Optimization of a heat pump-based heating system control logic through dynamic simulations and fault detection

Given the current European objectives related to the challenge of buildings decarbonisation, an important role can be played by hybrid systems with heat pumps. The thesis concerns the optimization of the heating system control logic of a real case study through dynamic simulations and fault detection with the goal to improve its overall energy efficiency. The work conducted is divided in two main sections: the first one is the optimization of the heating system control strategy through an ad hoc TRNSYS dynamic model; the second one is the analysis and fault detection of the system operation thanks to a monitoring system (Optimo IoT). The outcomes are discussed from an energetic, economic, and environmental impact perspective. The results of dynamic simulations reveal an inadequate thermal storage dimensioning, leading it to operate as a hydraulic separator rather than an actual technical storage. Moreover, the implementation of a night set back feature is proposed as a solution to address the increased discomfort hours deriving from the heating block from 11 p.m. to 5 a.m. To improve the energy efficiency of the real heating system – regulated with a constant heat pump set point – and to achieve better indoor thermal comfort, an optimization process based on the employment of climatic curves is performed. At its conclusion, a climatic curve with monthly COPs increased from 2% to 11% and a SCOP increased by 4% is suggested to be implemented within the real plant. In parallel with the TRNSYS simulations, a detailed fault detection of the real building and a performance assessment are conducted. Thanks to the monitoring of different parameters some improvements are proposed and applied, leading to a more efficient operation of the hybrid heating system (with an increase in heat pump operating hours from 8% to 45% and a decrease in the boiler ON-hours from 92% to 55%). The incorrect sizing of the storage tank is observed in the real case as well as in the TRNSYS model emphasizing their interconnection. The economic analysis highlights a potential saving of 106 €/year and a percentage decrease in annual energy costs of around 2% from integrating a climatic curve in the heat pump control logic. The environmental assessment shows a reduction in emissions of about 86 kgCO2eq from the real case to the optimized case, representing a percentage decrease of around 1.50%. A scenario including the presence of photovoltaic panels is discussed as well, where the annual CO2 emissions from electricity consumption decrease by 21%, outlining the positive effect of renewable resources on the environmental impact of the heating system. The results of the present work are strongly influenced by the simplified heat pump model, which is based on specific performance maps provided by the manufacturer.

Visti gli attuali obiettivi europei legati alla sfida della decarbonizzazione degli edifici, un ruolo importante può essere svolto dai sistemi ibridi con pompe di calore. La tesi tratta l'ottimizzazione della logica di controllo del sistema di riscaldamento di un caso studio reale attraverso simulazioni dinamiche e fault detection, con l'obiettivo di migliorarne l’efficienza energetica complessiva. Il lavoro condotto è diviso in due sezioni principali: la prima è l'ottimizzazione della strategia di controllo del sistema di riscaldamento attraverso un modello dinamico costruito ad hoc in TRNSYS; la seconda è l'analisi e la fault detection del funzionamento dell’impianto grazie a un sistema di monitoraggio (Optimo IoT). I risultati sono discussi da una prospettiva energetica, economica e ambientale. Le simulazioni dinamiche rivelano un dimensionamento inadeguato dell’accumulo tecnico, il quale funziona come un separatore idraulico piuttosto che come un serbatoio di accumulo. Inoltre, viene proposta l'implementazione di un set back notturno per affrontare l'aumento delle ore di discomfort derivante dal blocco al riscaldamento dalle 23:00 alle 05:00. Per migliorare l'efficienza energetica dell'impianto reale – pompa di calore a set point costante – e per ottenere un migliore comfort termico indoor, viene effettuato un processo di ottimizzazione basato sull'impiego di curve climatiche. Alla sua conclusione, viene suggerita l'implementazione di una curva climatica con COP mensili incrementati dal 2% all'11% e un SCOP aumentato del 4%. In parallelo con le simulazioni TRNSYS, viene condotta una dettagliata fault detection dell’edificio reale e una valutazione delle sue prestazioni. Grazie al monitoraggio di diversi parametri vengono proposte e applicate alcune migliorie che portano a un funzionamento più efficiente del sistema di riscaldamento ibrido (con un aumento delle ore di funzionamento della pompa di calore dal 8% al 45% e una diminuzione delle ore di funzionamento della caldaia dal 92% al 55%). La dimensione errata del serbatoio di accumulo viene osservata sia nel caso reale che nel modello TRNSYS, evidenziando la loro interconnessione. L'analisi economica evidenzia un potenziale risparmio di 106 €/anno e un decremento percentuale dei costi energetici annuali pari a circa il 2% grazie all’integrazione di una curva climatica nella logica di controllo della pompa di calore. La valutazione ambientale mostra una riduzione delle emissioni di circa 86 kgCO2eq dal caso reale al caso ottimizzato, rappresentando una diminuzione percentuale dell’1.50%. Inoltre, viene presentato uno scenario che include la presenza di pannelli fotovoltaici, dove le emissioni annuali di CO2 dovute al consumo di elettricità diminuiscono del 21%, rimarcando l'effetto positivo delle risorse rinnovabili sull'impatto ambientale del sistema di riscaldamento. I risultati sono fortemente influenzati dal modello semplificato della pompa di calore, il quale si basa su dati specifici forniti dal produttore.