Simulazione dinamica e ottimizzazione di sistemi HVAC ibridi con fotovoltaico e accumulo PCM nel progetto LIFE ITS4ZEB

The growing share of renewable generation is shifting the challenge of building heating from efficiency alone toward flexibility. Electrified heating systems deliver the greatest emissions benefits when their operation is aligned with the availability of clean, low-cost, or locally generated electricity. Latent thermal energy storage based on phase change materials (PCM) can provide this flexibility by decoupling heat production from heat demand. Realizing this potential requires effective control strategies able to coordinate heat production, storage charging and discharging, and direct heat-pump operation. However, such strategies are difficult to design and evaluate using hardware alone. This thesis, developed within the LIFE iTS4ZEB project, presents a dynamic Python simulation tool for an integrated system combining a heat pump, a PCM thermal store, fan-coil distribution, multi-zone building demand and onsite photovoltaics. The model is built around a component-and-node structure, where hydraulic elements are represented as port components connected through network nodes. The main device physics are described through performance maps, enthalpy-based model for the PCM store, and RC thermal models for the building zones. A rule-based controller is developed to minimize net CO₂ emissions while maintaining thermal comfort. Its parameters are tuned using gradient-free optimization, reflecting the non-smooth objective introduced by the controller’s switching logic. Annual simulations compare the optimized controller with a baseline in terms of emissions, thermal comfort, and photovoltaic self-consumption. The results show that the PCM storage logic enables the system to operate as a flexible, grid-responsive load, increasing its ability to exploit low-carbon and locally generated electricity.

Con la crescente penetrazione delle rinnovabili nel sistema elettrico, la prestazione di un impianto di riscaldamento non si misura più nella sola efficienza: assume pari rilievo la flessibilità, intesa come capacità di spostare i consumi nelle ore in cui l'elettricità è a basse emissioni, economica o autoprodotta. A questo scopo l’accumulo termico latente a materiali a cambiamento di fase (PCM) offre una soluzione, che svincola la produzione di calore dall’istante della richiesta. Il beneficio effettivo è però determinato dalla strategia di controllo, chiamata a decidere quando produrre calore, quando caricare o scaricare l'accumulo e quando servire direttamente l'edificio con la pompa di calore. Il presente lavoro, svolto nell'ambito del progetto LIFE iTS4ZEB, propone uno strumento di simulazione dinamica, sviluppato in Python, per un sistema integrato costituito da pompa di calore, accumulo termico a PCM, distribuzione a fancoil, edificio multi-zona e impianto fotovoltaico. Il modello adotta un'architettura a componenti e nodi, nella quale gli elementi idraulici sono rappresentati come componenti dotati di porte, interconnessi mediante i nodi di una rete. Il comportamento fisico dei dispositivi principali è descritto da mappe di prestazione, da un modello entalpico per l'accumulo PCM e da reti termiche RC per le zone dell’edificio. Il simulatore è quindi impiegato per sviluppare un controllore che minimizza le emissioni nette di CO₂ nel rispetto di un vincolo di comfort termico. Poiché la logica di commutazione rende la funzione obiettivo non regolare, la taratura dei parametri ricorre a un'ottimizzazione senza gradiente. Le simulazioni annuali confrontano il controllore ottimizzato con una strategia di riferimento rispetto a emissioni, comfort termico e autoconsumo fotovoltaico, ed evidenziano come la gestione dell'accumulo trasformi il sistema in un carico flessibile, capace di seguire le condizioni della rete e di valorizzare l'elettricità a basse emissioni e autosufficienza.