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: RELATORE:

Gian Luigi Sechi 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. 3

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. 4

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 5

....................................................................................................................... 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 6

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,

7

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. 8

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

9

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

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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 così-detto 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

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influisce invece sulla capacità di raffreddamento tramite la sudorazione.

Le principali va