Demand Side Management in the built environment by means of heat pumps

Demand side management (DSM) consists in a set of practices and activities designed to affect the amount or timing of customers’ energy demand in order to use electricity more efficiently. DSM decreases the cost of meeting the customers' increasing energy demand by means of an investment in end-use energy efficiency and load management. As a result, this allows for an increased flexibility in the power generating systems and thus improving the energy supply balance in the network and reshaping the electricity market. DSM brings along a variety of advantages including the decrease of CO2 emissions and a development of a more efficient use of energy. Furthermore, DSM also allows for greater stability in the electricity prices for all market players. The load management is one of DSM objectives, this means changing the customers’ load profiles in a more efficient way. Among the broad variety of load shape profile combinations, Load Shifting and Peak Clipping are the most widely used demand patterns. This is mainly attributed to the fact that they are relatively quick and easy to perform without the requirement for a significantly advanced technology. Both demand patterns have been particularly researched in the presented works. Interesting opportunities come from the use of DSM strategies for the management of electric devices. A very promising combination is when the heat pumps operate according to DSM strategies, more precisely when load management is applied. Such a DSM strategy can be implemented by means of additional equipment that enables load shaping, among all, thermal energy storage (TES) is a valid tool. In DSM program, a TES can be used for electric load management in buildings by shifting electrical heating and cooling demands e.g. from peak periods to off peak periods. The application of TES in DSM can thus add flexibility to the energy management as shown in the various works considered in this study’s literature review. With respect to previous studies, the novelty of this work lies in the application of DSM real existing cases within the building sector which also integrate renewable energy sources into the system. Initially, reliable experimental data from realistic experimental campaigns was consulted. Subsequently, simulation models were built in order to closely represent the true behavior recorded in each of the studied experimental campaigns. The purpose of such simulation models was to study the integration of DSM strategies in the built environment and to analyze the effect of the thermal loads on the electricity consumption as well as the building energy performances in the long run. Results from this work confirm how DSM strategies can positively impact on the buildings’ and systems’ performances as they help increasing energy efficiency and system flexibility. Moreover, the application of DSM has proven to reduce the energy consumption of the presented cases and the electricity bills, particularly when dynamic electricity tariffs are implemented. The DSM measures turn out to be economically feasible when integrated with TES system which allows for the electric consumption demand to be shifted to time of cheaper electricity prices. This research study also illustrates how a TES system is not necessarily always the best solution in terms of energy consumption as it requires an initial charging and subsequent discharging, thus requesting energy to the whole system. However, such a measure helps smoothen out the overall electricity consumption patterns as it reduces the peak period electricity demand as it offsets such a demand to the off-peak period when cheaper tariffs are in operation. This research study demonstrates how a Chinese tariffs context can be successful for the TES application as the off-peak electricity tariff is considerable lower than the on peak tariff. Simple DSM measures are often enough to significantly improve energy efficiency. Furthermore, the building sector does not necessitate an extreme overturning if renewable energy or dynamic taxation are implemented.

Il Demand Side Management (DSM) raggruppa un insieme di pratiche ed attività progettate per influenzare la domanda energetica di un consumatore in termini di tempo e/o distribuzione con il fine di individuare come utilizzare l’energia elettrica in modo più efficiente. Il DSM diminuisce il costo per il soddisfacimento della richiesta del consumatore in termini energetici tramite investimenti in efficienza energetica e in gestione dei carichi del consumatore, fornendo flessibilità e riconfigurando il mercato dell'elettricità. Gli obiettivi del DSM sono vari ed includono la diminuzione delle emissioni di CO2 nonché un uso più efficiente di energia, inoltre le misure del DSM mirano ad instaurare un sistema più stabile di tariffazione elettrica. Un altro fondamentale obiettivo del DSM è la gestione dei carichi elettrici, ovvero dei profili di carico del consumatore. Le combinazioni tra i profili di carico sono molte e svariate, tra le categorie più impiegate troviamo il Load Shifting ed il Peak Clipping poiché sono di semplice applicazione e realizzazione, inoltre non richiedono l'impiego di tecnologie avanzate. Per questo motivo, questi due profili di carico sono stati i più indagati nei lavori presentati nel manoscritto. Tra le opportunità più interessanti dell'applicazione del DSM troviamo l'impiego di tali strategie nei dispositivi elettrici, per citarne uno tra tanti, nel campo delle pompe di calore. Il modo più promettente di combinare queste due realtà consiste nell'applicare strategie di load management. A tal fine, ci si serve di strumenti in grado di consentire la gestione dei carichi energetici: tra i tanti, uno dei più validi è sicuramente lo stoccaggio di energia termica (TES). Nei programmi di DSM, il TES viene impiegato in modo da spostare la richiesta per il riscaldamento/raffrescamento dai periodi di maggiore richiesta (on-peak) notoriamente più gravosi a livello economico, ai periodi di bassa richiesta (off-peak) dove solitamente la tariffa oraria è più conveniente. L'impiego dei TES nel DSM aggiunge flessibilità alla gestione dei carichi energetici come ampliamente dimostrato da un vasto numero di lavori in letteratura ed è il nostro campo di ricerca. La novità di quanto qui presentato consiste nell'applicazione delle strategie di DSM al settore dell'edilizia residenziale ed industriale, nello specifico applicando il DSM a casi reali nei quali fossero integrate energie rinnovabili. Si parte dal ricostruire il caso reale in un ambiente di simulazione dinamica per simularne il comportamento sul lungo periodo. I modelli di simulazione sono stati progettati per studiare l'integrazione delle strategie di DSM negli edifici e per analizzare gli effetti dei carichi termici sui consumi elettrici e sulle prestazioni degli involucri. I risultati avuti confermano come le strategie di DSM possano agire positivamente sulle prestazioni degli edifici e dell'intero sistema, incrementandone flessibilità ed efficienza energetica. Inoltre, tali strategie di DSM hanno influito sulla riduzione dei consumi energetici e delle bollette elettriche dei casi studiati, soprattutto qualora siano in atto tariffe elettriche che variano su scala oraria, tutto ciò senza intaccare il comfort interno degli edifici e degli occupanti. Le strategie di DSM risultano essere economicamente vantaggiose qualora vengano integrati sistemi di stoccaggio di energia termica; questi permettono di spostare la richiesta energetica nelle fasce orarie di bassa tariffazione, andando ad attivarsi nei periodi di on-peak, ovvero quando il costo dell'elettricità è più alto. I lavori presentati dimostrano come lo stoccaggio non sia sempre la soluzione energeticamente più vantaggiosa poiché questi necessita di cariche preventive e successive scariche che vanno ad influire sui consumi. Tuttavia, lo stoccaggio permette di allontanare i consumi dai periodi di on-peak e quando presenti delle strategie di DSM, viene confermato come lo stoccaggio sia di aiuto nella riduzione dei costi. Nei lavori viene dimostrato come un contesto Cinese di tariffazione elettrica possa rendere lo stoccaggio un'applicazione di successo, questo poiché i prezzi durante l'off-peak sono sensibilmente più bassi dei prezzi della fascia on-peak. Inoltre, si dimostra come misure semplici di DSM siano solitamente sufficienti a migliorare l'efficienza energetica, questo è dovuto al fatto che il settore edilizio non ha bisogno di grandi stravolgimenti qualora siano impiegate tariffe variabili su scala oraria e soprattutto energie rinnovabili.