Climatizzazione: modelli di comfort termico ed analisi dello stato dell'arte

Corso di laurea magistrale in ingegneria meccanica

Produzione e gestione – LM33

Tesi di laurea

Climatizzazione: modelli di comfort termico ed analisi dello stato dell’arte

Tesi di laurea di: Gian Luigi Sechi Relatore: Prof. Vittorio Villani

Anno accademico 2024-2025

“Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma” - Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794)

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Abstract

This thesis addresses the topic of thermal comfort and energy efficiency in air-conditioning systems, analyzing the main theoretical models and the most recent technological developments in the HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) sector. The objective is to provide an integrated overview of the factors influencing indoor thermal well-being and the design strategies that can improve indoor environmental quality while reducing energy consumption and environmental impact.

Through an extensive state-of-the-art review, the study explores traditional and advanced thermal comfort models — from Fanger’s PMV-PPD to adaptive, thermo-physiological, and data-driven models based on artificial intelligence — highlighting their limitations, applicability, and future perspectives. In parallel, a technical classification of HVAC systems is presented, distinguishing between water-based, direct expansion, and hybrid configurations, with particular attention to heat pumps and next-generation VRF systems.

The research also examines the European and Italian regulatory framework (EPBD, UNI TS 11300, F-Gas Regulation 2024/573), sustainability certification systems (LEED, ITACA), and economic incentive mechanisms (Ecobonus, Conto Termico 2.0), showing how these policies support the transition towards Nearly Zero Energy Buildings (NZEB).

The findings indicate that the future of air-conditioning will be increasingly characterized by the integration of renewable technologies, predictive control systems based on artificial intelligence, and personalized comfort models capable of combining human well-being, energy efficiency, and environmental sustainability.

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Prefazione

Questa tesi nasce dall’interesse personale e professionale verso i temi dell’efficienza energetica, della sostenibilità ambientale e dell’innovazione tecnologica applicata agli impianti di climatizzazione. In un periodo in cui la transizione ecologica rappresenta una sfida strategica a livello europeo e nazionale, ho voluto approfondire il ruolo che il settore HVAC può giocare nel processo di decarbonizzazione del patrimonio edilizio italiano ed europeo.

Il lavoro trae ispirazione anche dall’esperienza maturata direttamente in ambito progettuale, dove ho potuto confrontarmi con le reali esigenze impiantistiche e con le sfide tecniche e normative che questo settore comporta. L’impegno quotidiano in ambito professionale non ha mai frenato il mio desiderio di crescita: parallelamente all’attività lavorativa, ho continuato con determinazione il percorso universitario, considerandolo parte integrante della mia formazione tecnica e personale.

Questa tesi rappresenta quindi non solo un traguardo accademico, ma anche una sintesi tra studio, pratica e passione per un settore in continua evoluzione.

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Sommario

Sommario ........................................................................................................................... 7

Introduzione ........................................................................................................................... 9

Capitolo 1 .......................................................................... 9

Analisi dello stato dell’arte ..................................................................................................... 9

1.1 Benessere termico ............................................................................................ 11

1.1.1 Comfort termico ......................................................................... 18

1.1.2 Modelli di comfort termico .................................................... 27

1.1.3 Limiti dei modelli e prospettive future .................................................................. 35

1.2 Classificazione degli impianti HVAC ........................................................................... 38

1.2.1 Impianti a fluido intermedio ....................................................... 48

1.2.2 Impianti ad espansione diretta e VRF ................................................................................ 50

1.2.3 Componenti impiantistici ............................................................................................... 58

1.3 Riferimenti normativi ......................................................................................... 59

1.4 Principali contesti edilizi ............................................................................................. 60

1.4.1 Edifici residenziali ...................................................................................................................... 63

1.4.2 Uffici ......................................................... 67

1.4.3 Strutture ricettive e centri benessere ........................................................................................... 70

1.4.4 Centri commerciali ........................................................................................ 73

1.4.5 Archivi e biblioteche ....................................................................................... 76

1.4.6 Strutture ospedaliere .......................................................................................... 79

1.4.7 Scuole e università ............................................................................................................. 83

1.4.8 Ristoranti ......................................................................................................... 86

1.5 Mercato e trend ...................................................................................... 86

1.5.1 Tecnologie dominanti ............................................................................................. 93

1.5.2 Prospettive future ................................................................... 95

1.6 Efficienza energetica e sostenibilità ................................................................. 96

1.6.1 Sostenibilità ambientale e LEED ..................................................................................... 107

1.6.2 Direttive e normative ..................................................................................... 116

1.6.3 Incentivi e detrazioni ....................................................................................................................... 124

Capitolo 2 ................................................................................................... 124

Materiali e metodi .................................................................................................. 124

2.1 Obiettivo della tesi ................................................................................... 125

2.2 Fonti e strumenti di lavoro ............................................................................ 127

2.3 Metodo di analisi bibliografica .............................................................. 129

2.4 Metodo di analisi tecnico-progettuale ................................................................................................. 129

2.5 Sintesi del metodo

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....................................................................................................................... 131

Capitolo 3 .......................................................................................................................... 131

Risultati ........................................................................... 131

3.1 Sintesi dei risultati bibliografici ..................................... 132

3.2 Analisi comparativa dei modelli di comfort termico ............................................. 136

3.3 Analisi comparativa tecnica dei sistemi HVAC ............................................ 149

3.4 Integrazione: comfort, efficienza e sostenibilità ........................................................................................ 151

3.5 Progetti rappresentativi ...................................................................................... 180

Conclusioni e sviluppi futuri ......................................................................................................................... 184

Bibliografia ............................................................................................................................. 188

Glossario .................................................................................................................. 194

Ringraziamenti

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Introduzione

Il settore della climatizzazione ricopre un ruolo strategico all’interno della transizione energetica in atto, sia a livello nazionale che internazionale. L’evoluzione tecnologica degli impianti HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning), unita alla crescente attenzione verso il comfort degli occupanti, l’efficienza energetica e la sostenibilità ambientale, ha portato a una trasformazione profonda del comparto edilizio e impiantistico.

In questo contesto, la presente tesi si propone di analizzare il settore della climatizzazione in Italia, partendo dai principi teorici del benessere termico e dai modelli sviluppati per descriverlo, per poi approfondire le principali tipologie impiantistiche, lo stato dell’arte nei diversi ambiti applicativi, le tendenze di mercato e le prospettive future. L’obiettivo è fornire una visione aggiornata, critica e completa di un settore in rapida evoluzione.

L’analisi si fonda su letteratura scientifica, normative di settore, dati di mercato e considerazioni maturate anche grazie all’esperienza diretta nella progettazione di impianti HVAC. Il lavoro si propone così come uno strumento utile per comprendere le trasformazioni in atto, sia dal punto di vista tecnico che sistemico.

La tesi è articolata in tre capitoli:

• Il Capitolo 1 è dedicato all’analisi dello stato dell’arte: si introduce il concetto di benessere termico: vengono approfonditi i principali modelli teorici (come PMV e adattivo), i loro limiti e le prospettive evolutive, oltre alla classificazione delle tipologie impiantistiche HVAC (ad aria, ad acqua, misti e a espansione diretta), con riferimenti normativi aggiornati. Si analizza il parco impiantistico attuale in Italia nei diversi contesti applicativi: edifici residenziali, commerciali, culturali e sanitari. Si esaminano le tecnologie dominanti e le tendenze di mercato, con particolare attenzione alle prospettive future legate alla digitalizzazione, all’elettrificazione e alla transizione ecologica. Si approfondiscono le tematiche dell’efficienza energetica e della sostenibilità ambientale, analizzando l’impatto ambientale degli impianti, il quadro normativo vigente, gli incentivi fiscali e i protocolli di certificazione come il LEED.
• Il Capitolo 2 illustra la metodologia di ricerca e analisi adottata, descrivendo le fonti consultate, i criteri di selezione della letteratura scientifica e tecnica, e l’approccio comparativo utilizzato per l’elaborazione dei dati. Viene inoltre delineato il quadro operativo per la classificazione e il confronto dei modelli e delle tecnologie HVAC, integrando aspetti teorici, prestazionali e applicativi.
• Il Capitolo 3 presenta i risultati dell’analisi svolta, articolati in una sintesi critica della letteratura e in un confronto tecnico tra i principali modelli di comfort termico e le configurazioni impiantistiche più rappresentative. Sono inoltre riportate le tendenze emergenti del settore HVAC in relazione alla digitalizzazione, all’intelligenza artificiale e all’uso di fonti rinnovabili. La discussione integrata finale mette in evidenza la correlazione tra comfort, efficienza energetica e sostenibilità, offrendo una visione prospettica del futuro della climatizzazione. Il capitolo si conclude con una panoramica di alcuni progetti realizzati durante l’esperienza professionale personale.

Questo elaborato si propone dunque come una riflessione critica e tecnica su uno dei settori chiave nei prossimi anni per l’edilizia e la sostenibilità ambientale in Italia.

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Capitolo 1

Analisi dello stato dell’arte

I primi paragrafi, del primo capitolo, introducono i concetti fondamentali del benessere termico e delle principali tipologie impiantistiche utilizzate per il controllo delle condizioni ambientali negli edifici. Si analizzano i modelli teorici di comfort termico, i loro limiti applicativi e le probabili evoluzioni in base alle ricerche più recenti.

Successivamente, si espone una classificazione degli impianti HVAC in base al fluido termovettore e alla modalità di funzionamento, esaminando le tipologie ad aria, ad acqua, miste e ad espansione diretta.

Nel terzo paragrafo è presente un richiamo ai principali riferimenti normativi su cui si basa il comfort termico.

1.1 Benessere termico

Il comfort termico è definito come "quella condizione della mente che esprime soddisfazione nei confronti dell'ambiente termico" e viene valutato in base alla soggettività delle persone. Dalla norma ASHRAE Standard 55 (2013), il comfort termico è invece definito come "quella condizione della mente che esprime soddisfazione rispetto all'ambiente termico".

È constatato che in ambienti chiusi, il comfort termico può influenzare il benessere, la salute e la produttività delle persone. Nei paragrafi successivi verranno approfonditi i fattori che influenzano il comfort termico, i modelli teorici, i loro limiti e gli standard correnti. Si parlerà degli effetti fisiologici, psicologici, comportamentali e sarà data importanza ai principali approcci teorici e al concetto di comfort termico localizzato.

Come documentato da Rupp et al. (2015), le ricerche in letteratura mostrano che l'interazione tra variabili ambientali, fattori individuali e comportamentali è abbastanza complessa. La gamma fisiologica e psicologica degli esseri umani entro cui si sentono a proprio agio termicamente è piuttosto ristretta. Nonostante le preferenze possano variare notevolmente è necessario mantenere condizioni ambientali controllate per garantire il comfort.

Nel campo della progettazione e della gestione dell'ambiente costruito, il comfort termico rappresenta uno degli aspetti più importanti e rilevanti. Oltre all'influenza sugli individui, occupanti di un determinato ambiente, esso determina anche il consumo energetico associato alla climatizzazione. Un ambiente interno, affermano (Zhao et al.2023), rappresenta il microclima in cui le persone trascorrono oltre il 90% della loro vita.

Per questo motivo il comfort indoor influisce direttamente sulla salute, sulla produttività e sul benessere. Per regolare tali ambienti sono utilizzati sistemi HVAC che consumano circa la metà dell'energia totale degli edifici. Tale ingente consumo di energia non basta però a colmare tutti i problemi che sorgono nel rendere salutare, confortevole ed efficiente un ambiente. Le stesse modalità di regolazione tradizionali dei sistemi HVAC, basate su interventi manuali o su parametri medi, non riescono a rispondere ai bisogni dinamici ed individuali delle persone. Essi, non sono adatti anche per soggetti con esigenze speciali, come anziani, malati o persone con disabilità.

All’interno della revisione di (Zhao et al.2023), si stima che una regolazione personalizzata e su richiesta porterebbe ad un miglioramento del comfort del 29% ed a una riduzione del consumo energetico del 22%. È naturale che per raggiungere tali scopi è necessario comprendere e modellare in tempo reale le esigenze termiche delle persone.

Si propongono nuove prospettive per la ricerca dei fattori umani, per controlli HVAC intelligenti e su richiesta, che possano realizzare condizioni di comfort per ambienti interni salubri, produttivi, a basso impatto ambientale ed efficienti dal punto di vista energetico.

1.1.1 Comfort termico

La percezione soggettiva che ha una persona dell'ambiente termico in cui si trova è il risultato dell'equilibrio tra la produzione interna di calore corporeo e la sua perdita verso l'ambiente circostante. Il calore all'interno del corpo umano viene generato continuamente attraverso il metabolismo. Se tale calore non viene adeguatamente dissipato nell'ambiente si accumula e altera lo stato termico del corpo. Quando si raggiunge equilibrio tra la produzione di calore e la sua dispersione si raggiunge il cosiddetto comfort termico.

Vengono di seguito elencate le modalità principali di scambio termico tra corpo e ambiente:

• Conduzione: trasferimento diretto di calore tra il corpo e una superficie in contatto
• Convezione: trasferimento di calore tra la pelle e l'aria circostante
• Irraggiamento: scambio di calore con le superfici circostanti
• Evaporazione: perdita di calore attraverso la sudorazione

Secondo gli studi di Rupp et al. (2015) e Zhao et al. (2023), analizzando meglio i fattori che influenzano il comfort termico umano si giunge alla conclusione che esso è determinato da una combinazione complessa di variabili ambientali e caratteristiche individuali. Oltre ai parametri fisici, diversi studi mostrano come siano fondamentali nella complessità del fenomeno anche fattori fisiologici, psicologici e comportamentali.

Vi sono esempi che mostrano come si può determinare il bilancio energetico tra il corpo umano e l'ambiente. Tra questi, le alte temperature e le radiazioni che aumentano il rischio di surriscaldamento, e le correnti d'aria che possono invece agevolare la dispersione del calore. L'umidità influisce invece sulla capacità di raffreddamento tramite la sudorazione.

Le principali va