Negli ultimi decenni, il patrimonio edilizio è stato identificato come una delle aree di intervento più significative per ridurre il consumo di energia e decarbonizzare l'approvvigionamento energetico. Negli edifici nuovi ed esistenti, la sfida ambientale consiste nel ridurre al minimo le perdite termiche attraverso l'involucro, migliorare l'efficienza energetica dei sistemi di generazione ed aumentare la quota rinnovabile. In questo contesto, le pompe di calore giocano un ruolo chiave nel settore della climatizzazione, rappresentando una soluzione flessibile che può essere integrata in sistemi elettrici più o meno complessi e combinata con tecnologie rinnovabili. Gli obiettivi di aumento dell'efficienza energetica e di riduzione delle emissioni di gas serra possono essere raggiunti in diversi modi utilizzando le pompe di calore. Questo lavoro presenta alcune possibilità, tra cui lo studio di cicli di pompe di calore non convenzionali e di nuove configurazioni di sistema, l'uso di refrigeranti naturali e a basso GWP e l'integrazione delle pompe di calore in sistemi energetici a più fonti energetiche rinnovabili.
I modelli dettagliati delle pompe di calore sono di grande importanza per la progettazione, l'ottimizzazione del controllo e l'analisi del funzionamento del sistema con diverse condizioni al contorno. Per questo motivo, in questo lavoro il software TRNSYS viene utilizzato per eseguire simulazioni dinamiche di sistemi energetici a pompa di calore. Viene presentato un modello flessibile di una pompa di calore sviluppato in ambiente TRNSYS e la sua applicazione a diversi casi di studio. Il nuovo componente viene utilizzato per modellare diverse configurazioni di pompe di calore e un collegamento interno a REFPROP consente di ottenere le proprietà termodinamiche dei fluidi refrigeranti nei punti principali del ciclo a compressione di vapore.
Viene valutata l'integrazione di sistemi a pompa di calore e fonti di energia rinnovabili. Viene discussa e affrontata la questione della progettazione delle pompe di calore geotermiche. L'obiettivo è quello di fornire ai progettisti modelli di pompe di calore geotermiche semplificati ed accurati per il calcolo del calore scambiato con il terreno, partendo dai dati del produttore della pompa di calore. La ricerca include alcune analisi e ottimizzazioni di sistemi energetici multi-sorgente, concentrandosi sull'accoppiamento di pompe di calore con scambiatori di calore a terra, collettori solari termici e pannelli fotovoltaici-termici. In conclusione, nell’ottica di studiare distretti residenziali più sostenibili e “smart”, questo lavoro propone un modello di rete di teleriscaldamento e teleraffrescamento a bassa temperatura altamente integrato ed efficiente dal punto di vista energetico, basato sul concetto di comunità energetica.In the last decades, building stock has been identified as one of the significant areas of intervention to lower energy use and decarbonize the energy supply. In new and existing buildings, the environmental challenge consists of minimizing the thermal losses through the envelope, enhancing the energy efficiency of the generation systems, and increasing the renewable share. In this context, heat pumps play a key role in the air conditioning sector, representing a flexible solution that can be integrated into full electric systems and combined with renewable energy technologies. The goals of increasing energy efficiency and reducing greenhouse gas emissions can be achieved in several ways using heat pumps. This work presents some possibilities, including the study of non-conventional heat pump cycles and novel system configurations, the use of natural and low-GWP refrigerants, and the integration of heat pumps into multi-source energy systems.
Detailed models of heat pumps are of great importance in heat pump design, control optimization, and analysis of the system operations with different boundary conditions. For this reason, in this work, TRNSYS is used to perform dynamic simulations of heat pump energy systems. A flexible TRNSYS model of a reversible heat pump and its application to different case studies is presented. The new component is utilized to model several heat pump configurations, and an internal link to REFPROP allows obtaining the thermodynamic properties of the refrigerant fluids in the main points of the vapor compression cycle.
The integration of heat pump systems and renewable energy sources is evaluated. The issue concerning the design of ground-source heat pumps is discussed and addressed. The aim is to provide the designers with simplified and acceptably accurate water-source heat pump models for calculating heat exchanged with the ground, starting from heat pump manufacturer’s data. The research includes some analysis and optimization of multi-source energy systems, focusing on the coupling of heat pumps with ground heat exchangers, solar thermal collectors, and photovoltaic-thermal panels. In conclusion, toward more sustainable and smart districts, this work proposes a model of a highly integrated and energy-efficient ultra-low temperature district heating and cooling network based on the concept of energy communities
