ETD

• control
• HVAC
• modeling
• radiant floor
• simulation

This thesis develops a comprehensive modeling framework to investigate the performance of radiant floor systems under a wide range of operational conditions. The work integrates a detailed physical representation of the radiant floor with consistent modeling of the building, hydronic loop, and heat pump, allowing a realistic simulation of system dynamics and control interaction. Three supervisory control strategies are compared: a standard weather-compensation law, a PID feedback controller, and an autoregressive (AR) forecast-based approach with self-learning capability.
Results confirm the high efficiency and comfort potential of radiant floors in heating operation. Across most climates, the system maintains satisfactory comfort while achieving high seasonal efficiencies, particularly when coupled with controls able to minimize supply temperature. Climate proves to be the dominant factor: performance remains favorable in mild and warm regions but decreases in colder contexts, where heating demand exceeds system capacity. In cooling mode, performance is more limited and strongly climate-dependent. The low convective exchange and the dew-point constraint imposed to prevent condensation substantially reduce the available cooling capacity. Acceptable comfort levels are reached mainly in cold or mild-dry climates, while in warm or humid scenarios radiant cooling alone cannot ensure adequate comfort.
Control strategies affect operation but only within the limits imposed by external conditions and system physics. In heating applications, all control strategies provide satisfactory comfort. PID offers slightly better operational stability, while AR delivers higher efficiency and reduced overheating, particularly in mild conditions. In cooling, similar tendencies are observed, with PID ensuring better comfort at the cost of higher energy use. The AR strategy, requiring no calibration and able to adapt automatically to system behavior, represents a practical solution for residential applications where tuning effort is limited.
Additional analyses explore auxiliary integrations. Coupling with standalone dehumidifiers improves humidity control only marginally and at high energy cost, whereas mechanical ventilation offers a more balanced and efficient complement, though its impact on cooling performance in warm or humid climates remains limited.
The thesis clarifies the potential and limitations of radiant floor systems and their controls. It demonstrates that radiant floors remain a highly efficient and reliable solution for heating and, under favorable conditions, a viable contributor to cooling when appropriately integrated with humidity-control or hybrid systems. The developed framework provides a solid methodological basis for future research on predictive, adaptive, and hybrid control approaches aimed at more energy-efficient and comfort-oriented building systems.

Il lavoro di tesi sviluppa un approccio modellistico integrato per l'analisi delle prestazioni di sistemi a pavimento radiante in un'ampia gamma di condizioni operative. Il lavoro integra una rappresentazione fisica dettagliata del pavimento radiante con una modellazione dell'edificio, del circuito idronico e della pompa di calore, consentendo una simulazione realistica della dinamica del sistema e delle interazioni di controllo. Vengono confrontate tre strategie di controllo supervisionale: un controllo climatico, un controllo PID in feedback e un approccio autoapprendente basato su previsione autoregressiva (AR).
I risultati confermano l'elevato potenziale di efficienza e comfort dei pavimenti radianti in modalità riscaldamento. Nella maggior parte dei climi, il sistema mantiene livelli soddisfacenti di comfort raggiungendo elevate efficienze stagionali, in particolare se abbinato a strategie di controllo capaci di minimizzare la temperatura di mandata. Il clima si conferma il fattore dominante: le prestazioni rimangono favorevoli nelle regioni miti e calde, ma si riducono nei contesti più freddi, dove la domanda di riscaldamento supera la capacità del sistema. In modalità raffrescamento, le prestazioni sono più limitate e fortemente dipendenti dal clima. Lo scarso scambio convettivo e il vincolo imposto dal punto di rugiada per prevenire la condensa riducono sensibilmente la capacità di raffrescamento disponibile. Livelli di comfort accettabili si raggiungono principalmente in climi freddi o miti e secchi, mentre in scenari significativamente caldi o umidi il raffrescamento radiante da solo non è sufficiente a garantire un comfort adeguato.
Le strategie di controllo influenzano il funzionamento del sistema, ma solo entro i limiti imposti dalle condizioni esterne e dalla fisica del sistema. Nelle applicazioni di riscaldamento, tutte le strategie garantiscono un comfort soddisfacente. Il PID offre una maggiore stabilità operativa, mentre l'AR fornisce efficienza più elevata e riduce il surriscaldamento, soprattutto in condizioni miti. In raffrescamento si osservano tendenze analoghe: il PID assicura un comfort migliore a fronte di un maggiore consumo energetico. La strategia AR, che non richiede calibrazione e si adatta automaticamente al comportamento del sistema, rappresenta una soluzione pratica per le applicazioni residenziali in cui lo sforzo di taratura è limitato.
Ulteriori analisi esplorano integrazioni ausiliarie. L'abbinamento con deumidificatori standalone migliora il controllo dell'umidità solo in misura limitata e con un elevato costo energetico, mentre l'integrazione con la ventilazione meccanica permette un funzionamento più equilibrato ed efficiente, sebbene il suo impatto sulle prestazioni di raffrescamento in climi caldi o umidi rimanga limitato.
La tesi chiarisce le potenzialità e i limiti dei sistemi a pavimento radiante e delle relative strategie di controllo. Dimostra che il pavimento radiante rimane una soluzione altamente efficiente e affidabile per il riscaldamento e, in condizioni favorevoli, un valido contributo al raffrescamento se adeguatamente integrato con sistemi di controllo dell'umidità. Il framework sviluppato costituisce una solida base metodologica per future ricerche su approcci di controllo predittivo, adattivo e ibrido, orientati a sistemi edilizi più efficienti dal punto di vista energetico e maggiormente incentrati sul comfort.