Performance simulation of hybrid units to provide heat, power and cool for buildings in variable energy price scenario

Italian residential sector accounts for 21% of the total energy consumption and is responsible for the emission of more than 40 megatons of CO2 per year. The thesis aims to develop a software able to optimize and compare modern solutions to provide heat electricity and cooling to residential and commercial buildings. Systems proposed would replace old and inefficient systems reducing energy consumption and CO2 emissions. The developed software is able to identify the best distribution of the loads among the machines present in the system to obtain the minimum operating cost. The software is designed to work innovatively considering a scenario of hourly varying energy prices and instantly calculating machines performance based on climatic and load conditions. 8 solutions are compared economically and energetically within the software, each of them optimized to operate at the minimum cost of the system. Solutions compared are: • Gas condensing boiler system, reference case • Two heat pump plus gas condensing boiler systems, following two operational logics, on-off logic and hybrid logic. • Heat pump plus electric resistance solution operated following hybrid logic • Co-generative solution based on ICE CHP plus a gas condensing boiler • Co-generative solution based on SOFC CHP plus a gas condensing boiler • Co-generative solution based on ICE CHP plus heat pump plus gas condensing boiler • Co-generative solution based on ICE CHP plus heat pump plus gas condensing boiler Each plant, except reference case, is coupled with a PV plant whose size depends on the available space of the building. The software applies DCF analysis to evaluate the best economical solution comparing each plant to reference case. To perform DCF calculation an ad-hoc tariff for energy price has been built based on hourly PUN for electricity price and on daily gas market results published by GSE for gas price. each plant is optimized to find the minimum hourly cost by making the best use of the machines present in the considered solution and of the gas and electricity networks. The operation of the software is illustrated by indicating the necessary input data and the calculated results. Solutions implemented in the software are compared energetically by analysing the different ways of meeting the energy demands of the buildings. Finally, the influence of the energy price is analysed followed by 2 real case studies concerning a hotel and a condominium.

Il settore residenziale italiano costituisce il 21% del consumo totale di energia ed è responsabile dell'emissione di più di 40 mega tonnellate di CO2 all'anno. L'obiettivo della tesi è di sviluppare un programma in grado di ottimizzare e confrontare soluzioni moderne per fornire calore elettricità e raffrescamento ad edifici commerciali e residenziali sostituendo sistemi vecchi e inefficienti e riducendo i consumi energetici e le emissioni di CO2. Il software sviluppato è in grado di individuare la miglior distribuzione dei carichi tra le macchine presenti nel sistema per ottenere il minimo costo operativo. Il software è progettato per lavorare in modo innovativo considerando uno scenario con prezzi dell'energia variabili e calcolando istantaneamente le prestazioni delle macchine in base alle condizioni climatiche e di carico. Il programma compara economicamente ed energeticamente 8 soluzioni, ognuna delle quali ottimizzata per operare al minimo costo del sistema. Le soluzioni confrontate sono: • Sistema basato su caldaia a condensazione a gas, caso di riferimento • Due Sistemi basati su pompa di calore più caldaia a condensazione a gas, il primo applicando una logica on-off e il secondo una logica ibrida. • Soluzione basata su pompa di calore più resistenza elettrica, operante secondo una logica ibrida • Soluzione cogenerativa basata su ICE CHP più una caldaia a condensazione a gas • Soluzione cogenerativa basata su SOFC CHP più una caldaia a condensazione a gas • Soluzione cogenerativa basata su ICE CHP più pompa di calore più caldaia a condensazione a gas • Soluzione cogenerativa basata su ICE CHP più pompa di calore più caldaia a gas a condensazione Ogni impianto, tranne il caso di riferimento, è accoppiato ad un impianto fotovoltaico la cui dimensione dipende dallo spazio disponibile dell'edificio. Il software applica l'analisi DCF per valutare la migliore soluzione economica confrontando ogni impianto con il caso di riferimento. Per eseguire il calcolo DCF è stata costruita una tariffa ad-hoc per il prezzo dell'energia basata sul PUN orario per il prezzo dell'elettricità e sui risultati giornalieri del mercato del gas pubblicati dal GSE per il prezzo del gas. Ogni impianto è ottimizzato per trovare il minimo costo orario facendo il miglior uso delle macchine presenti nella soluzione considerata e delle reti di gas ed elettricità. Il funzionamento del software è illustrato indicando i dati di input necessari e i risultati calcolati. Le soluzioni implementate nel software vengono confrontate energeticamente analizzando il diverso modo di soddisfare le domande energetiche degli edifici. Infine, viene analizzata l'influenza del prezzo dell'energia seguita da 2 casi studio reali riguardanti un hotel e un condominio.