Ottimizzazione termoeconomica per sistemi pompa di calore più accumulo termico multi temperatura in condizioni di autoconsumo

Abstract

Il presente lavoro di tesi analizza il potenziale accoppiamento ottimale (in termini di dimensionamento e gestione) in un' ottica tecnico economica tra sistemi pompa di calore e accumulo termico (TES) latente a materiale a cambiamento di fase (Phase Change Materials - PCM) in condizioni di autoconsumo fotovoltaico in edifici residenziali.

I TES analizzati nello studio sono stati sviluppati con un design innovativo all'interno del progetto Horizon EU THUMBS UP

Utilizzando il framework di ottimizzazione MEDO, è stato implementato un modello di dispacciamento orario in grado di utilizzare la temperatura di mandata della pompa di calore come variabile decisionale di ottimizzazione.

Il modello è stato applicato a cinque casi studio reali del progetto THUMBS UP, situati in contesti climatici ed impiantistici differenti oltrechè in diversi contesti economici (in termini di costo dell'energia elettrica a livello di utenze residenziali).

Il lavoro ha come scopo quello di mostrare come l'effettivo utilizzo e la convenienza economica dell'accoppiamento tra TES e pompa di calore dipenda fortemente dal costo dell'energia elettrica a livello locale, la disponibilità di fonti termiche alternative alla pompa di calore a basso costo (quali teleriscaldamento o caldaie a gas naturale), dalla producibilità fotovoltaica locale e dai vincoli di compatibilità termica tra pompa di calore e accumulo.

Il lavoro fornisce così un primo riscontro utile sul dimensionamento e sull'integrazione del TES in sistemi residenziali reali, indicando se e in quali contesti la sua installazione risulti effettivamente vantaggiosa.

This thesis investigates the optimal coupling (in terms of both sizing and operational management) between heat pump systems and latent thermal energy storage (TES) based on Phase Change Materials (PCM), from a techno-economic perspective, under conditions of photovoltaic self-consumption in residential buildings.

The TES units analyzed in this study were developed with an innovative design within the framework of the Horizon EU project THUMBS UP.

By means of the MEDO optimization framework, an hourly dispatch model was implemented, capable of using the heat pump's supply temperature as an optimization decision variable.

The model was applied to five real case studies from the THUMBS UP project, located in different climatic and plant-engineering contexts, as well as in different economic contexts with respect to the cost of electricity for residential consumers.

The results demonstrate that the actual utilization and economic viability of coupling TES with heat pump systems strongly depend on the local cost of electricity, the availability of low-cost alternative heat sources such as district heating or natural gas boilers, the local photovoltaic generation potential, and the thermal compatibility constraints between the heat pump and the storage system.

This work thus provides an initial, empirically grounded assessment of TES sizing and integration in real residential systems, indicating whether and under which conditions its installation proves economically advantageous.