Rete poligenerativa ottimizzata: un caso reale con raffrescamento e sistemi di accumulo

Abstract

La presente tesi ha come obiettivo l’analisi e l’ottimizzazione di una rete poligenerativa per la produzione di acqua ed energia di raffrescamento, basata su un caso reale e su dati operativi forniti dall’Ospedale Mondino di Pavia. Il sistema analizzato integra una pompa di calore in modalità di raffrescamento, un Advanced Integrated Air to Water Generator (AWG) per la produzione di acqua potabile tramite condensazione del vapore acqueo atmosferico, un impianto fotovoltaico di piccola taglia e un serbatoio di accumulo idrico per una gestione flessibile della risorsa acqua. Un ruolo centrale è svolto dal sistema di accumulo termico con materiale a cambiamento di fase (PCM), impiegato per lo stoccaggio di energia frigorifera sotto forma di calore latente. Tale soluzione consente di disaccoppiare temporalmente la produzione e l’utilizzo dell’energia di raffrescamento, migliorando la flessibilità operativa dell’impianto e le prestazioni complessive in termini energetici ed economici. L’ottimizzazione della rete poligenerativa è stata analizzata tramite simulazioni su Matlab Simulink, considerando diverse giornate operative caratterizzate da differenti condizioni di esercizio. In particolare, sono state prese in esame differenti valori della domanda di raffrescamento, della richiesta idrica, del costo dell’energia elettrica, nonché delle condizioni ambientali, quali temperatura e umidità dell’aria. I risultati ottenuti evidenziano come l’adozione di un sistema di gestione dell’energia (EMS) produca una riduzione dei costi operativi e un miglior utilizzo dei sistemi di accumulo rispetto a una gestione non ottimizzata. Lo studio dimostra l’efficacia dell’approccio proposto applicato a un caso reale, confermando il potenziale delle reti poligenerative ottimizzate, con benefici in termini di sostenibilità energetica ed economica.

The aim of this thesis is the analysis and optimization of a polygeneration grid for water and cooling energy production, based on a real case study and on operational data provided by the Mondino Hospital in Pavia. The analyzed system integrates a heat pump operating in cooling mode, an Advanced Integrated Air to Water Generator (AWG) for potable water production through the condensation of atmospheric water vapor, a small scale photovoltaic plant, and a water storage tank enabling flexible water resource management. A central role is played by the thermal energy storage system based on Phase Change Material (PCM), employed to store cooling energy in the form of latent heat. This solution allows the temporal decoupling of cooling energy production and utilization, improving the operational flexibility of the system and its overall energetic and economic performance. The behavior of the polygeneration grid was analyzed through Matlab Simulink simulations, considering several different days characterized by different operating conditions. In detail, variations in cooling demand, water demand, electricity price, as well as ambient conditions, such as air temperature and humidity, were taken into account. The results highlight that the adoption of an Energy Management System (EMS) enables a more efficient operation of the system, leading to reduced operating costs and improved utilization of thermal storage compared to a non optimized management strategy. The study demonstrates the effectiveness of the proposed approach when applied to a real case, confirming the potential of optimized polygeneration grids, with benefits in terms of energetic and economic sustainability.