Performance analysis of multi-source heat pumps: a regression-based approach to energy performance estimation

The urgent need for energy-efficient heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) systems is driven by the global energy crisis and the necessity to reduce carbon emissions in the building sector. Heat pumps, as a sustainable alternative to conventional heating and cooling systems, play a crucial role in achieving decarbonization goals. However, existing studies often focus on isolated heat pump configurations and lack a comprehensive comparative analysis across different climatic conditions. Additionally, detailed numerical simulations, while accurate, are complex and time-consuming, limiting their accessibility for preliminary system selection. This thesis addresses these research gaps by systematically analysing the performance of multiple heat pump configurations—Air Source Heat Pumps (ASHP), SolarAssisted Heat Pumps (SAHP), Ground Source Heat Pumps (GSHP), Solar-Assisted Ground Source Heat Pumps (SAGSHP), and hybrid dual-source systems—under diverse climate conditions in Italy. Using TRNSYS simulations, the study evaluates their efficiency in providing space heating, cooling, and domestic hot water (DHW). The results indicate that SAGSHP achieved the highest Seasonal Coefficient of Performance (SCOP) of 4.68 in Palermo, while the lowest SCOP was observed for ASHP, reaching 3.18 in colder climates like Dobbiaco. For cooling, SAGSHP exhibited the highest Energy Efficiency Ratio (EER) of 6.18 in Dobbiaco, whereas ASHP had the lowest EER at 4.14. Furthermore, to bridge the gap between complex simulations and practical decisionmaking, regression based predictive models are developed. These models enable rapid performance estimations based on key climatic parameters, such as air temperature, solar irradiation, and ground temperature, making them accessible to engineers, policymakers, and investors. The regression analysis demonstrated strong predictive accuracy, with R² values ranging from 0.83 to 0.94 across different configurations, with the highest accuracy observed for SAGSHP (R² = 0.94). The results highlight the superior efficiency of hybrid and multi-source heat pumps, particularly in optimizing energy performance across varying climatic zones. This research not only enhances the understanding of heat pump performance but also provides a practical tool for accelerating the adoption of sustainable HVAC technologies in the transition toward low-carbon buildings.

L'urgente necessità di sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) ad alta efficienza energetica è guidata dalla crisi energetica globale e dall'imperativo di ridurre le emissioni di carbonio nel settore edilizio. Le pompe di calore, come alternativa sostenibile ai sistemi di riscaldamento e raffrescamento convenzionali, svolgono un ruolo cruciale nel raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione. Tuttavia, gli studi esistenti si concentrano spesso su configurazioni isolate di pompe di calore e mancano di un'analisi comparativa completa nelle diverse condizioni climatiche. Inoltre, le simulazioni numeriche dettagliate, sebbene accurate, sono complesse e richiedono molto tempo, limitandone l’accessibilità per la selezione preliminare dei sistemi. Questa tesi affronta tali lacune analizzando sistematicamente le prestazioni di diverse configurazioni di pompe di calore—pompe di calore ad aria (ASHP), pompe di calore assistite da energia solare (SAHP), pompe di calore geotermiche (GSHP), pompe di calore geotermiche assistite da energia solare (SAGSHP) e sistemi ibridi a doppia sorgente—in diverse condizioni climatiche in Italia. Utilizzando simulazioni TRNSYS, lo studio valuta l’efficienza di questi sistemi nella fornitura di riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria (DHW). I risultati indicano che SAGSHP ha ottenuto il massimo Coefficiente di Prestazione Stagionale (SCOP) pari a 4,68 a Palermo, mentre ASHP ha mostrato il valore più basso di 3,18 nelle aree più fredde, come Dobbiaco. Per il raffrescamento, SAGSHP ha raggiunto il massimo Indice di Efficienza Energetica (EER) di 6,18 a Dobbiaco, mentre ASHP ha ottenuto il valore più basso con un EER di 4,14. Inoltre, per colmare il divario tra simulazioni complesse e applicazioni pratiche, sono stati sviluppati modelli predittivi basati sulla regressione. Questi modelli consentono stime rapide delle prestazioni basate su parametri climatici chiave, come temperatura dell'aria, irraggiamento solare e temperatura del suolo, rendendoli strumenti accessibili per ingegneri, responsabili politici e investitori. L'analisi di regressione ha dimostrato un'elevata precisione predittiva, con valori di R² compresi tra 0,83 e 0,94 per le diverse configurazioni, con il valore più alto osservato per SAGSHP (R² = 0,94). I risultati evidenziano la superiore efficienza delle pompe di calore ibride e multisorgente, in particolare nell'ottimizzazione delle prestazioni energetiche in diverse zone climatiche. Questa ricerca non solo migliora la comprensione delle prestazioni delle pompe di calore, ma fornisce anche uno strumento pratico per accelerare l'adozione di tecnologie HVAC sostenibili, contribuendo alla transizione verso edifici a basse emissioni di carbonio.