettazione to the 1° C increase in temperature compared of Naples, in the area of Ponticelli, and belongs
coordinata (ad esempio, cronoprogrammi per to preindustrial levels2 (IPCC, 2018). In order to to the Extraordinary Program for Social Hous-
la fase di cantiere, modellazione di impianti, define evolution of future climate at year 2100, ing (PSER – Programma Straordinario di Edili-
strutture, ecc.); il data exchange e la verifica the IPCC (2015) outlined four macro-scenarios zia Residenziale), which was introduced to give
delle stratigrafie con strumenti IT che seguono depending on the greenhouse gas emission new housing possibilities to the displaced peo-
la normativa nazionale (ad esempio PAN 7.0, called RCP (Representative Concentration Path- ple afflicted by the terrible Irpina earthquake in
sviluppato da ANIT); la definizione di dati clima- ways), from the most optimistic RCP 2.6, which 1980; Ponticelli was among the most involved
tici derivanti da simulazioni ambientali dello expect an increase of mean global temperature areas, with the construction of a lot of new
spazio aperto tramite l’add-on DragonFly19, under 1.5-2 °C, to the most catastrophic RCP building blocks. The program was conceived
che permette di rendere più attendibili le ope- 8.5, with a warming of almost 5 °C. to un-marginalizing Ponticelli, with buildings
razioni di simulazione energetica mediante un In response to the goals established in the believed to be vanguard in both architectural
approccio di tipo site specific. COP 24 of 2018 – in which the reduction of spaces and in the technology employed. The
Il modello di simulazione/analisi elaborato, greenhouse gas has been stated as a global flaws in the plan, alongside the low quality of
seppure con i limiti dichiarati, può costituire target to contain global warming under 1.5 °C construction process, prevented this goal to
uno strumento utile nella gestione dei processi – the construction sector will contribute signifi- come true (Bianchi, 1986), and in fact, Ponti-
di simulazione prestazionale-energetica degli cantly to CO2 emission reduction through cli- celli is still a peripheric area, disconnected and
edifici; infatti, rispetto gli stumenti presenti oggi mate-adaptive urban renewal actions. In par- marginal. The neighbourhood in which subject
sul mercato, esso si caratterizza per una ge- ticular, in Italy, the response to these phe- building is located lacks totally of attractions,
stione olistica dei comportamenti dell’ambiente nomenons can start from the low-quality hous- both commercial or public, and knows a com-
costruito, delle interazioni ambientali e degli ing construction built between the ‘70s and plete absence of ordinary and extraordinary
scambi termici tra edifici e spazi aperti, met- the first ‘90 of the last century, in which re- maintenance.
tendo in campo le differenti componenti che quests related to emergency, cheapness, and The buildings are nowadays deficient on
concorrono alla determinazione delle presta- therefore to construction celerity prevailed3, al- both distributive-functional level and technical
zioni di benessere all’interno dello spazio urba- ready now inadequate in offering proper com- one, expressing the need of a performance ad-
no. Inoltre, il modello di analisi/simulazione pre- fort conditions. In these cases, the adopted justment related to wellness and energy con-
sentato si connota per l’ampia gamma di pos- technical and building solutions are insufficient sumption control; in fact, the heavy prefabrica-
sibilità d’integrazione e di modifica continua, for energy performance, and the only way is tion building systems are the legacy of a cul-
oltre che per la facile replicabilità processuale, building renewal through actions of technology ture and technology considered already out-
tutti obiettivi primari e guida per la sua messa a and energy retrofit. dated during their construction, as proved by
punto soprattutto grazie ai recenti strumenti IT, Evolution and development of this practice the scarce durability and the advanced decay
ormai indispensabili nella gestione di operazio- made possible the analysis of the building’s state of elements which compose the con-
ni di riqualificazione e rigenerazione urbana cli- energy performance during the design phase. structive system. Concerning aggregation ty-
ma-adattiva che rappresentano la sfida centra- The simulation of energy consumption and pology, one of the most frequent in the Ponti-
le per le politiche tecniche, economiche e so- thermo-hygrometric conditions allow to ad- celli area is the ‘open courtyard’ (Corsi and
ciale dei prossimi anni. dress interventions towards the improvement Frano, 1991), composed by a maximum of a
of inhabitants’ wellness. For these analyses, a four-storeys building with one or two tower
lot of contest-related data are requested, such buildings (Fig. 1). This aggregation, together
as air temperature, relative humidity, wind with an environmental context without quality
The climate change is the most important chal- speed, solar irradiation etcetera, but, due to and green, contributes to the urban tempera-
lenge of recent history, whose implications af- climate change, contest climate data can’t be ture increasing (a phenomenon known as Urban
Fig. 7 | Technical solutions – Vertical closures. Solutions with internal insulation and solutions with external insulation have been provided; for each type of intervention, a low and a
hard solution was provided, the latter providing the replacement of the existing infill, specifically, the prefabricated reinforced concrete panels, with cellular concrete blocks.
Fig. 8 | Technical solutions – Horizontal closures. The two considered options provide an external isolation and a cool-roof system to lower surface temperatures and insulate from
the inside, both using wood fibre.
Fig. 9 | Technical solutions – Transparent closures. The two alternatives differ in both material and type: the first consists of an aluminium thermal break double glazing window, the
second in a wooden window with low-emissivity double glazing; both solutions allow energy savings at different prices and with different results.
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Heat Island). The chosen subject building is rep-
resentative of the exposed criticalities, and some
others spread all over the national territory.
Adaptive parametric design methodology
for building retrofit | This article’s goal is to
define, through a methodology based on para-
metric design, energy and technology retrofit
interventions for an example building, taking in-
to account the response to future effects of cli-
mate change. The digital workflow takes place
in the parametric environment of Grasshop-
per4, plug-in of a 3D modeling software (Rhi-
noceros5), in which is possible to manage the
huge data and input stream necessary to the
develop of an algorithm that can analyze si- Fig. 10 | The evolutionary solver Octopus brings together the Genes, generating a large number of solutions with in-
multaneously data related to geometric and creasing efficiency: the graph shows how Octopus graphically represents the solutions found, each of which is a point
constructive features of the building, the one in a space whose coordinates correspond to the fitness functions.
related to climate and micro-climate, and the
shading factors operating in the urban context
(Fig. 2). The tools used to manage this data dybug; the add-on directly downloads the EPW the correspondence of retrofit actions to future
are two add-ons: Ladybug, for climatic data file from an online database. climate, specifying the simulation’s analysis
import6, and Honeybee7, for the running of B) Context modeling: the urban context is mod- period, that can be annual, monthly or daily.9
the energy design process and the connection elled in Rhinoceros using simple volumes for re-
of the data flow to the energy simulation en- ducing EnergyPlus calculation’s complexity. Results comparison | Would the process stop
gine EnergyPlus.8 C) Computing shading: the context volumes here, after EnergyPlus simulation, its utility
A parametric-algorithmic approach can are set in HoneyBee add-on as Context Sur- would be only the knowledge of the building’s
guarantee the use of tools that can both gather faces; during simulation, EnergyPlus will take response to climate conditions expressed by
data and measure the effectiveness of pro- into account of projected shadows for adjust- EPW file for Naples city in 2018. To study cli-
posed interventions, easing interpretation of the ing surface and indoor temperature of the mate change adaption, these data have to be
result through a deep connection between start building, affecting comfort and energy con- compared to future ones, when global warm-
conditions and definition of retrofit actions. Fur- sumption; for a greater accuracy, balconies ing effects will be worse, more evident than
thermore, this approach is completely flexible and cornices are included in this calculation. now. The import of a modified climatic file – i.e.
and replicable in different contexts and condi- D) Zone modelling: the building has been divid- subject to morphing operation according to
tions. Each element of the process (climatic ed into 25 thermal zones, called HBZones, the several scenarios of climate projection10 –
data, materials, building shape, etc.) can be grouped by homogeneous climatic features, is representative of a possible and future cli-
quickly updated with different or more accurate which represent flats, stairs, roof, attic and matic condition11 (Troup and Fannon, 2016).
information, without compromising the process ground floor spaces; HBZones are the funda- In this case, the process allows to projection in
itself. Being response to climate change a mul- mental unity of the process. a probable future a building from the 1980s
ticriteria issue, high-level flexibility of project al- E) Transparent surfaces: windows are created and defining its performance levels regarding
ternatives is required. In this software environ- after the zone definition with the Add Glazing energy consumptions and indoor comfort.
ment, is possible to check the solutions provid- Object component; Honeybee allows the de- The choice made is running simulations of
ed without going out the process itself, so that sign of windows on the HBZones external sur- present-day building’s conditions following
the designer can know the pros and cons of faces, enabling the control of parameters such the RCP 8.5 scenario12 of the thirty-years
each solution. Being this a highly-experimental as distribution, distance, etc. 2080s13, the limit-condition for stressing sub-
process, not all data or possible definitions to F) Materials: Every material used in the building ject building with and without retrofit actions
represent reality have been taken into account. is saved as EPMaterial into a specific HoneyBee that reflect modern technology and standards.
The exclusions from the methodological pro- library, with its features, such as name, thick- Comparing the original EPW with the morphed
cess have been chosen from the beginning, in ness, specific heat, density and conductivity. one, it is intuitively clear the difference between
favour of a fluid algorithm. G) Courses: the add-on Honeybee can assign the climatic conditions of 2018 and 2080s. An-
The interventions included in the process to the HBZones surfaces the combinations of nual mean temperature raising of 3 C° will have
are related only to the building envelope, keep- several EpMaterials, called EPConstruction. It terrible repercussions on population and urban
ing out the architecture and morphology trans- is possible to assign a single EPConstruction ecosystem’s health, making comfort and ener-
formations of the buildings, such as windows to some surfaces that share some features (for gy-saving necessities vital for the buildings.
addition/subtraction, volume enlargement, modi- example, all vertical external surfaces, all win- After this premise, the simulations’ outputs
fication of the spatial and functional layout, and dows, etc.) or customizing zone’s surfaces on that measure energy consumption for heating
intended use changes. For the same reason their own. and cooling and perceived comfort of the sub-
and the calculation’s simplification, detailed H) HVAC and schedule: interventions will be ject building’s flat have been compared, sup-
modelling of new and better plants for heating only on the envelope, considering the existing posing the following future data.
and cooling has been excluded among possi- plant: gas-powered steel heather and fan coil A) Operative Temperature14 (°C): takes into
ble interventions. Also, the systems for the for cooling. The schedule describing the occu- account air temperature, temperature radiat-
production of renewable energy, that could af- pancy of the flat takes into account a 4 people ing from surfaces and wind speed; in the
fect relevantly the energy balance, have been family (one worker, two students, one unem- 2080s, the temperature of all surfaces will rise
excluded because they could complicate data ployed) for each flat and consider people’s ab- of 2-3 C°, with higher values for the roof, while
elaboration. Some strategies, like rainwater’s sence during both summer and winter holidays. inside the flat the rising will be between 0.5
recycling, or technological solutions, like a I) Simulation: all HBZones features added in and 1 °C (Fig. 3).
green roof, could not be read by the software. the previous steps contribute to EnergyPlus B) Heating (KWh/m2): given that the plants
The algorithm process has been developed in simulation through Honeybee interface; out- consist in gas-powered steel heather and that
the following steps. puts will be useful to understand the tempera- global warming will make winters slightly
A) Climatic data import: context-specific climat- ture raising’s consequences due to climate warmer, in the 2080s there will be a saving of
ic data are imported in EPW format through La- change during the building life and to check 58% compared to 2018 (Fig. 4).
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Figg. 11-13 | Solution A, from Generation 14 of 29; Solution B, from Generation 21 of 29; Solution C, from Generation 29 of 29.
Fig. 14 | Comparison between the three best solutions: in blue is highlighted the solution with the best ratio between cost and effectiveness in the 2080s. Some technical solutions
have not been selected in any of the three best solutions.
C) Cooling (KWh/m2): with the fan coil plants mine if a solution is suitable are called fitness. It is important to highlight that evolutionary
seen above, the outputs show that in the Octopus considers better solutions among solver does not make choices. A digital opti-
2080s the subject building will consume al- ones that optimize those parameters (Fig. 10). mization process informs the designer’s choic-
most three times the energy spent in 2018, The Genes that Octopus will combine are es, elaborating a quantitative analysis of re-
+240% (Fig. 5). the outlined technological solutions. Each solu- sults, leaving to the designer the evaluation of
D) Predicted Mean Vote (PMV15): winter cold, tion will consist of a combination of a vertical quality. Other possible factors that could be
although mitigated by global warming, is per- closure, horizontal closure, and transparent clo- taken into account are the greenhouse gas
ceived very much at the 3th floor, arriving at -3 sure. The possible combinations are 16, but a emission, time and specifics of the construc-
value in northern flats, while during summer wider range of solutions is possible. The fitness- tion site, and solution’s parametric cost. This
period is predicted an increase of at least +1 es chosen as evolutionary calculation’s prefer- last factor was chosen as an additional vari-
for almost all flats; the temperature raising will ential parameters are the mean values of Cool- able for retrofit action. To the solutions consid-
be highly perceived indoor (Fig. 6). ing and PMV, obtained through the different ered the fittest by the evolutionary solver was
Simulations’ output comparison allows the combinations. These values are the most rele- assigned a parametric cost18, inclusive of a
outlining of several typologies of technical solu- vant because cooling consumptions are much maintenance-related share (Figg. 11-13). The
tions for energy and technology retrofit – tai- higher than heating and because PMV express- three most fit solutions from three different
lored to the subject building and its environ- es the comfort feeling perceived by occupants. generations were compared in several levels:
mental and microclimatic context – split ac- The evolutionary calculation of Octopus 2018 performance, 2080s performance and
cording to the technological classification of makes quantitative multicriteria evaluations oth- interventions cost (Fig. 14). The best energy
building system16. Each technical solution pre- erwise very complex. As every process’ step, and technology retrofit alternative belongs to
dicted was introduced after test and optimiza- evolutionary solving too can be implemented in Generation 29, for its long-term high effective-
tion, in response to specific needs derived by several ways. It is possible to add new Genes, ness and its good present performances for a
the simulation output and as a part of a wider for example, more technological interventions, medium intervention cost.
range of solutions (Figg. 7-9). and new Fitness, to widen the calculation’s
horizon and get more valuable solutions. The Conclusions | This process is highly imple-
Parametric and algorithm definition of the designer can act on several factors that affect mentable, thanks to the wide range of new
technical solution for the retrofit | The opti- the calculation for specific needs, such as a tools for simulation and interoperability be-
mal combination of solutions were identified maximum value for the number of generations tween different software. Among future devel-
with the component called Octopus17, a or for the individuals per generation or setting a opment potentially outlined by this research
Grasshopper add-on, that applies genetic evo- time limit for the elaboration. Given the perfor- there are: setting of daily flats’s Schedule rep-
lution principles to complex problem-solving. mance of the hardware used for the experi- resentative of different social conditions (for ex-
Problems’ variables are considered as Genes, mentation, Octopus was set to reduce calcula- ample, a 6 people family consisting in 2 day
combined to get Individuals, i.e. solutions. tion complexity, limiting the analysis process to workers, 1 night worker, 2 students, 1 baby);
Each generation of solutions is elaborated by 7th august alone, the hottest mean day of the connection with BIM tools for coordinated
the software as more fit than the previous, in- 2018. Other limits were related to the amount design dynamics (construction timetable, mod-
cluding partial past genes retrieve and their of technical solution, the setting of only two fit- eling of plants, structure etc.); the data ex-
possible mutations. Parameters used to deter- ness and the automatic stop at generation 30. change and courses checking with IT tools fol-
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lowing national regulation (for example PAN holistic management of built environment be- for the actions of climate-adaptive urban re-
7.0, developed by ANIT); the integration into havior, of environmental interactions and ther- generation and renewal, that represent the
the climatic data of environmental simulation of mal exchanges between indoor and outdoor, main challenge for technical, social and eco-
outdoor space made through the DragonFly putting together the different elements com- nomic policies of the next years.
add-on19, which allows more accurate energy posing the wellness performance in the urban
simulation with a site-specific approach. space. Furthermore, this analysis/simulation
The developed model of simulation/analy- model is characterized by the wide range of in-
sis, although with the stated limitations, can be tegrations and possible updates, as well as for
a useful tool in the managing of energy-perfor- the easy process replicability, all primary goals
mance simulation processes for buildings; in for its outlining mostly thanks to the recent IT
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