Sviluppare un edificio perfettamente efficiente dal punto di vista energetico è relativamente facile da realizzare, se non si dà agli occupanti dell'edificio alcun controllo sul proprio ambiente. Dal momento che nessuno vuole quel tipo di edificio, Il professor Christoph Reinhart ha concentrato la sua carriera sulla ricerca di modi per rendere gli edifici più efficienti dal punto di vista energetico tenendo conto delle esigenze degli utenti.

"A questo punto nella progettazione degli edifici, la più grande incertezza deriva dal comportamento degli utenti, "dice Reinhart, che dirige il Sustainable Design Lab del Dipartimento di Architettura del MIT. "Una volta compreso il flusso di calore, è una scienza molto esatta vedere quanto calore aggiungere o togliere da uno spazio".

Formatosi in fisica, Reinhart è passato all'architettura perché voleva applicare i concetti scientifici che aveva imparato per rendere gli edifici più confortevoli ed efficienti dal punto di vista energetico. Oggi, è noto a livello internazionale per il suo lavoro in ciò che gli architetti chiamano "luce diurna" - l'uso della luce naturale per illuminare gli interni degli edifici - e l'analisi delle prestazioni ambientali degli edifici a livello urbano. Gli strumenti di progettazione emersi dal suo laboratorio sono utilizzati da architetti e urbanisti in più di 90 paesi.

Il lavoro del Sustainable Design Lab ha prodotto anche due società spin-off:Mapdwell, che fornisce analisi costi-benefici individualizzate per l'installazione di pannelli solari; e Solemma, che fornisce strumenti di analisi ambientale come DIVA-for-Rhino, un componente software di modellazione energetica e di luce diurna altamente ottimizzato. Reinhart è cofondatore e consulente per lo sviluppo strategico di Mapdwell, ed è amministratore delegato di Solemma.

Nonostante tutto, la fisica è rimasta un sostegno centrale. "Tutto ciò che sviluppa il nostro laboratorio si basa innanzitutto sulla fisica, "dice Reinhart, che ha conseguito un master in fisica presso la Albert Ludwigs Universität di Friburgo, Germania, e Simon Fraser University di Vancouver, Canada.

Design informato

Un ambientalista per tutta la vita, Reinhart afferma di essere stato ispirato a studiare architettura in parte dal lavoro del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, che ha costruito una casa solare completamente autosufficiente a Friburgo nei primi anni '90.

Mentre terminava la sua tesi di laurea, Reinhart dice, ha anche letto un articolo che suggeriva che caratteristiche come il colore possono essere più importanti delle prestazioni per gli architetti che scelgono un sistema solare, un'idea che lo ha portato a trovare modi per consentire agli architetti di considerare l'estetica e le prestazioni ambientali dei loro progetti allo stesso tempo . Ha iniziato questo sforzo studiando l'illuminazione diurna presso l'Università tecnica di Karlsruhe, Germania.

La luce è incredibilmente importante dal punto di vista del design - gli architetti parlano di "dipingere con la luce" - ma ci sono anche importanti sfide tecniche legate all'illuminazione, come gestire il calore e l'abbagliamento, Reinhart dice.

"Hai bisogno di buoni modelli del cielo e hai bisogno di buoni strumenti di rendering per modellare la luce. Hai anche bisogno di informatica per renderla più veloce, ma queste sono solo le basi, "Reinhart dice, notando che il passo successivo è considerare come le persone percepiscono e usano la luce naturale. "Questo modo di pensare davvero sfumato è ciò che rende la luce del giorno così divertente e interessante".

Per esempio, i progettisti di solito realizzano edifici con tutte le persiane aperte. Se apprendono che le persone manterranno le tapparelle abbassate il 90% delle volte con un determinato design, è probabile che lo ripensino, Reinhart dice, perché "nessuno lo vuole".

Il software di analisi della luce diurna sviluppato dal team di Reinhart nel 1998 fornisce proprio questo tipo di informazioni. Conosciuto come DAYSIM, è ora utilizzato in tutto il mondo per modellare la disponibilità di luce diurna annuale all'interno e intorno agli edifici.

Reinhart ha anche pubblicato libri di testo sull'illuminazione diurna:"Daylighting Handbook I:Fundamentals and Designing with the Sun" è stato pubblicato nel 2014, e un secondo volume, "Manuale sull'illuminazione diurna II:simulazioni di luce diurna e facciate dinamiche, " è stato rilasciato lo scorso ottobre.

"L'illuminazione diurna è stata davvero la mia prima strada verso l'architettura, "Reinhart dice, notando che pensa che sia meraviglioso che il campo combini "scienza solida come una roccia" come la modellazione del cielo con domande più soggettive relative all'esperienza degli utenti, come:"Quando la luce del sole è una responsabilità?" e "Quando aggiunge interesse visivo?"

Insegnare e consigliare

Dopo aver conseguito il dottorato in architettura presso l'Università Tecnica nel 2001, Reinhart ha insegnato brevemente alla McGill University in Canada prima di essere nominato professore associato di architettura alla Graduate School of Design dell'Università di Harvard. Nel 2009, il forum studentesco lo ha nominato membro della facoltà dell'anno.

Nel 2012, è entrato a far parte della facoltà del MIT, dove di solito supervisiona sette o otto studenti laureati, di cui circa tre che lavorano sui loro dottorati. Spesso, ha anche studenti che lavorano nel suo laboratorio attraverso il programma di opportunità di ricerca universitaria. Diversi studenti laureati in informatica si sono rivelati particolarmente utili, lui dice.

"È incredibile quello che gli studenti del MIT possono implementare, " lui dice.

Reinhart è anche un istruttore, Certo, in particolare l'insegnamento 4.401/4.464 (Tecnologie ambientali negli edifici), che si concentra su come valutare l'efficienza energetica degli edifici.

"Non c'è niente di più divertente, specialmente in un'istituzione come il MIT, che insegnare questi concetti, " lui dice.

La MIT Energy Initiative (MITEI) sta ora lavorando per rendere questo argomento disponibile online tramite MITx, e la classe dovrebbe far parte di un certificato di laurea pianificato in energia, secondo Antje Danielson, Direttore didattico del MITEI.

Modellazione su scala urbana

Nel frattempo, Reinhart ha ampliato la propria ricerca fino a modellare l'uso dell'energia a livello di città. Nel 2016, lui e i suoi colleghi hanno presentato un modello energetico per Boston che stima la domanda di gas ed elettricità di ogni edificio della città e da allora il suo team ha valutato altre aree urbane.

Questo lavoro ha sottolineato per lui quanto sia importante il comportamento degli utenti per il calcolo del consumo di energia.

"Per un singolo edificio è possibile avere un'idea del comportamento degli utenti, ma se vuoi modellare un'intera città, quel problema esplode su di te, "Reinhart dice, notando che il suo team utilizza metodi statistici come la calibrazione bayesiana per determinare comportamenti probabili.

Essenzialmente, raccolgono dati sul consumo di energia e addestrano il computer a riconoscere diversi scenari, come l'energia utilizzata da un numero diverso di persone ed elettrodomestici.

"Lanciamo 800 comportamenti degli utenti su un campione di edifici, e poiché sappiamo quanta energia utilizzano effettivamente questi edifici, manteniamo solo quei modelli comportamentali che ci danno il giusto uso di energia, "Reinhart dice, spiegando che la ripetizione del processo produce una curva che indica gli usi più probabili degli edifici. "Non sappiamo esattamente dove siano le persone, ma a livello urbano, abbiamo capito bene".

Determinare il modo in cui l'energia viene utilizzata su questa vasta scala fornisce informazioni critiche per soddisfare le esigenze del sistema energetico nel suo insieme, Reinhart dice. Ecco perché Reinhart sta attualmente lavorando con Exelon Corporation, un importante fornitore nazionale di energia, per valutare il consumo di energia a Chicago. "Possiamo dire, promuoviamo questo tipo di aggiornamenti e garantiamo praticamente che questo è il modo in cui cambierà il carico energetico in un quartiere o per particolari sottostazioni, che è proprio quello che vogliono sapere le utility, " lui dice.

Il nesso cibo-energia-acqua

Recentemente, Reinhart ha anche iniziato a studiare modi per rendere la produzione alimentare più efficiente dal punto di vista energetico e sostenibile. Il suo laboratorio sta sviluppando un componente software in grado di stimare le rese alimentari, uso associato di energia e acqua, e le emissioni di carbonio che risultano per i diversi tipi di fattorie urbane.

Per esempio, l'agricoltura idroponica in container, un sistema di coltivazione del cibo senza suolo all'interno di qualcosa come un container, è ora promossa da aziende in alcune città, compresa Boston. Questo sistema utilizza in genere più elettricità rispetto all'agricoltura convenzionale, ma che il consumo di energia può essere più che compensato dalla ridotta necessità di trasporto, Reinhart dice. Già, Il team di Reinhart ha dimostrato che l'agricoltura su tetto e container su terreni disponibili a Lisbona, Portogallo, potrebbe teoricamente soddisfare la domanda vegetale totale della città.

Questo lavoro esplora il nesso tra cibo, energia, e l'acqua è solo il livello successivo di complessità per Reinhart in una carriera dedicata a spostare l'ago della sostenibilità. Fortunatamente, non è solo nel suo lavoro; ha inviato una schiera di giovani accademici nel mondo per lavorare su problemi simili.

Gli ex studenti laureati di Reinhart ora lavorano in università tra cui Cornell, Harvard, Siracusa, e l'Università di Toronto, e continua a collaborare con loro su progetti.

È come avere una famiglia in crescita, dice Reinhart, un padre di due. "Gli studenti non se ne vanno mai. È come i bambini."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.