Resilient cooling, un nuovo approccio alla climatizzazione estiva

Negli ultimi anni è stato compiuto un salto significativo in termini di efficienza energetica, con edifici sempre più isolati, performanti e a ridotto fabbisogno termico invernale. Tuttavia, questo progresso ha generato una criticità emergente che oggi rappresenta una delle principali sfide progettuali: l’aumento dei carichi di raffrescamento estivo e il crescente rischio di surriscaldamento degli ambienti interni.

Il cambiamento climatico, con l’incremento delle temperature medie e la maggiore frequenza delle ondate di calore, ha reso evidente come la sola efficienza energetica non sia sufficiente a garantire comfort e sicurezza. Parallelamente, l’urbanizzazione crescente e l’intensificazione delle isole di calore urbane amplificano gli effetti del surriscaldamento, soprattutto negli edifici ad alte prestazioni energetiche, caratterizzati da involucri molto isolati e ridotte dispersioni.

In questo contesto si inserisce il concetto di Resilient Cooling, un approccio integrato al raffrescamento che supera la logica tradizionale della climatizzazione come risposta primaria al caldo e introduce una visione sistemica basata su resilienza climatica, progettazione passiva e gestione intelligente dei carichi termici. Un modello di sicura ispirazione in questo campo è certamente il documento “London Climate Change Adaptation Strategy” che affronta il tema partendo da una lista di priorità ecocompatibili nella progettazione per la mitigazione del surriscaldamento degli edifici ed al contempo limitando le tendenze ad un eccessivo utilizzo di active cooling inteso come tradizionali sistemi di climatizzazione estiva, come ad esempio: climatizzatori split, VRF, chiller e ventilconvetori.

Il primo problema: la limitazione del rischio overheating

Il termine “overheating” (surriscaldamento) indica una condizione in cui la temperatura interna di un edificio supera il livello di comfort termico per un periodo prolungato, a causa dell’accumulo eccessivo di calore indoor. La norma UNI EN 15251:2008 [1] definisce il fenomeno dell’overheating negli edifici in relazione al comfort termico degli occupanti, considerando le condizioni climatiche esterne, l’involucro edilizio, le caratteristiche termiche dell’edificio oltre che il comportamento energetico degli impianti. Il fenomeno dell’overheating si verifica quando la temperatura interna di un edificio supera un determinato valore limite per un periodo significativo, compromettendo il comfort degli occupanti. Il surriscaldamento è un concetto legato alla qualità dell’ambiente interno e alla percezione di disagio termico causato dal caldo eccessivo. La norma descrive l’overheating come un fenomeno che si manifesta quando la temperatura interna media supera un livello di comfort per un periodo prolungato, in particolare durante la stagione estiva, risultando in un disagio termico per gli occupanti dell’edificio.

La norma considera la temperatura interna dell’edificio, che deve essere monitorata durante le stagioni calde (principalmente in estate), al fine di evitare che superi soglie definite. L’overheating si verifica quando la temperatura interna media un determinato livello di temperatura per più di un determinato numero di ore giornaliere (tipicamente 100 ore all’anno o più). Un numero di ore superiore a tale valore indica un problema di comfort termico, con effetti negativi sul benessere degli occupanti. Prima di parlare di soluzioni, due sono i temi da presidiare con grande attenzione: rientrate di calore dall’esterno dell’edificio e calore prodotto all’interno dell’edifico

Rientrate di calore dall’esterno dell’edificio

Le condizioni esterne che generalmente contribuiscono al fenomeno dell’overheating sono l’energia solare e le alte temperature esterne. Un involucro edilizio ben isolato impedirà i guadagni e le perdite di calore tra l’ambiente interno delle abitazioni e l’esterno. Mantenere il calore all’interno delle abitazioni aiuterà a tenerle calde in inverno, ma potrebbe causare un problema nei caldi mesi estivi, oltre che in primavera ed autunno.

L’energia solare passa attraverso le finestre degli edifici e viene assorbita come calore da superfici e oggetti all’interno di uno spazio. Questo calore rimane intrappolato all’interno dell’edificio: un fenomeno chiamato “effetto serra”, poiché è comunemente utilizzato nelle serre (figura 1).

Calore prodotto all’interno dell’edificio

La stessa quantità di calore prodotto dalle persone o dagli elettrodomestici, in una casa ben isolata, avrà un impatto più evidente rispetto a una casa scarsamente isolata.

Le fonti di guadagni interni di calore possono includere:

• Illuminazione: anche le lampade a basso consumo energetico possono contribuire ai guadagni interni di energia termica.
• Elettrodomestici: frigoriferi, lavastoviglie, lavatrici, televisori, laptop e caricatori emettono calore, spesso anche in modalità stand-by.
• Occupanti: le persone all’interno delle abitazioni emettono calore sotto forma di energia termica metabolica.
• Servizi edilizi: i sistemi di ventilazione meccanica e i sistemi di distribuzione e accumulo di acqua calda possono essere una fonte di calore indesiderato in estate.

Durante l’inverno, questi guadagni possono essere utili in quanto supportano il sistema di riscaldamento, ma in estate, ma anche in autunno e primavera, possono contribuire al surriscaldamento all’interno delle abitazioni (figura 2).

La norma UNI EN 15251 fa anche riferimento agli indici di PMV (Predicted Mean Vote) e PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) per la valutazione del comfort termico e del surriscaldamento. In generale, quando i valori del PMV aumentano oltre la zona di comfort (tipicamente intorno a +0.5 e +1), si considerano i livelli di overheating. l PMV è un indice che stima la media delle valutazioni di disagio termico in un dato ambiente. Valori più alti indicano un disagio maggiore e un potenziale surriscaldamento.

L’overheating quindi è direttamente legato a diverse condizioni ambientali e strutturali, quali a titolo esemplificativo:

• elevato isolamento termico dell’involucro: gli edifici ad alta efficienza energetica utilizzano materiali altamente isolanti per ridurre le dispersioni termiche in inverno, ma in estate questo isolamento può intrappolare il calore interno;
• superfici vetrate estese e guadagni solari eccessivi: l’uso di ampie vetrate per massimizzare l’apporto di luce naturale e guadagni solari in inverno può portare a surriscaldamenti indesiderati in estate, soprattutto se non sono previsti sistemi di schermatura adeguati;
•  scarsa inerzia termica e accumulo di calore: gli edifici nZEB spesso utilizzano strutture leggere, con una bassa capacità di assorbire e rilasciare calore gradualmente, aumentando il rischio di picchi di temperatura interna;
• ventilazione inadeguata: la riduzione delle infiltrazioni d’aria per migliorare l’efficienza energetica può limitare il ricambio d’aria naturale, causando accumulo di calore;
• fonti di calore interne: elettrodomestici, illuminazione e occupanti contribuiscono a generare calore interno, che negli edifici con elevato isolamento fatica a disperdersi;
• effetti dell’isola di calore urbana: in ambienti urbani mediterranei, le temperature esterne sono elevate anche di notte, limitando il raffrescamento passivo attraverso la ventilazione naturale.

L’approccio per i nuovi edifici e la riqualificazione profonda

In Europa, il fenomeno dell’aumento delle temperature dell’aria esterna combinato con l’invecchiamento della popolazione e l’urbanizzazione, stanno mettendo in evidenza che la popolazione sta diventando potenzialmente più vulnerabile al caldo in estate, soprattutto durante le ondate di calore. Questo fenomeno va letto anche in considerazione degli edifici efficienti di oggi e di domani grazie all’entrata in pieno vigore della Direttiva (UE) 2024/1275 [3] (Direttiva sull’efficienza energetica degli edifici – Energy Performance of Buildings Directive) del 24 aprile 2024, cosiddetta EPBD IV, attraverso involucri edilizi sempre più energeticamente performanti, una parte considerevole del fabbisogno energetico invernale può essere soddisfatta dagli apporti di calore gratuiti per la climatizzazione durante i mesi freddi.

D’altra parte, questi apporti di calore gratuiti possono diventare svantaggiosi nella stagione estiva, in quanto l’elevato isolamento dell’involucro edilizio ne può contrastare la dissipazione verso l’esterno, innescando potenziali fenomeni di overheating. Per questo si prevede che in futuro gli edifici ad alta efficienza energetica progettati senza considerare la potenziale mitigazione dell’overheating potrebbero essere a rischio di disagio estivo e di potenziale aumento dei costi (e relative emissioni dirette o indirette di CO2) per un sempre più ampio ricorso al condizionamento dell’aria estivo, specie laddove esso non sia alimentato con energia elettrica in larga misura proveniente da fonti di energia rinnovabile. Sarà necessaria la progettazione di nuovi edifici “green”, Nearly Zero Energy Buildings (NZEB), Zero Energy Buildings (ZEB) e Zero Carbon Buildings (ZCB), ma anche l’ottimizzazione dell’uso energetico degli edifici esistenti in quanto si stima che questa seconda parte possa rappresentare oltre l’80% del problema da risolvere.

Secondo la EPBD IV, i concetti di “new building” e “deep renovation” sono definiti come segue:

• un “new building” è definito come un edificio che viene costruito ex novo, ovvero che non esisteva precedentemente. La definizione include anche gli edifici che sono oggetto di una ricostruzione completa che ne modifica sostanzialmente le caratteristiche strutturali ed energetiche, comportando la creazione di un nuovo edificio sotto il profilo normativo. Gli edifici nuovi devono soddisfare i requisiti minimi di prestazione energetica stabiliti dalla direttiva, al fine di ridurre il consumo energetico e l’impatto ambientale.
• la “deep renovation” (ristrutturazione profonda) è definita invece come un intervento di ristrutturazione di un edificio che implica modifiche sostanziali all’involucro edilizio (ad esempio, isolamento, finestre, impianti), con l’obiettivo di migliorare significativamente l’efficienza energetica dell’edificio. Questo tipo di ristrutturazione mira a ridurre in modo sostanziale il fabbisogno energetico per il riscaldamento e il raffrescamento, portando l’edificio verso un livello di prestazione energetica molto elevato, più vicino agli standard di un edificio a energia quasi zero (NZEB – Nearly Zero Energy Building).

La ristrutturazione profonda si distingue dalle ristrutturazioni tradizionali per l’ampiezza e la profondità degli interventi, mirando a trasformare l’edificio esistente in un’opera altamente efficiente dal punto di vista energetico, attraverso l’adozione di tecnologie innovative e l’uso di materiali ad alte prestazioni.

La stima dei nuovi edifici in Europa nei prossimi 25 anni

Analizzando la Review study on Regulations EU 1253/2014 (Ecodesign requirements for ventilation units) and EU 1254/2014 [4] si deduce che il numero di edifici che si prevede sarà sottoposto a ristrutturazione in Europa raggiungerà percentuali cumulative (rispetto al totale edifici) anche del 50/70% a seconda dei diversi stati. Sempre analizzando la Review study on Regulations EU 1253/2014 (Ecodesign requirements for ventilation units) and EU 1254/2014 [4] si evince che il numero di nuovi edifici che si prevede sarà realizzato in Europa raggiungerà percentuali cumulative (rispetto al totale edifici) modestissime, nell’ordine dell’1-2%.

In sintesi, dunque, in Europa considerando solo il settore residenziale, la ristrutturazione si prevede sarà la parte rilevante dell’attività nei prossimi 25 anni mentre le nuove costruzioni saranno una parte davvero minimale. Per questa ragione l’approccio all’overheating dovrà tenere conto delle specificità delle nuove costruzioni ma soprattutto della trasformazione in NZEB, ZEB e ZCB delle vecchie costruzioni da ristrutturare (figura 3). Il Resilient Cooling propone un approccio sistemico che coinvolge tutte le fasi del progetto: dalla concezione architettonica alla scelta delle tecnologie impiantistiche, fino ai sistemi di controllo e gestione energetica.

L’obiettivo è duplice: da un lato ridurre la domanda di raffrescamento attraverso soluzioni passive e progettazione bioclimatica; dall’altro garantire comfort e sicurezza anche durante condizioni climatiche estreme o situazioni di stress delle infrastrutture energetiche. Per i progettisti HVAC questo implica una maggiore integrazione con le discipline architettoniche e urbanistiche, nonché una crescente attenzione ai profili di carico dinamici, alla gestione dei picchi e alla continuità operativa degli edifici.

La Cooling Hierarchy del London Plan come riferimento metodologico anche in Italia

Un riferimento operativo consolidato per l’implementazione del Resilient Cooling è rappresentato dalla Cooling Hierarchy introdotta nel London Plan e nelle strategie urbane di adattamento climatico. Tale approccio definisce una sequenza di priorità progettuali che guida la riduzione del fabbisogno di raffrescamento prima del ricorso ai sistemi attivi (figura 4).

Il primo livello riguarda la riduzione dei guadagni termici mediante scelte architettoniche e urbanistiche: orientamento dell’edificio, controllo dell’irraggiamento solare, schermature esterne, materiali ad alta riflettanza e progettazione consapevole delle superfici vetrate. Il secondo livello privilegia tecniche di raffrescamento passivo, come ventilazione naturale, raffrescamento notturno, utilizzo della massa termica e soluzioni verdi in grado di migliorare il microclima urbano. Solo successivamente entrano in gioco i sistemi impiantistici ad alta efficienza, tra cui pompe di calore reversibili, sistemi radianti a bassa temperatura e ventilazione meccanica con recupero e by-pass estivo. La climatizzazione tradizionale viene considerata come ultima opzione, da integrare con fonti rinnovabili e sistemi di controllo avanzati.

Molti governi si stanno dotando di strumenti tecnici precisi; ad esempio, in Inghilterra è stato varato il concetto della “Cooling hierarchy” espressa nel documento “London’s Response to Climate Change” [6] che si consolida come un elenco di priorità tese alla riduzione dell’impiego dell’aria condizionata limitando al contempo i fenomeni dell’overheating. La gerarchia di raffreddamento cerca di ridurre qualsiasi potenziale surriscaldamento e anche di ridurre il piùpossibile la necessità di raffreddare un edificio attraverso misure di raffreddamento attive (es. impiegando sistemi VRF, chillers a servizio di UTA e fancoil, etc.), assicurando che esse siano l’opzione a emissioni di carbonio minima possibile. I sistemi di condizionamento dell’aria sono infatti considerati una forma di raffreddamento attivo ad alto consumo di risorse, poiché possono determinare emissioni di anidride carbonica indiretta, oltre che emettere grandi quantità di calore nell’area circostante. Incorporando la gerarchia del raffreddamento nel processo di progettazione, ci si aspetta che gli edifici siano meglio adatti per gestire le proprie esigenze di raffreddamento e per adattarsi ai cambiamenti climatici che sperimenteranno nel corso della loro vita.

Soluzioni passive

Le soluzioni passive sono quelle che mirano a ridurre il carico termico interno senza l’uso di energia aggiuntiva. Alcuni degli approcci descritti includono:

1. miglioramento dell’involucro edilizio attraverso:
   • isolamento termico migliorato delle pareti e dei tetti per evitare che il calore esterno penetri all’interno dell’edificio.
   • schermature solari intelligenti come tende esterne, persiane, e frangisole per limitare l’ingresso diretto di radiazione solare;
   • finestre ad alta efficienza energetica, in particolare quelle con vetri riflettenti o con trattamenti per ridurre l’assorbimento solare.
2. ventilazione naturale per favorire il flusso d’aria naturale attraverso l’edificio con l’uso di aperture e dispositivi di ventilazione che sfruttano le differenze di temperatura e pressione per raffrescare gli spazi interni.
3.  uso di materiali con alta massa termica: l’impiego di materiali come cemento, mattoni e pietra che possiedono una buona capacità di accumulo termico, in modo da immagazzinare il calore durante il giorno e rilasciarlo lentamente durante la notte, riducendo i picchi di temperatura.

Soluzioni attive

Le soluzioni attive sono quelle che impiegano tecnologie meccaniche o elettroniche per ridurre la temperatura interna. Questi approcci includono:

• sistemi di raffreddamento meccanico: l’uso di impianti di raffreddamento ad aria condizionata, raffreddamento a pavimento o raffreddamento a circuito chiuso.
• sistemi di raffrescamento ad acqua: l’impiego di sistemi di raffreddamento ad acqua o ad energia rinnovabile, come le pompe di calore reversibili.
• tecnologie solari attive: pannelli solari fotovoltaici e solari termici che possono alimentare sistemi di raffreddamento o riscaldamento passivi.
• raffreddamento a ventilazione forzata: l’uso di ventilatori meccanici o di sistemi di ventilazione meccanica controllata (VMC) per regolare e ottimizzare il flusso d’aria negli edifici.

In questo contesto, le schermature solari intelligenti e il raffreddamento ventilativo sono considerati dagli esperti due elementi chiave e prioritari per migliorare ulteriormente l’efficienza energetica degli edifici esistenti e ottimizzare la progettazione a basso e bassissimo consumo energetico dei nuovi edifici, costituendo il primo approccio al resilient cooling.

Conclusioni

L’adozione dei principi di Resilient Cooling sta progressivamente ridefinendo il ruolo della progettazione HVAC all’interno del processo edilizio contemporaneo, richiedendo un’evoluzione verso sistemi sempre più integrati, flessibili e orientati alla gestione dinamica dei carichi termici. In questo contesto diventa centrale la sinergia tra ventilazione naturale e meccanica, l’impiego strategico del free cooling e della gestione notturna dell’energia accumulata, nonché la diffusione di sistemi radianti e soluzioni operanti a basse temperature, capaci di garantire comfort con elevati livelli di efficienza. Parallelamente si afferma la necessità di impianti ibridi e modulari, adattabili a condizioni climatiche variabili e supportati da sistemi di automazione avanzata e controllo predittivo basati su dati ambientali e profili reali di occupazione.

La progettazione non può inoltre prescindere da una visione complessiva della resilienza energetica dell’edificio, che includa accumuli termici ed elettrici, strategie di gestione dei picchi e integrazione con reti energetiche locali e sistemi di raffrescamento urbano. L’applicazione di queste strategie consente di ridurre in modo significativo i consumi estivi e i picchi di domanda elettrica, contribuendo alla stabilità delle reti e al miglioramento delle prestazioni ambientali complessive del costruito. Al tempo stesso, aumenta la sicurezza termica degli occupanti, un tema sempre più rilevante in presenza di ondate di calore frequenti e di una popolazione urbana progressivamente più vulnerabile. Dal punto di vista professionale e progettuale, il Resilient Cooling promuove una maggiore collaborazione interdisciplinare e favorisce soluzioni integrate tra involucro edilizio, impianti e contesto urbano, aprendo nuove prospettive di innovazione tecnologica nel settore HVAC.

Ringraziamenti

Si ringrazia per il supporto nella valutazione degli impatti dell’overheating tratti dal “London Climate Change Adaptation Strategy” il Gruppo di Lavoro del CEN TC 156 – WG21 (The calculation of the energy performance of ventilation, air conditioning and cooling systems, including cooling through natural ventilation).