Analysis of measurement data from heat pump system installed in northern Europe and evaluation of potential energy saving achievable with a predictive control

The present thesis project is based on the analysis of a database characterized by 4132 heat pump (HP) units, actually working on the Swedish territory. Among the available devices it is possible to find air-air HP and ground source HP. The main goals of the analysis are related to the definition of the machine’s main critical aspects, the performance and their evolution over time. Once the database study has been completed, the next step was to develop a new “predictive” control logic able to use solar radiation forecasts to improve HP heating systems performance. To test the logic it has been considered a specific unit of the database and it has been used TRNSYS® as software. The adopted logic is characterized by the supply temperature correction on the base of the solar energy stored by the building in the following 24 hours. Only the case of perfect predictions has been considered, underlining the maximum potential of the new control strategy. All the required data has been uploaded from an open weather data website. On the one hand, the results show a better energy efficiency and a lower discomfort time during the spring period (i.e. March, April, and May) compared to the real case. On the other hand, it is worth noticing some worsening over the other part of the year (i.e. January, February, November, and December). This is due mainly to the great variability of the solar radiation in the northern countries and to the not optimal heating curve’s settings used as control system. On the base of these facts, an additional simulation has been implemented to discover the best heating curve’s settings for the device studied. Once obtained the right values, the new control logic has been used during the months characterized by high level of solar radiation (i.e. March, April, May, September and October).The results report improvements from both an efficiency and a discomfort point of view, emphasizing one more time the importance of adapting the control strategy to the specific situation considered.

Il presente progetto di tesi si basa sull’analisi di un database riguardante l’attività di 4172 unità di pompe di calore attualmente attive sul territorio Svedese. Tra i vari dispositivi si possono trovare sia pompe di calore aria-aria, sia pompe di calore geotermiche (GSHP). Gli obiettivi principali dell’analisi sono riguardanti la definizione degli aspetti critici dei macchinari, le performance e la loro evoluzione nel tempo. Una volta concluso tale studio, si è passati allo sviluppo di una logica di controllo “predittivo” in grado di utilizzare le previsioni di radiazione solare per ottimizzare il funzionamento di un sistema di riscaldamento come quelli precedentemente considerati. La messa a punto della logica è stata condotta su un’unità specifica del database analizzato tramite il software TRNSYS®. E’ importante notare che la simulazione è stata eseguita considerando il caso di perfette previsioni, permettendo di evidenziare il potenziale massimo della logica sviluppata. I risultati ottenuti mostrano che l’utilizzo di tale logica, quando paragonata al caso reale, permette di migliorare l’efficienza energetica del sistema e allo stesso tempo di incrementare la stabilità della temperatura dell’ambiente interno nel periodo primaverile. Invece si evidenziano scompensi nei mesi più freddi dell’anno. Tutto ciò è dovuto alla grande variabilità della radiazione solare, tipica dei paesi nordici, e al non ottimale settaggio della “heating curve” utilizzata come sistema di controllo. Sulla base di questi dati, un’ulteriore simulazione è stata implementata in modo tale da definire la migliore “heating curve” per l’unità studiata. Una volta ottenuti i settaggi ottimali per il caso considerato, la nuova logica di controllo è stata introdotta per i mesi caratterizzati da alti livelli di radiazione solare (i.e. Marzo, Aprile, Maggio, Settembre e Ottobre). I risultati mettono in evidenza dei miglioramenti sia da un punto di vista dell’efficienza energetica della macchina, sia da un punto di vista delle condizioni di discomfort termico, enfatizzando ancora una volta l’importanza di una strategia di controllo in grado di adattarsi al caso specifico considerato.