Modellazione numerica di una pompa di calore integrata con accumulo termico sensibile per analisi di flessibilità energetica = Numerical modeling of a heat pump integrated with sensible thermal storage for energy flexibility analysis

Negli ultimi anni, il livello di elettrificazione dei consumi legati al riscaldamento degli edifici è in costante crescita, con le pompe di calore che stanno progressivamente sostituendo i sistemi tradizionali alimentati a combustibili fossili. Se da un lato questa diffusione comporta una riduzione delle emissioni, dall’altro pone nuove sfide per la rete elettrica, soprattutto in termini di bilanciamento tra domanda e offerta di energia. In tale contesto, la flessibilità energetica, intesa come la capacità di un sistema di modulare la propria domanda in base a esigenze esterne, risulta fondamentale sia per la stabilità della rete sia per una gestione più intelligente dei dispositivi. L’obiettivo di questo lavoro è stato sviluppare un modello numerico di pompa di calore e integrarlo con un modello di accumulo termico sensibile (TES), al fine di caratterizzare il funzionamento complessivo del sistema e valutarne la flessibilità energetica. Il modello della pompa di calore, di tipo white-box stazionario, è stato costruito modellando fisicamente i principali componenti (compressore, scambiatori di calore, valvola di laminazione, pompe e ventilatori) e integrandoli per ricostruire il ciclo termodinamico completo. Particolare attenzione è stata rivolta agli scambiatori di calore, modellati con approccio moving boundary, suddividendo le zone in base allo stato del refrigerante per rappresentarne accuratamente le variazioni interne. La pompa di calore opera a numero di giri variabile e il modello include i limiti di funzionamento del compressore, consentendo di stimare la potenza termica minima e massima erogabile. Le sorgenti considerate sono due, aria e acqua, in accordo con il caso studio di riferimento. I risultati del modello hanno mostrato una buona attendibilità: il confronto con i dati di cinque pompe di calore commerciali ha evidenziato un errore medio assoluto (MAE) sul COP fino a circa 0.2, valore che testimonia la capacità del modello di rappresentare in modo realistico le prestazioni della macchina. L’integrazione con il modello di accumulo ha permesso di implementare due strategie di controllo rule-based, basate rispettivamente sul prezzo orario dell’energia e sull’intensità oraria delle emissioni. Le strategie sono state applicate a diverse capacità di accumulo per analizzare l’impatto della taglia del TES su costi, consumi e prestazioni. I risultati mostrano che, pur riuscendo a spostare parte dei consumi verso ore più favorevoli, l’effetto delle strategie è compensato dal peggioramento delle prestazioni della pompa di calore durante la fase di carica, dovuto alle temperature di mandata più elevate. Ciò comporta un incremento dei costi fino al 13.8% e delle emissioni fino al 12.1% rispetto alla strategia base senza accumulo. La flessibilità energetica, quantificata attraverso un apposito indicatore, evidenzia che l’aumento della capacità dell’accumulo incrementa la possibilità di spostare il carico termico dalle ore a prezzo elevato verso quelle a prezzo medio-basso e, in modo analogo, dalle ore a più alta intensità di CO₂ verso quelle a minore impatto, con valori che raggiungono rispettivamente il 35.5% e il 22%. Questi risultati dimostrano l’efficacia del modello proposto nel descrivere il comportamento della pompa di calore e del sistema integrato con accumulo, oltre a evidenziare le potenzialità di tali sistemi nel contribuire alla flessibilità energetica complessiva.