SISTEMI E IMPIANTI ENERGETICI
COORDINATORE: Prof. Daniele Testi – Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni
Settore scientifico disciplinare: Fisica Tecnica Industriale ING-IND/10
Gestione dei Sistemi Energetici
All’interno di CIRESS è presente un reparto che si occupa della Gestione dei Sistemi Energetici. Esso si avvale di strumenti, know how e tecnologie utili per sviluppare:
- Simulazione energetica dinamica tramite appositi software, per diagnosi ed efficientamento
- Sperimentazione tramite tecniche hardware in the loop
Sistemi energetici termici
Il nostro comparto studia quotidianamente i singoli componenti delle macchine deputate al funzionamento dei sistemi energetici termici. Questa analisi si concentra quindi sul migliore funzionamento di elementi come turbine, compressori, scambiatori di calore, pompe di calore e ulteriori componenti impiantistici.
Un focus particolare è parimenti riservato ai componenti degli impianti deputati a produrre energia rinnovabile, come gli impianti fotovoltaici ed eolici.
Il nostro team analizza il fenomeno fisico di base, lavorando per migliorare le prestazioni dei singoli componenti impiantistici, ragionando sempre in un’ottica di integrazione.
Le tecniche utilizzate per addivenire a questi risultati consistono particolarmente nella modellazione matematica del sistema fisico e nella sua simulazione computazionale.
L’obiettivo è quello di massimizzare le prestazioni energetiche, producendo la minima spesa in rapporto al massimo effetto utile.
Il risultato della nostra attività scientifica si traduce:
- nel miglioramento delle prestazioni delle macchine termiche dirette, che producono energia elettrica;
- nel miglioramento delle prestazioni delle macchine termiche inverse, che forniscono un servizio di natura termica (come il riscaldamento o il raffrescamento);
- nel risparmio energetico, grazie a un’ottimizzazione del dimensionamento e della gestione dei dispositivi utilizzati e attraverso l’individuazione e la minimizzazione degli sprechi energetici;
- la sostenibilità, grazie alla trasformazione dei sistemi tradizionali in sistemi capaci di sfruttare le fonti rinnovabili, instaurando un compromesso virtuoso con le esigenze di natura ambientale.
Gruppi di ricerca
A livello di Componenti, i nostri gruppi di ricerca si avvalgono di un know how di spiccato rilievo, maturato nel corso di anni di esperienza diretta. Prova ne sono i numerosi finanziamenti ottenuti a livello europeo per la progettazione (come quello dell’Agenzia Spaziale Europea sul perfezionamento e l’ottimizzazione dello scambio termico anche in assenza di gravità).
Tra gli studi più recenti e significativi rientrano anche quelli sugli accumuli elettrochimici, una delle frontiere più importanti nell’immediato futuro per l’integrazione delle fonti rinnovabili. Per condurre in porto questi ambiziosi progetti, sviluppiamo quotidianamente una collaborazione trasversale con i colleghi alla guida di altri reparti strategici.
In tema di Sistemi, l’attività dei ricercatori si focalizza sullo sviluppo di tool che permettono la realizzazione di applicativi, poi destinati a diventare software. Queste applicazioni consentono di dimensionare e gestire in modo ottimale sistemi energetici integrati (come edifici, sistemi che producono energia rinnovabile, sistemi di cogenerazione, etc.). La nostra mission è dunque quella di rispondere alle richieste energetiche di diversa natura che ogni sistema ci pone, siano esse elettriche, termiche o di raffreddamento.
L’ottica all’interno della quale ci muoviamo è quella di favorire la costruzione di impianti ibridi, tramite la selezione di componenti diversi e opportunamente dimensionati, per poi veicolare i flussi energetici in modo da ottimizzare il sistema. Per fare tutto questo, abbiamo bisogno di utilizzare tool informatici che favoriscono simili scelte. Lavoriamo quindi fin da subito nell’ottica di una corretta modellazione integrata dei sistemi, per raggiungere gli obiettivi preposti.
I nostri strumenti
Simulatore I nostri gruppi di ricerca possono avvalersi di un simulatore inteso come codice informatico che simula il comportamento di un sistema integrato a fronte di modelli matematici, componenti impiantistici ed equazioni che mettono insieme gli impianti. Questo consente di fornire la migliore progettazione di un sistema dal punto di vista energetico, ambientale ed economico, quindi anche dal punto di vista della sostenibilità. Si tratta di sistemi che arrivano fino alla modellazione dell’edificio o di cluster di edifici.
Dimostratore Per poter validare i risultati ottenuti col calcolatore su un sistema fisico, utilizziamo un dimostratore di integrazione di sistemi energetici, in piccola scala, con componenti parzialmente fisici ed altri reali. Si tratta a tutti gli effetti di un laboratorio che contiene una serie di componenti: l’edificio è simulato dinamicamente nel suo comportamento, con l’obiettivo di riprodurre la sua risposta in termini energetici sull’impianto di climatizzazione esistente.
Si tratta quindi di un’emulazione in tempo reale del comportamento dell’edificio. Questa tecnica prende il nome di hardware in the loop: consente di valutare il comportamento di alcuni componenti fisici, ma al tempo stesso senza la necessità di fare esperimenti in scala 1:1 e di utilizzare tutte le tecnologie coinvolte nel processo. I componenti mancanti, infatti, vengono emulati.
Nel laboratorio abbiamo componenti fisici: due pompe di calore (aria/acqua e acqua/acqua), due accumuli termici (caldo e freddo), batterie elettrochimiche al litio, pannelli fotovoltaici, pannelli solari termici. Utilizziamo inoltre una centralina climatica, composta da una serie di strumenti per misurare temperatura, irraggiamento solare, irraggiamento verso il cielo, intensità e direzione del vento, umidità e pressione.
Inoltre, ci avvaliamo di emulatori di richieste energetiche (come acqua calda sanitaria ed energia elettrica).
Nel processo di simulazione dell’edificio andiamo a definire anche il comportamento delle persone all’interno: tutte queste condizioni vengono inserite nel nostro software (insieme alla stratigrafia, alla geometria, alle dimensioni), che fornirà la corretta richiesta energetica elettrica e termica.
Riuscire a simulare nel dettaglio il comportamento energetico dinamico di un edificio, accoppiandolo a una sperimentazione su impianti integrati, è di importanza fondamentale per ottenere i risultati, già riconosciuti da interlocutori pubblici e privati, di ottimizzazione, sostenibilità e risparmio energetico nella progettazione e nella gestione di questi sistemi.
