An integrated simulation environment coupling EnergyPLus and OpenModelica for testing the performance of building energy control strategies

La crescente necessità di utilizzare fonti rinnovabili nel campo degli edifici, soprattutto quelli non-residenziali, ha portato una maggiore attenzione nella gestione energetica degli edifici e l'integrazione delle fonti rinnovabili con la rete elettrica. Un adeguato controllo dell’impianto di climatizzazione e dei sistemi di generazione elettrica e termica con i relativi accumuli gioca un ruolo fondamentale nell'integrazione di questi sistemi con la rete elettrica. Fonti rinnovabili come il solare termico o solare fotovoltaico non sono programmabili e quindi la loro disponibilità non segue il fabbisogno energetico o termico dell'edificio. In questa ottica diventa importante la capacità di un edificio di essere flessibile, cioè di adattarsi all'imprevedibilità della disponibilità delle fonti rinnovabili ma anche di rispondere alle esigenze della rete. Questa flessibilità può essere raggiunta con sistemi di accumulo energetico che hanno però l'esigenza di essere gestiti attraverso controlli adeguati. Diventa dunque necessario avere strumenti che simulino con adeguato dettaglio il comportamento degli edifici, dell'impianto e dei vari sistemi di controllo. In questo lavoro viene presentato un caso studio che consiste nella co-simulazione di un edificio modellato su Energy Plus, mentre l'impianto fotovoltaico e HVAC con relativo sistema di controllo sono modellati su OPENMODELICA. L’integrazione di questi software è stata possibile grazie a Spawn of EnergyPlus, software sviluppato dal Dipartimento di Energia degli Stati Uniti. Questo strumento riesce ad integrare le capacità descrittive e simulative di EnergyPlus con le capacità di OPENMODELICA di simulare sistemi energetici in modo dettagliato. Un tale ambiente integrato si è recentemente affermato come stato dell’arte nella simulazione del complesso edificio-impianto, rendendo al contempo possibile una dettagliata descrizione dei sistemi di regolazione a servizio del sistema modellato. I software utilizzati in questo lavoro, cioè Energy Plus e OPENMODELICA, sono completamente open source e la loro co-simulazione è effettuata utilizzando lo standard Functional Mockup Interface (FMI). Sono stati testati controlli del tipo Rule Based ad alto livello, cioè controlli che regolano lo scambio con la rete e la carica e la scarica degli storage e a basso livello, cioè controlli che gestiscono gli attuatori a livello di campo dell'impianto termico. Questi controlli sono stati confrontati attraverso opportuni key performance index (KPI) con una strategia di controllo semplice assunto come baseline. I risultati attestano il miglioramento dei controlli Rule Based sulla baseline, evidenziando un autoconsumo più elevato e una spesa energetica minore in termini economici. Il lavoro dimostra le potenzialità del sopraccitato strumento di simulazione nel modellare nel dettaglio un impianto energetico e il miglioramento che si otterrà nel dimensionamento e nella gestione dei sistemi energetici.