Valutazione e ottimizzazione delle prestazioni energetiche di sistemi a pompa di calore a doppia sorgente tramite simulazioni numeriche e test sperimentali Hardware-in-the-Loop

La presente tesi di dottorato indaga le prestazioni di pompe di calore a doppia sorgente (DSHP), sistemi innovativi in grado di sfruttare dinamicamente aria e terreno come sorgenti termiche esterne per massimizzare l'efficienza energetica. La ricerca affronta i limiti delle tradizionali pompe di calore aerotermiche (ASHP) e geotermiche (GCHP) tramite due approcci: l’analisi numerica di diverse strategie di regolazione della sorgente esterna al variare della lunghezza complessiva del campo di sonde geotermiche e lo sviluppo di una nuova metodologia sperimentale Hardware-in-the-Loop (HiL) per la valutazione delle prestazioni energetiche annuali (APF) di sistemi a pompa di calore. L'approccio sperimentale proposto si basa sull'estrapolazione dell’APF a partire dal testing di un numero ridotto di giorni rappresentativi. La metodologia viene applicata a due distinte architetture di DSHP. L'analisi numerica in ambiente Matlab-Simulink dimostra che la logica di controllo influenza significativamente l’APF e che la sua efficacia dipende dalla taglia del campo sonde. La DSHP ha mostrato prestazioni superiori rispetto alla ASHP e GCHP, ottenendo un APF più alto fino al 37% e all’8%, rispettivamente, anche in presenza di campi sonde sottodimensionati (fino al 50% più corti), contribuendo contestualmente a mitigare la deriva termica del terreno e limitare il numero di cicli di defrost. Sul fronte sperimentale, i test HiL su un prototipo evidenziano la capacità di un campo sonde reale sottodimensionato (70% più corto) di recuperare l’80% della sua energia iniziale con un’ora di riposo. Inoltre, dai test HiL su un secondo prototipo emergono discrepanze significative nelle prestazioni giornaliere (fino al 25%) rispetto ai modelli numerici standard, sottolineando l'importanza dei test dinamici per l’analisi dei regimi transitori, pur mantenendo uno scostamento sull'APF inferiore al 5%. In conclusione, lo studio conferma il potenziale delle DSHP come soluzione di retrofit efficiente per ridurre i costi di investimento geotermici e garantire la stabilità termica del suolo.