A simulation model for the thermodynamic performance evaluation of organic Rankine cycle and heat pump systems using a benchmarking methodology

Low Enthalpy geothermal sources, combined with Organic Rankine Cycles (ORC) and heat pumps, are a fast-growing technology that can take advantage of the physical properties of commercial working fluids, to provide both heating and power generation to numerous types of buildings, from private houses and farms, up to small towns and districts. Process simulation is a powerful means for evaluating under which conditions these kinds of projects can be implemented, in order to achieve maximum efficiency and minimize costs. This work would present a heat pump and ORC process simulation, using a commercial software, IPSEpro®, which computes both mass and energy balances. The methodology focuses on knowledge benchmarking, and sensitivity analysis, for low enthalpy cycles. This approach consists of creating a model from existing scientific literature’s examples, running cycles’ simulations under the same conditions, and eventually comparing results. The comparison allows defining a baseline model, from which several simulations would be carried out by changing a parameter at a time. The variations applied to the design point cycles regard the working fluids and the geothermal source temperature. With the sensitivity analysis, it has been proved that both models are reliable and adjustable to different operating parameters, consistent with the literature. Thanks to the first sensibility analysis, it has been possible to observe that for both cycles, as the geothermal temperature increases, the efficiency improves. In the second analysis, several refrigerants have been implemented into the baseline cycles. Finally, it has been found out that the best performing refrigerant depends on the given cycle; likewise, the models show flexibility when it comes to applying different working fluids.

Le fonti geotermiche a bassa entalpia combinate a cicli Rankine organici (ORC) e pompe di calore, costituiscono una tecnologia in rapida crescita capace di sfruttare le proprietà fisiche di fluidi di lavoro disponibili sul mercato, al fine di fornire sia riscaldamento, sia energia elettrica, a numerosi tipi di edifici, tra cui case private, fattorie, città e aree metropolitane. Un mezzo efficace per valutare in quali condizioni possono essere implementati i progetti di questo tipo, al fine d’ottenere la massima efficenza e ridurre i costi, è rappresentato dalla simulazione computazionale di processi. Il presente lavoro concerne dunque simulazioni dei cicli di una pompa di calore e un ORC, ottenuta utilizzando il software IPSEpro®, in grado di elaborare bilanci di massa ed energia. La metodologia si basa sull’analisi comparativa e sull'analisi di sensibilità per cicli a bassa entalpia. L’approccio consiste nel riprodurre un modello basato su esempi esistenti nella letteratura scientifica, produrre simulazioni di cicli a condizioni assegnate, e confrontarne i risultati finali. Il confronto consente di definire un modello di riferimento, mediante il quale è possibile avviare simulazioni che differiscono di un parametro alla volta. Le variazioni apportate ai cicli nel loro punto di progetto riguardano i fluidi di lavoro e la temperatura della sorgente geotermica. Mediante l'analisi di sensibilità, si è constatato che entrambi i modelli sono affidabili e flessibili rispetto alle diverse condizioni operative, in coerenza con la letteratura. Nel primo processo d’analisi, in entrambi i cicli si è osservato che l’efficenza aumenta al crescere della temperatura. Durante la seconda analisi, la simulazione dei cicli è stata implementata con l’utilizzo di refrigeranti diversi. In conclusione, è stato riscontrato che il refrigerante risulta tanto più efficace quanto più adeguato al singolo ciclo, e che i modelli mostrano flessibilità rispetto all’applicazione dei differenti fluidi di lavoro.