Modellazione dinamica di un impianto geotermico a pompa di calore per applicazioni residenziali. Analisi della capacità di accumulo stagionale del terreno.

The growing focus on building energy efficiency and the reduction of climate-altering emissions has made it essential to develop technologies capable of integrating renewable energy sources while ensuring thermo-hygrometric comfort. In this context, geothermal heat pumps (GSHP), combined with seasonal thermal energy storage systems (STES), represent a promising solution by exploiting the ground as a natural energy reservoir. This thesis investigates the behaviour of the ground as a medium for seasonal thermal storage through dynamic simulations carried out in TRNSYS. The analysis focuses on Climate Zone D only, considering three operating scenarios—Baseline, Heating and Cooling—over multi-year simulations of up to three years, in order to assess the thermal evolution of the subsurface and the long-term stability of the system. The Key Performance Indicators (KPIs) adopted are the seasonal coefficient of performance (COP), electrical consumption (El), annual average ground temperature (T,), and net exchanged energy (E). These parameters enabled the assessment of the effectiveness of the ground as a storage system and the identification of any conditions of energetic equilibrium. The results show that in the Heating scenario an increasingly negative energy balance occurs, with progressively more unfavourable E values and higher winter electricity consumption, even though the COP remains nearly constant. Conversely, in the Cooling scenario the system initially exhibits a substantial energy surplus, followed by a gradual reduction in E, indicating a tendency towards long-term energetic stability. The Baseline scenario represents the most neutral configuration, characterized by minimal variations in ground temperature and nearly constant electrical consumption. Furthermore, the sign of E serves as a direct indicator of the thermal trend of the ground: negative values indicate that extracted energy exceeds injected energy, leading to a progressive decrease in ground temperature; positive values indicate a net energy accumulation and consequently an upward temperature trend. In conclusion, the study confirms that the ground can function effectively as a seasonal storage system, but its long-term stability depends on the energetic balance between seasons and on operating conditions. Proper management of charging and discharging cycles is therefore essential to ensure high performance and limit electricity consumption.

La crescente attenzione verso l’efficienza energetica degli edifici e la riduzione delle emissioni climalteranti ha reso fondamentale lo sviluppo di tecnologie in grado di integrare fonti rinnovabili e garantire condizioni di comfort termoigrometrico. In tale contesto, le pompe di calore geotermiche (GSHP), abbinate a sistemi di accumulo termico stagionale (STES), rappresentano una soluzione promettente, sfruttando il terreno come serbatoio naturale di energia. Il presente lavoro di tesi si concentra sulla valutazione del comportamento del terreno come mezzo di accumulo termico stagionale, mediante simulazioni dinamiche condotte in ambiente TRNSYS. L’analisi è stata sviluppata per la sola Zona climatica D, considerando tre scenari operativi: Baseline, Heating e Cooling, con periodi di simulazione pluriennali fino a tre anni, al fine di valutare l’evoluzione termica del sottosuolo e la stabilità del sistema nel tempo. I Key Performance Indicators (KPI) utilizzati sono: il coefficiente di prestazione stagionale (COPstag), il consumo elettrico (Eel), la temperatura media del terreno (Tsoil,ann) e l’energia netta scambiata (Enet). Questi parametri hanno permesso di analizzare l’efficacia del terreno come sistema di accumulo e di individuare eventuali condizioni di equilibrio energetico. I risultati evidenziano che nello scenario Heating si osserva un bilancio energetico negativo, con valori di Enet via via più sfavorevoli e un incremento dei consumi invernali, nonostante il COP rimanga pressoché stabile. Al contrario, nello scenario Cooling il sistema presenta inizialmente un significativo surplus energetico, seguito da una progressiva riduzione di Enet, indicativa del raggiungimento di una condizione di stabilità energetica nel lungo periodo. Lo scenario Baseline rappresenta invece la configurazione più neutra, caratterizzata da variazioni minime della temperatura del terreno e da consumi elettrici quasi costanti. Inoltre, il segno di Enet costituisce un indicatore diretto della tendenza termica del terreno: valori negativi segnalano che l’energia estratta supera quella immessa, determinando una progressiva diminuzione della temperatura del suolo; viceversa, valori positivi indicano un accumulo netto di energia e una conseguente tendenza all’aumento della temperatura del terreno. In conclusione, lo studio conferma che il terreno può operare efficacemente come sistema di accumulo stagionale, ma la sua stabilità nel tempo dipende dal bilanciamento energetico tra le stagioni e dalle condizioni operative. Una corretta gestione dei cicli di carica e scarica è quindi fondamentale per garantire prestazioni elevate e contenere i consumi elettrici.