Development and validation of a thermodynamic model of a ground source heat pump in IPSEpro environment

In 2024, the University of Stavanger (UiS) commissioned a heat pump–based energy plant to provide heating and cooling for the campus. Given the recent installation of the plant, there is no validated thermodynamic model available to conduct performance evaluation under different operating conditions. The development of such a model is essential to analyze system behavior, investigate operating scenarios that cannot be tested on the real plant and identify possible inefficiencies while reducing experimental costs. This thesis presents the development and validation of a thermodynamic model of the ground source heat pump system in the IPSEpro simulation environment. The modeling approach aims to achieve a balance between physical accuracy and computational simplicity taking into account the steady-state nature of the software and its technical limitations. Dedicated models were developed for the main system components like the compressor and the borehole field. Model results were validated against available operational data, demonstrating satisfactory agreement with discrepancies remaining within ±10% for most operating conditions. Overall, the proposed modeling approach provides a reliable representation of the system behavior under typical operating conditions and constitutes an effective tool for performance analysis as well as system validation and future optimization studies. The identified limitations also highlight directions for further model improvements such as the implementation of advanced control strategies and time dependent effects.

Nel 2024, presso l’Università di Stavanger (UiS), è stato messo in servizio un impianto energetico basato su pompa di calore per fornire riscaldamento e raffrescamento al campus. Data la recente installazione dell’impianto non è ancora disponibile un modello termodinamico validato per la valutazione delle prestazioni in diverse condizioni operative. Lo sviluppo di tale modello è essenziale per analizzare il comportamento del sistema, studiare scenari operativi non verificabili sull’impianto reale e individuare potenziali inefficienze riducendo i costi sperimentali. Questa tesi presenta lo sviluppo e la validazione di un modello termodinamico del sistema a pompa di calore geotermica nell’ambiente di simulazione IPSEpro. L’approccio di modellizzazione ha come obbiettivo quello di raggiungere un equilibrio tra accuratezza fisica e semplicità computazionale, tenendo conto della natura stazionaria del software e delle sue limitazioni tecniche. Sono stati inoltre sviluppati modelli dedicati per i principali componenti del sistema, quali il compressore e il campo sonde geotermiche. I risultati sono stati validati rispetto ai dati operativi disponibili, mostrando una buona concordanza, con scostamenti entro ±10% per la maggior parte delle condizioni operative. Nel complesso, l’approccio di modellizzazione proposto fornisce una rappresentazione affidabile del comporta mento del sistema in condizioni operative tipiche e costituisce uno strumento efficace per l’analisi delle prestazioni e per futuri studi di ottimizzazione. Le limitazioni individuate evidenziano inoltre possibili sviluppi futuri del modello, quali l’implementazione di strategie di controllo avanzate e la considerazione di effetti dipendenti dal tempo.