TITLE OF THE MASTER THESIS: Progettazione e Gestione Integrata di Impianti Meccanici Sostenibili
TITLE OF THE MASTER: Sustainability and Energy Management in Construction Works, Anno 2024-2025
AUTHOR: Ing. Gabriele Slomp
TUTOR: Prof.ssa Arch. Ing. Paola Ronca
Nel contesto attuale di profonda trasformazione energetica, ambientale e sociale, il settore delle costruzioni è chiamato a confrontarsi con sfide sempre più complesse, che richiedono un approccio alla sostenibilità di tipo trasversale e interdisciplinare. In tale scenario, la progettazione degli impianti meccanici assume un ruolo centrale, non solo in relazione alla riduzione dei consumi energetici e delle emissioni, ma anche rispetto alla capacità degli edifici di adattarsi nel tempo a mutamenti tecnologici, all’evoluzione delle dinamiche sociali e al cambiamento delle condizioni climatiche future.
La presente tesi si concentra sulla progettazione sostenibile degli impianti per edifici di nuova realizzazione, analizzando criteri, strumenti e strategie in grado di garantire efficienza energetica, resilienza e flessibilità lungo l’intero ciclo di vita dell’edificio. Il lavoro adotta un edificio di riferimento, inteso come modello generico e applicativo, utilizzato per tradurre principi teorici in valutazioni concrete e per esplorare scenari progettuali alternativi.
Particolare attenzione viene posta al tema dell’adattabilità funzionale, intesa come capacità dell’architettura impiantistica di supportare possibili future ridestinazioni d’uso dell’edificio. In un contesto caratterizzato da rapida evoluzione tecnologica, infatti, la definizione dei carichi interni, delle destinazioni d’uso e delle logiche di funzionamento degli impianti deve essere affrontata secondo una visione amplia, orientata alla sostenibilità e alla resilienza.
Un ulteriore tema della tesi riguarda l’impatto dei cambiamenti climatici sulla progettazione impiantistica. Viene sviluppata un’analisi del clima locale e dei possibili scenari futuri, al fine di definire temperature di progetto e condizioni di esercizio coerenti con un aumento della frequenza di eventi estremi. La tesi evidenzia come l’utilizzo di dati climatici storici possa non essere più sufficiente e propone un dimensionamento che tenga conto dei mutamenti climatici, assicurando che i generatori operino efficientemente anche in range di temperatura diversi da quelli odierni.
Su queste basi si sviluppa l’analisi del sistema di generazione ibrido a servizio dell’edificio di riferimento, composto da una pompa di calore e un sistema di teleriscaldamento. L’elemento cardine della trattazione è la definizione della temperatura bivalente Tbiv, ovvero la soglia di temperatura esterna in corrispondenza della quale avviene il passaggio da un generatore all’altro. L’analisi dimostra che la determinazione della Tbiv non può limitarsi al solo aspetto tecnico (il change over forzato quando la pompa di calore non copre più il carico termico), ma deve evolvere verso un parametro dinamico. L’indagine viene quindi estesa includendo considerazioni di tipo economico ed ecologico, valutando l’influenza della produzione fotovoltaica, dei fattori emissivi e delle fluttuazioni tariffarie. Ne emerge come l’adozione di un valore statico non sia in grado di rappresentare adeguatamente la complessità del sistema, rendendo necessario un approccio adattivo.
A partire da tali considerazioni, la tesi si amplia verso il tema della regolazione degli impianti e dell’impiego di strumenti digitali avanzati. Viene analizzato il ruolo della progettazione BIM come base per una progettazione interdisciplinare coordinata e come prerequisito per lo sviluppo di un Digital Twin dell’edificio. Quest’ultimo permette di governare la complessità dell’immobile, consentendo di monitorare il comportamento quasi in tempo reale e di effettuare simulazioni per interventi futuri, rendendo l’edificio resiliente ai mutamenti. Vengono quindi approfonditi i protocolli di comunicazione e i sistemi di gestione (BMS e BEMS), evidenziando come questi consentano di superare i limiti di una gestione statica e di calcolare strategie operative ottimali.
In coerenza con il concetto di sostenibilità lungo il ciclo di vita, il lavoro affronta il tema della manutenzione, interpretata non solo come attività programmata, ma come processo integrato con la regolazione. L’integrazione tra sistemi di controllo e manutenzione consente di evolvere verso strategie di tipo predittivo, capaci di individuare anomalie nelle fasi iniziali riducendo l’impatto delle inefficienze.
La tesi prosegue con un esercizio applicativo dedicato all’ampliamento del contributo delle fonti rinnovabili, con particolare riferimento al sistema fotovoltaico. Viene analizzata la possibilità di estendere la superficie captante oltre la copertura, utilizzando altre parti dell’edificio (BIPV). I risultati, pur confermando una resa specifica inferiore rispetto ai pannelli in copertura a causa dell’inclinazione e degli ombreggiamenti, dimostrano la validità della soluzione come complemento energetico. L’analisi, supportata dal tool PVGIS, discute anche i limiti pratici, come i vincoli architettonici, paesaggistici e di sicurezza antincendio, concludendo che il BIPV di facciata rappresenta una risorsa preziosa per massimizzare l’autoconsumo in contesti urbani densi, dove le superfici orizzontali sono limitate.
In conclusione, la tesi evidenzia che la sostenibilità negli edifici complessi non è il risultato di una singola tecnologia, ma di un processo di integrazione. Il lavoro fornisce strumenti metodologici per affrontare la progettazione moderna e illustra come un’intelligenza di gestione sia fondamentale per garantire edifici realmente sostenibili. Il Digital Twin e i sistemi BEMS permettono infine all’edificio di “comportarsi” in modo ottimale in ogni condizione operativa, trasformando il progetto da un manufatto statico a un organismo dinamico e resiliente.
Figura 1: Ripartizioni dei carichi termici dell’edificio di riferimento tra teleriscaldamento e PdC a seconda del periodo dell’anno
Figura 2: Irraggiamento mensile sulla facciata dell’edificio di riferimento
FOR INTERNATIONAL STUDENT
In the current context of profound energy, environmental and social transformation, the construction sector is required to face increasingly complex challenges. These challenges call for a transversal and interdisciplinary approach to sustainability. In this scenario, the design of mechanical systems plays a central role. This role is not limited to reducing energy consumption and emissions, but also concerns the ability of buildings to adapt over time to technological changes, evolving social dynamics and future climatic conditions.
This thesis focuses on the sustainable design of systems for newly constructed buildings. It analyzes criteria, tools and strategies capable of ensuring energy efficiency, resilience and flexibility throughout the entire life cycle of the building. The study adopts a reference building, intended as a generic and application-oriented model. This model is used to translate theoretical principles into concrete evaluations and to explore alternative design scenarios.
Particular attention is paid to functional adaptability, understood as the capacity of the system architecture to support possible future changes in building use. In a context characterized by rapid technological evolution, the definition of internal loads, intended uses and system operating logics requires a broad vision. This vision must be oriented toward long-term sustainability and resilience.
Another focus of the thesis concerns the impact of climate change on systems design. An analysis of the local climate and possible future scenarios is carried out in order to define design temperatures and operating conditions. These are selected to be consistent with an increased frequency of extreme events. The thesis shows that relying exclusively on historical climate data may no longer be sufficient. It therefore proposes a sizing approach that accounts for climate change, ensuring efficient generator operation even across temperature ranges different from current ones.
On this basis, the analysis examines a hybrid generation system serving the reference building. The system is composed of a heat pump and a district heating network. The core element of the discussion is the definition of the bivalent temperature (Tbiv), namely the external temperature threshold at which the switch between the two generators occurs. The analysis demonstrates that the determination of Tbiv cannot be limited to purely technical aspects, such as the forced change-over when the heat pump is no longer able to cover the thermal load. Instead, Tbiv must be treated as a dynamic parameter.
The investigation is therefore extended to include economic and environmental considerations. In particular, the influence of photovoltaic production, emission factors and tariff fluctuations is assessed. The results show that the adoption of a static value is not able to adequately represent the complexity of the system. An adaptive approach is therefore required.
Building on these considerations, the thesis also addresses system control and the use of advanced digital tools. The role of BIM-based design is analyzed as the foundation for coordinated interdisciplinary design. It is also presented as a prerequisite for the development of a building Digital Twin. The Digital Twin enables the governance of building complexity by allowing near real-time monitoring and the execution of simulations for future interventions. In this way, building resilience to change is increased.
Communication protocols and management systems, such as BMS and BEMS, are then explored. The analysis shows how these systems overcome the limitations of static management and enable the calculation of optimal operational strategies.
Consistent with the concept of lifecycle sustainability, the thesis addresses maintenance not only as a scheduled activity, but as a process integrated with system control. The integration between control and maintenance enables a transition toward predictive strategies. These strategies allow early identification of anomalies and a reduction in the impact of inefficiencies.
The thesis continues with an application exercise aimed at increasing the contribution of renewable energy sources, with particular reference to photovoltaic systems. The possibility of extending the collecting surface beyond the roof is investigated by using other parts of the building through BIPV solutions. The results confirm a lower specific yield compared to rooftop panels, mainly due to inclination and shading effects. However, they also demonstrate the validity of the solution as an energy complement.
The analysis, supported by the PVGIS tool, discusses practical constraints such as architectural, landscape and fire-safety limitations. It concludes that façade-integrated BIPV systems represent a valuable resource for maximizing self-consumption in dense urban contexts, where horizontal surfaces are limited.
In conclusion, the thesis highlights that sustainability in complex buildings is not achieved through a single technology. Rather, it is the result of an integration process. The work provides methodological tools to address contemporary building design and shows how advanced and adaptive management strategies are essential for truly sustainable buildings. Finally, the combined use of Digital Twin and BEMS allows the building to operate optimally under all conditions, transforming the project from a static artefact into a dynamic and resilient system.
Figura 1: Thermal load sharing of the reference building between district heating and heat pumps by season.
Figura 2: Monthly solar irradiation on the façade of the reference building