Enabling building flexibility for local flexibility markets: a comfort-preserving strategy for HVAC systems

The increasing penetration of renewable energy sources and the resulting variability in electricity generation require the grid operator to play an increasingly significant role in securing balancing services to ensure grid stability. Local flexibility markets are emerging as promising instruments to manage network congestion at the distribution level. In this context, buildings that are responsible for 40% of the global electrical consumption in Europe, can play a key role as providers of flexible demand. This study investigates the potential of hybrid HVAC systems in commercial buildings to provide demand-side flexibility. The research focuses on modulating Air Handling Unit operation as a primary tool for offering grid services while maintaining occupant comfort. Using real-world monitoring data from an office complex in Milan, descriptive and predictive models were developed and validated to estimate the building's capacity for temporary electricity consumption reduction. The investigation reveals that while fan coil units manage thermal comfort, AHUs, primarily responsible for air renewal, are the most suitable component for short-duration flexibility actions. Analysis of historical AHU shutdown periods, used as a proxy for flexibility events, identified CO2 concentration as the most critical constraint, limiting shutdown durations to a promising 100–120 minutes. Notably, this duration was found to be independent of external temperature and humidity, enabling flexibility services even during peak grid stress. Under the same climatic scenario, the energy model implemented estimates the maximum flexibility capacity available, equal to 275.6 kW (3.3 W/m³). Furthermore, these flexibility actions can achieve a substantial 30% reduction in the HVAC system’s electrical consumption compared to baseline operation. Then a "dual" bidding strategy is proposed to differentiate participation in forward and spot local flexibility markets, reducing non-delivery risk. Although the methodology provides a replicable framework, the reliance on proxy data (due to an absence of real flexibility events) underlines the need for future validation. The methodology presented, which can be easily replicated in other buildings equipped with hybrid HVAC systems, demonstrates the technical feasibility of integrating terziary buildings into local energy markets and provides a practical framework for their participation in flexibility services. It represents a step forward toward a more resilient and sustainable electric system, promoting demand-side flexibility, supporting the energy transition, and facilitating the integration of renewable sources.

L'aumento delle energie rinnovabili e la loro variabilità impongono al gestore di rete di intensificare i servizi di bilanciamento per la stabilità. I mercati locali di flessibilità sono strumenti efficaci per gestire la congestione della rete di distribuzione. In questo scenario, gli edifici (che consumano il 40% dell'elettricità europea) possono diventare attori fondamentali come fornitori di domanda flessibile. Questo studio indaga il potenziale dei sistemi HVAC ibridi negli edifici commerciali per fornire flessibilità lato domanda. La ricerca si concentra sulla modulazione del funzionamento delle UTA come strumento primario per offrire servizi di rete, mantenendo al contempo il comfort degli occupanti. Utilizzando dati di monitoraggio reali provenienti da un complesso di uffici a Milano, sono stati sviluppati e validati modelli descrittivi e predittivi per stimare la capacità dell'edificio di ridurre temporaneamente il consumo di elettricità. L'analisi dei periodi storici di spegnimento delle UTA, utilizzati come proxy per gli eventi di flessibilità, ha identificato la concentrazione di CO2 come il vincolo più critico, limitando le durate di spegnimento a 100–120 minuti, indipendente dalla temperatura e dall'umidità esterne, consentendo l'erogazione di servizi di flessibilità anche durante i picchi di stress della rete. Nello stesso scenario climatico, il modello energetico implementato stima la capacità massima di flessibilità disponibile, pari a 275,6 kW (3,3 W/m3). Inoltre, queste azioni di flessibilità possono conseguire una sostanziale riduzione del 30% del consumo elettrico del sistema HVAC rispetto al funzionamento di baseline. È stata inoltre implementata una strategia di offerta "duale" per differenziare la partecipazione ai mercati locali di flessibilità a termine e a pronti, riducendo il rischio di mancata erogazione. Sebbene la metodologia fornisca un framework replicabile, l'affidamento a dati proxy, dovuto all'assenza di eventi di flessibilità reali, sottolinea la necessità di una validazione futura. La metodologia dimostra la fattibilità tecnica e fornisce un framework pratico e replicabile per l'integrazione degli edifici del terziario dotati di sistemi HVAC ibridi nei mercati energetici locali favorendo la flessibilità lato domanda e contribuendo a creare un sistema elettrico più resiliente e sostenibile che supporta la transizione energetica e l'integrazione delle fonti rinnovabili.