UM ESTUDO DE CASO PASSO A PASSO:

A madeira laminada cruzada (CLT) está ocupando o centro do palco em um novo desenvolvimento de Boston que deve ser inaugurado ainda este ano. O 201 Hampden da Placetailor é um edifício Passive House com zero carbono, totalmente CLT, que trará 14 unidades de habitação a preços acessíveis e com preço de mercado para Dudley Square, em Boston, com a construção prevista para começar no final de 2022. Desenvolvimento, arquitetura e gerenciamento de construção da Placetailor As divisões trabalharam com a startup Generate Technologies do Massachusetts Institute of Technology para fornecer à região este edifício exemplar de uso misto e renda mista. 

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Há imensos benefícios em utilizar o CLT, apesar de ainda estar em sua infância como material de construção e de ser desconhecido para muitos funcionários do código de construção. Esses benefícios podem ser capturados melhor através das lentes do conceito de triple bottom line, que explora os impactos de um negócio ou produto no planeta, nas pessoas e na lucratividade. A Placetailor fundiu o conceito de triple bottom line e sua dedicação ao design Passive House para forjar sua prática de “Future Housing”. 

Planeta

O CLT utilizado em 201 Hampden é processado com madeira extraída de forma sustentável nos Estados Unidos. A matéria-prima é fabricada em painéis laminados cruzados ou tiras de madeira que são comprimidas entre si. Para este projeto em particular, a equipe está utilizando cicuta oriental recuperada que foi vítima recente de uma praga; testes estruturais e de incêndio estão sendo feitos nos painéis CLT feitos a partir deste estoque. 

A própria natureza do material atua como um recipiente de armazenamento de carbono a longo prazo. Ao utilizar o CLT como componentes estruturais de um edifício, a necessidade de concreto e aço é eliminada ou bastante reduzida. Esta escolha de material reduziu substancialmente a pegada de carbono em 201 Hampden, essencialmente transformando o edifício em um sumidouro de carbono. 

Além disso, o CLT fornece propriedades térmicas surpreendentemente benéficas para montagens externas, além de ser um componente estrutural. Enquanto o valor R estrito é muito baixo para madeira e é apenas R-6 por painel CLT na montagem de parede típica deste projeto, a massa térmica da madeira maciça reduz a quantidade de momentos potenciais de ponte térmica e ajuda a normalizar as temperaturas internas . Considere uma cabana de madeira, que pode ter apenas um valor R de parede geral de 6, mas ajudou muitos a sobreviver em climas frios. Graças ao CLT e às camadas de isolamento externo contínuo, o 201 Hampden funcionará como uma cabana de madeira de última geração. Como bônus extra, a massa térmica do CLT permite minimizar a espessura do isolamento externo,

Pessoas

O design biofílico atesta que os seres humanos têm um desejo inato de se conectar com a natureza ou elementos que nos lembram de ambientes naturais. O CLT, com textura e acabamento de grão de madeira, impactará os indivíduos, proporcionando uma sensação visual e tátil de estar cercado por espécies de plantas lenhosas. Além de ter uma aparência física calmante, o material é saudável para o ambiente interno. O CLT é um material seguro para interagir porque não emite níveis inseguros de compostos orgânicos voláteis (VOCs) – um requisito crítico para alcançar condições seguras de ar interno e certificação Phius. Em 201 Hampden, a equipe de projeto optou por expor a estrutura CLT ao ambiente interno o máximo possível. Essa escolha reduziu a necessidade de materiais e tintas adicionais, o que, em última análise, reduz o número de VOCs emitidos. 

Comunidades marginalizadas são frequentemente impactadas mais severamente pelas múltiplas crises de hoje, seja a crise climática, a crise da saúde, a crise habitacional ou a crise de deslocamento causada pelo desenvolvimento desigual. Ao utilizar um material como o CLT em um projeto de renda mista no coração de Roxbury, nos aproximamos do crescimento equitativo do bairro, criando um desenvolvimento onde pessoas de todos os níveis socioeconômicos podem se beneficiar dos benefícios psicológicos e fisiológicos do CLT e participar da redução proativa de sua pegada de carbono.

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Lucro

O CLT provou ser um material de construção benéfico por sua construtibilidade e facilidade de montagem. Conforme mencionado anteriormente, o CLT pode substituir a necessidade de outros materiais estruturais, quando planejado adequadamente. Isso reduz a necessidade de mais profissionais envolvidos em um projeto, simplificando a coordenação do canteiro de obras. O processo de construção em painéis pré-fabricados agiliza o projeto e reduz o cronograma geral.

Embora essa primeira incursão no CLT tenha custado uma curva de aprendizado para o Placetailor, as lições aprendidas podem ser aplicadas a edifícios mais altos, onde o CLT pode substituir a construção de aço típica com uma relação custo-benefício consideravelmente maior. Durante o projeto, a equipe também foi apresentada a start-ups que estão trabalhando para incentivar a seleção de madeira em massa por meio da intermediação de créditos de carbono. A economia impulsiona muito e, portanto, esse tecido conjuntivo financeiro será, sem dúvida, inestimável para transformar a indústria da construção em materiais neutros em carbono. 

Futura Habitação

Na Placetailor, projetamos e construímos exclusivamente para os padrões Passive House, net zero-energy ou net zero-carbon por mais de uma década. Descobrimos que a maioria das pessoas que procuram uma casa está menos preocupada com uma certificação de sustentabilidade específica e, em vez disso, está mais preocupada se suas casas podem facilitar seus estilos de vida com zero carbono. Eles querem saber que foi desenvolvido com o apoio da comunidade, por empresas da comunidade e por designers e construtores da comunidade que podem continuar vivendo na comunidade. Eles querem saber que é saudável e confortável. Tudo isso, quando alcançado de forma consistente ou abaixo da taxa de mercado, chamamos de Future Housing.

Phius tem sido uma estrela guia em nossa definição contínua e em evolução de Future Housing. O punhado de princípios e metas críticas fornece um caminho claro não apenas para reduzir o uso de energia, mas também para os benefícios auxiliares de saúde, conforto e atenuação sonora que completam o núcleo do nosso padrão Future Housing. (Para aqueles que não estão familiarizados com os requisitos da Phius, para obter a certificação, um projeto deve cumprir os requisitos do programa Energy Star e Indoor AirPLUS da EPA dos EUA, bem como os do programa Zero Energy Ready Home do DOE dos EUA e as métricas típicas da Passive House.) Assim, embora nem todos os nossos projetos tenham sido certificados, todos os projetos estão ao nosso alcance e todos os projetos desde o nosso início em 2008 excederam as metas de redução de energia do AIA 2030 Challenge. 

Processo de design

Nosso Future Housing começa na concepção do projeto, garantindo que clientes e investidores estejam cientes e a bordo com nossa missão de atingir os padrões de Passive House. Com a comunicação aberta e o entendimento estabelecido, o processo de design começa. Quando o 201 Hampden iniciou a fase de projeto esquemático, nosso consultor certificado da Passive House (CPHC) revisou os requisitos da Phius com o arquiteto do projeto para garantir que eles fossem incorporados no início do processo de projeto. A modelagem e análise completas de energia permitem que a equipe de projeto tome decisões informadas. 

O que se segue é um detalhamento processual do processo de projeto integrado da Placetailor Elton Hampton Design (PTEH) começando com a análise preliminar e terminando com a modelagem de energia simulada. Para orientação, o projeto está localizado em Boston, Massachusetts, que está situado na zona climática 5. Este é um clima dominado pelo aquecimento com baixos níveis de umidade externa no inverno. 

Análise preliminar

As etapas 1 e 2, realizadas durante a fase de análise inicial, podem ser realizadas sem a necessidade de um software de modelagem de energia, tornando-o acessível a todos. As etapas 3 e 4 requerem um software de análise de energia de luz que seja intuitivo para um usuário final aprender e implementar. 

Etapa 1 . A análise começa com cálculos volumétricos e de área de superfície, especificamente razões de superfície para volume (SVR) e cálculos de fator de forma de perda de calor (HLFF). SVR é uma medida da eficiência do volume de massa do projeto de um edifício (veja a Figura 1). O cálculo é feito tomando a soma de toda a envoltória do edifício e dividindo-a pelo volume bruto do edifício (área de envoltória/volume bruto). A faixa de proporção ideal é de 0,24 a 0,3. 

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figura 1

O HLFF mede a compacidade de um edifício. Quanto mais compacto for um edifício, menos isolamento é necessário para atingir as metas de redução de energia do edifício. Inversamente, quanto menos compacto for um edifício, ou quanto maior o HLFF, significa que ele é menos eficiente e mais isolamento será necessário. O cálculo é realizado tomando a área de piso condicionada interior e dividindo-a pela soma de toda a área de envoltória do edifício (iCFA / área de envoltória). A meta ideal é igual ou inferior a uma razão de 2,5. 

Quando esses cálculos foram processados ​​para Hampden, o projeto falhou em estar dentro de uma faixa aceitável para SVR, mas teve um desempenho muito bom para a razão HLFF. 

Esses resultados sinalizaram para a equipe de projeto que Hampden tem uma boa relação entre a área do piso interno e a área do envelope externo, mas que a forma do volume do edifício não é eficiente. Hampden tem a forma de um triângulo, que é uma das formas volumétricas menos eficientes. Isso significa que o edifício exigirá mais energia para aquecer e resfriar o espaço. Alternativamente, dinheiro inicial adicional pode ser gasto em montagens e sistemas mais robustos para compensar isso.

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Figura 2

Etapa 2 . Calcular a relação janela-parede de um edifício é outro meio acessível de projetar um edifício eficiente. Como regra geral, é ideal direcionar 18-20% da área envidraçada para a parede em todo o edifício (consulte a Figura 2). A quantidade de envidraçamento recomendada por orientação de fachada depende da localização, além do tipo de projeto. Se o projeto estiver localizado em um clima predominantemente de aquecimento, seria benéfico instalar mais janelas na fachada sul e menos na fachada norte. Isso ajudará a utilizar melhor o ganho de calor solar na fachada sul e mitigar a perda de calor na fachada voltada para o norte. Para atingir as metas de redução de energia do edifício, a equipe de projeto pode precisar especificar diferentes coeficientes de ganho de calor solar de vidro (SHGCs) para orientações de fachada individuais.

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Figura 3

Etapa 3 . Esta parte da análise de energia utiliza um plug-in do Autodesk Revit chamado COVE.tool. A Figura 3 é um diagrama de exposição solar que mostra a quantidade média de sol que uma superfície recebe ao longo do ano. A fachada verde, voltada para o leste, está recebendo a luz do sol da manhã, gerando uma taxa de exposição solar de 50%. A fachada sudoeste, de cor predominantemente amarela, está exposta ao sol do meio da tarde e está recebendo 80% de exposição solar. Essa análise informou à equipe de projeto que janelas com SHGC mais baixo, como 0,25, devem ser especificadas para a fachada sudoeste para reduzir a quantidade de ganho de calor solar. 

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Figura 4

A Figura 4 é um diagrama de Autonomia Espacial da Luz do Dia. Está mostrando a transmitância da luz visível dentro das unidades residenciais. A área do piso mais próxima das janelas está recebendo uma quantidade desconfortável de luz, indicada pelos azulejos vermelhos e laranja. Isso sugere que a equipe de design poderia reduzir a porcentagem geral de vidros e ainda manter uma quantidade confortável de luz do dia interior. Quando os ambientes internos recebem luz excessiva, os tecidos podem ficar descoloridos pelo sol e o brilho da superfície pode afetar o conforto dos ocupantes. 

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Figura 5

Etapa 4 . Esta etapa consiste em analisar a produção fotovoltaica (PV) no local. Isso é calculado por meio de uma ferramenta de software on-line chamada Helioscópio (consulte a Figura 5). Muitas vezes, com projetos multifamiliares de médio a grande porte, não será possível cobrir todo o consumo de energia do edifício com energia solar no local. É o caso de Hampden. Nesses casos, é bom direcionar uma saída fotovoltaica grande o suficiente para cobrir as cargas elétricas diversas de um edifício.

Modelagem de Energia Simulada

Etapa 5 . Esta fase de modelagem de energia robusta começa no projeto esquemático e continua na documentação de construção. A modelagem de energia às vezes se estende até a fase de administração da construção, se houver pedidos de mudança ou esforços de engenharia de valor posteriormente no projeto. O PTEH utiliza o software WUFI Passive para análise avançada de condições hidrotermais, ao mesmo tempo em que leva em consideração o sombreamento, a luz do dia e o clima. 

Antes que o projeto esquemático termine, o CPHC conduzirá um estudo de viabilidade que modela três estudos de caso diferentes usando o WUFI. Isso permite uma comparação cruzada de diferentes opções de montagem e sistema mecânico, elétrico e hidráulico (MEP). O CPHC apresenta essas opções ao cliente e à equipe de design em um ambiente colaborativo para avaliar os prós e contras de cada opção. 

Caso 1 . Código Design Mínimo . O primeiro modelo de energia é construído de acordo com os requisitos mínimos do código de energia local do projeto. Isso fornece à equipe de projeto e ao cliente uma compreensão básica de como seu edifício funcionaria se nenhum conceito de Casa Passiva fosse levado em consideração. 

Caso 2 . Conjunto de desenho arquitetônico . O segundo estudo de caso WUFI será modelado com base na narrativa do arquiteto para montagens e sistemas. Normalmente, a narrativa do arquiteto atende ou supera os requisitos mínimos do código energético. 

Caso 3 . Casa Passiva . O último modelo de energia é projetado para certificação Passive House. Isso pega a narrativa do projeto do arquiteto e a aprimora para atingir as metas de redução de energia. 

Os critérios de redução de energia específicos para 201 Hampden estão listados aqui. Esses números são determinados pela Phius e personalizados para o design e localização do 201 Hampden. 

Critérios de design de alvo da casa passiva de Hampden:

DEMANDA DE AQUECIMENTO: 4,6 kBtu/sf/ano 

DEMANDA DE REFRIGERAÇÃO: 5,4 kBtu/sf/ano 

CARGA DE AQUECIMENTO DE PICO: 3,8 Btu/hr/sf

CARGA DE REFRIGERAÇÃO DE PICO: 2,7 Btu/hr/sf

CONSUMO DE ENERGIA DA FONTE: 4.683 kWh/pessoa/ano

Abaixo está o desempenho de Hampden em cada um dos três diferentes cenários de estudo de caso. O texto verde indica números que atendem ou excedem os requisitos Phius, enquanto o texto vermelho indica pontos de falha. 

CASO 1 – Código Design Mínimo

DEMANDA DE AQUECIMENTO: 6,75 kBtu/ft2yr 

DEMANDA DE REFRIGERAÇÃO: 2,64 kBtu/ft2yr

CARGA DE AQUECIMENTO DE PICO: 7,8 Btu/h ft2

CARGA DE REFRIGERAÇÃO DE PICO: 2,93 Btu/h ft2

CONSUMO DE ENERGIA DA FONTE: 5.583 kWh/pessoa/ano

CASO 2 – Conjunto de Desenhos Arquitetônicos

DEMANDA DE AQUECIMENTO: 2,43 kBtu/ft2yr 

DEMANDA DE REFRIGERAÇÃO: 4,36 kBtu/ft2yr

CARGA DE AQUECIMENTO DE PICO: 3,89 Btu/h ft2

CARGA DE REFRIGERAÇÃO DE PICO: 3,12 Btu/h ft2

CONSUMO DE ENERGIA DA FONTE: 3.667 kWh/pessoa/ano (com instalação fotovoltaica)

CASO 3 – Casa Passiva

DEMANDA DE AQUECIMENTO: 1,46 kBtu/ft2yr 

DEMANDA DE REFRIGERAÇÃO: 3,63 kBtu/ft2yr

CARGA DE AQUECIMENTO DE PICO: 3,24 Btu/h ft2

CARGA DE REFRIGERAÇÃO DE PICO: 2,59 Btu/hr ft

CONSUMO DE ENERGIA DA FONTE: 3.566 kWh/pessoa ano (com instalação fotovoltaica)

O 201 Hampden teve um bom desempenho no cenário do Caso 2 devido ao arquiteto e à equipe de projeto utilizarem uma montagem robusta e suposições do sistema. Portanto, muito pouco teve que mudar para satisfazer os critérios da Passive House no Caso 3. As atualizações no modelo do conjunto de desenhos arquitetônicos para alcançar a Passive House incluíram uma redução no número de janelas, um sistema HVAC de maior desempenho e pequenas alterações nos valores R da montagem .

Em muitos casos, a modelagem de energia pode ser usada como uma ferramenta de economia de custos, ajudando as equipes a definir a quantidade exata de isolamento e desempenho necessários para atingir suas metas de casa passiva. Para 201 Hampden, o projeto foi capaz de reduzir a quantidade total de isolamento e janelas que a equipe de projeto havia especificado originalmente, proporcionando algumas economias de custos. 

Etapa 6 e além . Com o estudo de viabilidade concluído, o CPHC continua a colaborar com o arquiteto e a equipe de projeto para melhor detalhar montagens e sistemas construtivos que mantenham as metas dos critérios da Passive House. Abaixo estão as suposições atuais para as montagens de envelope de construção de 201 Hampden. Os componentes estão listados em ordem de fora para dentro (veja a Figura 6).

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Figura 6

Laje no grau :

-Pedra britada

-4 polegadas de placa de espuma rígida EPS de força de compressão

-Sob barreira de vapor de laje (isso também serve como barreira de ar)

– Laje de concreto de 4 polegadas na classe, polida e selada para acabamento final.

Parede de fundação :

-Placa de drenagem

-revestimento isolado classificado abaixo do grau com 3 polegadas de isolamento rígido, colado em todas as costuras (isso serve como barreira de ar)

– Impermeabilização aplicada a fluidos

– parede de fundação de concreto

-1 polegada de placa de isolamento rígido EPS interior entre tiras de furring

-duas camadas de gesso para classificação de fogo.

Parede Exterior, Tipo 1 :

– tapume por elevação

-sistema de fixação lateral

-Sistema ZIP isolado com 3 polegadas de isolamento rígido, colado em todas as costuras (isso serve como barreira de ar)

-revestimento

-6 painel CLT de 7/8 polegadas 

-2×3 cavidade de serviço interior com isolamento de lã mineral

-duas camadas de revestimento de gesso para classificação de fogo.

Parede Exterior, Tipo 2 :

– tapume por elevação

-sistema de fixação lateral

-Sistema ZIP isolado com 3 polegadas de isolamento rígido, colado em todas as costuras (isso serve como barreira de ar)

-revestimento

-2×6 pinos de madeira preenchidos com isolamento de lã mineral

-1 abertura de ar de 3/8 de polegada preenchida com isolamento de lã mineral

-2×3 cavidade de serviço com isolamento de lã mineral 

-duas camadas de revestimento de gesso para classificação de fogo.

Montagem do telhado :

-Membrana de cobertura TPO, soldada em todas as costuras.

– Tábua de fundo

-Isolamento EPS cônico com 6,5 polegadas de acúmulo no ponto mais baixo

-Barreira de ar contínua, gravada em todas as costuras

-6 painel CLT de 7/8 polegadas

Sistemas mecânicos, elétricos e hidráulicos

Todos os sistemas são totalmente elétricos, pois nenhum gás será utilizado neste projeto.

Sistema de ventilação mecânica . Os sistemas de ventilação devem ser balanceados ou dentro de uma diferença de pressão de 10% conforme especificado pela Phius. A análise de modelagem de energia passiva do WUFI informou à equipe de projeto que um sistema de ventilação de recuperação de energia semicentralizada (ERV) funcionaria com eficiência. Na zona climática 5, os ERVs são preferíveis aos sistemas de ventilação com recuperação de calor (HRV). Isso se deve à capacidade de um ERV de recircular a umidade de volta para o prédio, em vez de esgotá-la para o exterior, como faria um HRV. Essa capacidade é fundamental para manter o conforto dos ocupantes nos meses de aquecimento, quando a umidade relativa é muito baixa. Quando o ar interno fica muito seco, os ocupantes podem começar a sentir irritação no nariz, garganta e olhos.

Na Figura 7, o quadrado destacado em amarelo é o armário ERV com dutos de alimentação e exaustão mostrados para cada unidade e sala. Os ERVs estão localizados ao longo de uma parede externa para reduzir o duto de admissão e exaustão para o exterior. Quanto mais curtas forem essas execuções, mais eficiente será o funcionamento do sistema. Semicentralizado neste caso significa que o projeto está instalando um ERV por andar. Isso reduz as mudanças verticais e a necessidade de amortecedores de incêndio dentro do edifício. Também permite uma distribuição e execuções mais eficientes. A economia de custos resultante pode ser gasta em um ERV de maior desempenho. Estamos especificando um Topvex TR800 com filtros MERV 13 para o ar de insuflação e MERV 9 para o ar de exaustão. Topvex TR800 é certificado pela AHRI e CAS. 

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Figura 7

Sistema Mecânico de Aquecimento e Resfriamento. É necessário um termostato em cada unidade residencial para controlar os sistemas de aquecimento e refrigeração, permitindo maior conforto de ocupação e reduzindo o desperdício de aquecimento e refrigeração. Em Hampden estamos especificando um sistema descentralizado, com uma bomba de calor Ephoca por unidade residencial (veja a Figura 8). As bombas de calor serão colocadas na área comum das unidades, como na sala de estar. Para fornecer ar aquecido e resfriado aos quartos, todas as portas dos quartos serão rebaixadas em ¾ polegadas para permitir o fluxo de ar. Além de rebaixar as portas, serão instalados dutos de salto que levam a cada quarto. Os ventiladores do duto de salto serão ligados aos termostatos do quarto e acionarão quando a temperatura ambiente estiver acima ou abaixo do ponto de ajuste do termostato. Este método reduz a necessidade de bombas de calor adicionais por quarto.

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Figura 8

Sistema de encanamento . A equipa optou por um sistema centralizado de água quente sanitária com aquecimento por bomba de calor e depósitos de armazenamento. Devido aos layouts restritivos da planta baixa, não há espaço suficiente em cada unidade individual para acomodar um sistema descentralizado. A equipe de projeto especificou o aquecedor de água da bomba de calor SanCo2. Haverá quatro tanques de armazenamento de 119 galões no piso térreo em uma sala de armazenamento condicionada, conforme indicado pelos círculos amarelos na Figura 9. Os retângulos amarelos destacados são os condensadores externos da bomba de calor. Este sistema utiliza uma linha de refrigerante de CO2, que reduz a perda de calor do sistema e tem um baixo potencial de aquecimento global. Este sistema é classificado como Energy Star e possui um coeficiente de desempenho de aquecimento (COP) de 2,8 a 5,5, dependendo da temperatura externa. 

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Figura 9

Olhando para o futuro 

A equipe integrada se comprometeu com o uso do CLT para aprender e demonstrar – assim como fizemos em explorações anteriores de materiais, meios e métodos usados ​​em projetos anteriores da Future Housing. Embora tenha havido um custo para a curva de aprendizado, há benefícios claros em sua aplicação em outros projetos atuais e futuros. Particularmente para edifícios altos, o CLT é agora um material obrigatório para a equipe, porque a economia torna o custo competitivo com uma estrutura de aço. Os vãos tipicamente menores para espaços residenciais também oferecem oportunidades para reduzir as alturas de piso a piso sem sacrificar a altura do teto. 

O projeto ainda não foi construído e, sem dúvida, haverá mais lições a aprender antes de sua conclusão. Para o bem de nossa missão – facilitar a rápida transformação de todas as habitações em habitações futuras de carbono zero – a equipe espera compartilhar cada uma delas para o benefício de todas as outras equipes por aí. 

—Liz Hauver é CPHC e gerente de design de energia da PTEH. 

Equipe do projeto:

Desenvolvedor: Evan Smith, Diretor de Desenvolvimento Imobiliário Placetailor

Arquitetura: Placetailor Elton Hampton Design

Responsável: Bruce Hampton AIA

Gerente de Projeto: Juliet Borja AIA

CPHC / Designer de Energia: Elizabeth Hauver

Designers de projeto: Mike Marotta RA, Sam Naylor RA

Consultor de Design: Gerar Tecnologias

Engenheiro Estrutural: Studio NYL

Engenheiro MEP: Zade Engenharia

Engenheiro Civil: Merrill Engenharia

Gerente de Obras: Felipe Francisco RA, PT Build

Fonte: Passive House

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