Design and control of a combined heat pump and internal combustion engine plant

The present work-thesis includes the modeling and the analysis of a combined plant, enslaved to the district heating line of the suburb of the city of Milan. The plant is composed by a heat pump, whose aim is to actuate a firts heating process on the water flow rate required by the utilities present in the district heating line, and by an internal combusiton engine, whose aim is twofold: it produces the electic power required by the compressors, when possible, and completes the heating process, after which the hot water is sent to the utilities. In this context, a series of Macro has been created in Microsoft Excel VBA, in order to derive the performances of the heat pump and then, combining the motor performances, to evaluate the performances of the combined plant at nominal conditions. Once the nominal operating point is determined, the response of the entire plant has been evaluated, varying the thermal load. Finally, in the context of reducing the fuel consumption of this kind of plants, the best control strategy has been determined, evaluating the possibility to connect the plant also to the italian electric network.

Il seguente lavoro di tesi vede la costruzione di un modello di calcolo e la successiva analisi di un impianto cogenerativo, asservito alla rete di teleriscaldamento nella periferia di Milano. L'impianto é costituito da una pompa di calore, il cui compito é quello di effettuare un primo riscaldamento dell'acqua richiesta dalle utenze inserite nella rete di distribuzione, e da un motore a combustione interna, il cui fine é duplice: fornire la potenza elettrica necessaria ai compressori della pompa di calore e completare il riscaldamento dell'acqua calda, che successivamente viene inviata alle utenze. In quest'ottica è stato prodotta una serie di Macro in Microsoft Excel VBA, volte all'ottenimento delle prestazioni della pompa di calore, che successivamente vengono combinate con quelle del motore, per valutare le prestazioni dell'impianto alle condizioni nominali. Una volta determinate, é stata valutata la risposta dell'impianto al variare del carico termico, determinandone il comportamento anche in condizioni fuori progetto. Infine, una valutazione della miglior strategia di regolazione del sistema é stata effettuata, con la possibilità di allacciare l'impianto alla rete di distribuzione dell'energia elettrica italiana, nell'ottica di minimizzare i consumi di combustibile per generare la potenza termica richiesta.