ProAir advanced indoor climate control system : innovative HVAC system for net zero energy houses

Policy and building regulations require energy efficiency investments in the building sector, which is responsible for about 40% of energy consumption and greenhouse gas emissions. The market size for a highly efficient ventilation system that can provide heating and cooling with humidity control is huge and growing. In this context fits the new multi-years project regarding the PAICCS system. The ProAir Advanced Indoor Climate Control System (PAICCS) is an innovative, high performance, energy efficient system, which heats, cools, controls humidity and always delivers fresh air to create a healthy indoor environment with high indoor air quality. The PAICCS system comprises two main elements, an enthalpy recuperator and a heat pump. The enthalpy recuperator can act as a sensible heat recovery or as an enthalpy recuperator (sensible plus latent heat recovery). The small, modular, prefabricated wall unit will be used mainly in housing, but will have application in offices, shops, restaurants and any indoor space. The project, that involved several institutions, companies and universities, is in its first phase of development and the main purpose of this study is to evaluate the progress done with the informatics environment and understand the strength and the weaknesses of the system at this point of the project in order to plan the future steps. The document is structured as follow. The first chapter is an overview over the European policy framework regarding the energy efficiency in buildings. In particular we focus the attention on the most important directive of the recent past, like the Directive 2002/91/EC, the Directive 2010/31/UE and the national implementation plans. The second chapter talks about the heat recovery system and energy recovery system explaining the differences and focuses the attention over the most important technologies offered by the market. The last section is dedicated to explain in detail the idea over the PAICCS system. The third chapter presents the real case study chosen for the analysis of the system, how it is created with the software and all the relevant parts with all the assumptions done. The fourth chapter is a description of the model created with the modeling language Modelica, using the commercial modeling and simulation environment Dymola, focusing the attention over the components analyzed. Chapter five explains the tests done on the enthalpy recuperator part of the PAICCS system used as an enthalpy recovery unit in order to ensure the proper functioning and analyze some important aspects of the outputs provided. The sixth chapter talks about the tests done on the enthalpy recuperator of the PAICCS system used as a sensible recovery unit. The seventh chapter analyses the coefficient of performance of the PAICCS system incorporating both, the heat pump and the enthalpy recovery unit. Chapter eight focus on the assessment of possible control approaches and a comparison analysis between the three different control logics identified. The ninth chapter discusses the coupling of building and plants and explains the methods of coupling and all the scenarios analyzed with all the hypothesis and the consideration done. Chapter ten is the comparison of the results obtained focusing the attention on those that are useful for evaluating the progress of the project. Chapter eleven, the last, draw conclusions over the PAICCS system at this point of the project and explains the future steps planned.

Le politiche regolative richiedono investimenti riguardanti l’efficienza energetica nel settore edilizio, che è responsabile di circa il 40% del consumo energetico e delle emissioni di gas serra. Il mercato dei sistemi di ventilazione ad alta efficienza in grado di fornire riscaldamento e raffrescamento con controllo dell’umidità è vasto e in continua crescita. In questo contesto si inserisce il progetto pluriennale che riguarda il sistema PAICCS. PAICCS (ProAir Advanced Indoor Climate Control System) è un sistema innovativo, performante ed energeticamente efficiente in grado di riscaldare, raffrescare, controllare l’umidità e in grado di offrire sempre aria fresca al fine di creare un ambiente interno sano, con aria interna di alta qualità. Il sistema PAICCS comprende due elementi principali: un recuperatore entalpico e una pompa di calore. Il recuperatore entalpico è in grado di funzionare sia come recuperatore di calore sensibile che come recuperatore di calore latente. L’unità è piccola, modulare e prefabbricata e sarà utilizzata principalmente nelle abitazioni, ma avrà applicazioni anche negli uffici, nei negozi, nei ristoranti e in qualsiasi spazio interno. Il progetto, che coinvolge numerose istituzioni, aziende e università, è nella sua prima fase di sviluppo e lo scopo principale di questo studio è valutare i progressi fatti tramite l’ambiente informatico ed indagare sulle forze e sulle debolezze del sistema dopo questa prima fase, al fine di pianificare i passi futuri da compiere. Il documento è strutturato come segue. Il primo capitolo è una panoramica del quadro normativo europeo riguardante l’efficienza energetica negli edifici. In particolare si focalizza l’attenzione sulle più importanti direttive del recente passato, come la Direttiva 2009/91/EC, la Direttiva 2010/31/UE e i piani nazionali di implementazione. Il secondo capitolo tratta dei recuperatori di calore sensibili e dei recuperatori di calore entalpici, spiegando le differenze tra questi due sistemi di recupero del calore e focalizzando l’attenzione sulle più importanti tecnologie offerte dal mercato. L’ultima sezione è dedicata alla spiegazione nel dettaglio dell’idea riguardante il sistema PAICCS. Il terzo capitolo presenta il caso di studio reale scelto per le analisi del sistema, spiega infatti come viene creato tramite programmi informatici in tutte le sue parti e propone tutte le assunzioni fatte. Il quarto capitolo è una descrizione del modello del sistema PAICCS creato tramite il linguaggio di modellazione Modelica, tramite l’interfaccia commerciale dell’ambiente di simulazione Dymola, e focalizza l’attenzione sui componenti che verranno analizzati. Il quinto capitolo riguarda le prove fatte sul recuperatore entalpico del sistema PAICCS, usato come unità di recupero entalpica, al fine di assicurare il corretto funzionamento e analizzare alcuni aspetti importanti dei risultati ottenuti. Il sesto capitolo si sofferma invece sulle prove riguardanti il recuperatore entalpico del sistema PAICCS, usato come unità di recupero del calore sensibile. Il settimo capitolo analizza il coefficiente di prestazione del sistema integrato, composto dal recuperatore entalpico e dalla pompa di calore. Il capitolo otto si focalizza sulla valutazione dei possibili approcci riguardanti le logiche di controllo e sull’analisi di confronto tra le tre diverse logiche di controllo identificate. Il nono capitolo si discute l’accoppiamento tra l’edificio del caso studio e i vari tipi di impianto e spiega le modalità di accoppiamento tramite programmi informatici. Vengono presi in esame tutti gli scenari analizzati con le varie ipotesi e considerazioni preliminari del caso. Il capitolo dieci riguarda il confronto dei risultati ottenuti e focalizza l’attenzione su quelli che risultano utili alla valutazione dei progressi del progetto. Il capitolo undici traccia le conclusioni sul sistema PAICCS dopo la prima fase di sviluppo e spiega i futuri passi pianificati.