Modellazione e analisi sperimentale di sistemi avanzati per la climatizzazione di ambienti confinati

Decarbonization in the building sector requires substantial improvement in the efficiency of heating, cooling and ventilation systems, the energy demand of which is the most relevant in residential buildings. In nearly Zero Energy Buildings (nZEB), highly insulated and airtight envelopes may reduce the need for air conditioning, but at the same time they increase the impact of ventilation-related load. Multifunctional balanced ventilation units, which integrate mechanical ventilation, heat recovery and air-to-air heat pumps, represent a promising pathway to combine indoor air-quality requirements with low-energy operation. However, their performance is governed by mutual interactions that require advanced modeling and validation. In this work – carried out in collaboration with Zehnder Group Competence Center Campogalliano – a high-fidelity digital twin of a multifunctional balanced ventilation unit for residential applications was developed and subsequently validated. The proposed model combines detailed physics-based representation of all the major components involved; system control logics is also integrated into the model, thus enabling it to reproduce and predict both steady-state and transient behavior. The digital twin was calibrated and validated against an extensive experimental dataset acquired at the Kompaktgeräteprüfstand laboratory of Universität Innsbruck, Austria; the employed facility is specifically designed for the assessment of compact units and heat pumps under controlled environmental conditions. The reliability of the digital twin in predicting system behavior was successfully proven over a broad range of operating conditions, encompassing summer and winter regime, as well as frosting events. Upon validation, the model was employed as a predictive tool to explore scenarios not tested in the experiments, such as alternative bypass strategies of the recovery exchanger, auxiliary fan integration in the heat pump unit and the comparative evaluation of sensible heat and enthalpy recovery. The analysis revealed the need for pursuing tradeoff between maximizing system energy efficiency and ensuring the fulfillment of the required heating and cooling demand. The findings highlight how different design and control strategies may impact on energy management of the system, also providing a new insight into its flexibility and limitations. Overall, the study demonstrates the potential of digital twins to support the development of the next generation of HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) systems. By bridging rigorous experimental testing with advanced modeling, digital twins provide a robust methodology for optimizing design, enhancing control strategies and facilitating the transition of buildings toward the upcoming energy saving and climate objectives.

Il raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione nel settore edilizio richiede un sostanziale incremento dell’efficienza nei sistemi di riscaldamento, raffrescamento e ventilazione, che tuttora implicano la maggior parte del consumo energetico in edifici residenziali. Negli edifici a consumo virtualmente nullo (nZEB, acronimo in lingua inglese), involucri altamente isolati e a tenuta riducono il fabbisogno di climatizzazione, ma allo stesso tempo aumentano l’incidenza del carico legato alla ventilazione. Le unità di ventilazione bilanciata multifunzionali, che integrano ventilazione meccanica a recupero di calore e pompe di calore aria-aria, rappresentano una soluzione promettente per conciliare i requisiti di qualità dell’aria interna con un funzionamento a basso consumo energetico. Tuttavia, le loro prestazioni sono governate da interazioni fortemente accoppiate, che richiedono modelli avanzati e una validazione sperimentale sistematica. In questo lavoro, svolto in collaborazione con Zehnder Group Competence Center Campogalliano, è stato sviluppato e validato un gemello digitale (digital twin) ad alta fedeltà di un’unità di ventilazione bilanciata multifunzionale per applicazioni residenziali. Il modello combina rappresentazioni fisiche dettagliate di tutti i principali componenti, oltre a integrare le logiche di controllo del sistema al suo interno, risultando in grado di riprodurre con elevata accuratezza sia il comportamento in regime stazionario, sia in regime transitorio. Il digital twin è stato calibrato e validato sulla base di un’ampia campagna sperimentale svolta presso il laboratorio Kompaktgeräteprüfstand di Universität Innsbruck, Austria, una struttura appositamente progettata per la caratterizzazione di unità compatte e pompe di calore in condizioni di prova controllate. I risultati confermano l’affidabilità predittiva del digital twin rispetto al comportamento del sistema su un ampio spettro di condizioni operative, che includono regime estivo, invernale e fenomeni di brinamento. Una volta validato, il modello è stato impiegato come strumento predittivo per esplorare scenari non coperti dalla campagna sperimentale, quali strategie alternative di bypass del recuperatore di calore, integrazione di un ventilatore ausiliario nella pompa di calore e confronto tra recupero di calore sensibile ed entalpico. L’analisi mette in evidenza la necessità di perseguire un compromesso tra la massimizzazione dell’efficienza energetica del sistema e il soddisfacimento del fabbisogno termico di riscaldamento e raffrescamento dell’edificio. I risultati mostrano come diverse scelte progettuali e di controllo possano supportare la gestione energetica del sistema, offrendo nuove prospettive sulla flessibilità operativa e sui limiti di queste unità. Nel complesso, è stato dimostrato il potenziale dei digital twin come strumenti a supporto dello sviluppo della prossima generazione di sistemi di climatizzazione. Unendo sperimentazione rigorosa e modellazione avanzata, i digital twin incarnano una metodologia robusta per ottimizzare la progettazione, migliorare le strategie di controllo e facilitare la transizione degli edifici verso i nuovi obiettivi energetici e climatici.