Gli edifici stanno diventando protagonisti attivi della transizione energetica. Sistemi di riscaldamento che si regolano da soli, pannelli solari che restituiscono energia alla rete, algoritmi che anticipano i consumi: il modo in cui gestiamo l’energia tra le mura di casa e negli edifici pubblici e industriali sta cambiando a una velocità sorprendente.
Alla base di tutto c’è un principio tanto semplice quanto potente: accumulare calore nei momenti in cui l’energia costa poco o abbonda, per poi usarlo quando serve davvero. I serbatoi di accumulo termico (TES) esistono proprio per questo.
Ma perché funzionino al meglio, non basta installarli: serve un sistema di controllo capace di pianificare in anticipo e di reagire in tempo reale, come un direttore d’orchestra che legge la partitura un passo avanti rispetto ai musicisti.
I sistemi di controllo più avanzati, noti come Model Predictive Control, o MPC, lavorano esattamente così. In una frazione di secondo eseguono migliaia di simulazioni per trovare la strategia di riscaldamento ottimale momento per momento. Per farlo, si affidano a modelli matematici del serbatoio. Ed è qui che nasce il problema: quei modelli devono essere precisi, ma anche fulminei. Fino ad oggi, ottenere entrambe le cose insieme si era rivelato un obiettivo sfuggente.
Una nuova pubblicazione scientifica di Eurac Research si propone di cambiare questa situazione. Lo studio, “Modelling thermocline dynamics in thermal energy storages: A computationally efficient reduced-order model approach” (link in basso) pubblicato sulla rivista scientifica Applied Thermal Engineering, introduce un modello matematico innovativo, tecnicamente un modello di ordine ridotto, o ROM, capace di cogliere con precisione i fenomeni fisici che governano il comportamento del serbatoio, senza però appesantire il sistema con calcoli troppo onerosi.
Il cuore del problema, dal punto di vista fisico, è la stratificazione termica. All’interno di un serbatoio TES, l’acqua calda e quella fredda non si mescolano immediatamente: si dispongono in strati sovrapposti, separati da una zona di transizione chiamata “termoclina“.
Governare bene questa zona significa controllare quanto calore si riesce davvero a conservare e restituire. I modelli più dettagliati, basati sulla fluidodinamica computazionale, descrivono questi fenomeni con grande fedeltà, ma richiedono una potenza di calcolo incompatibile con il controllo in tempo reale.
I modelli semplificati, al contrario, sono veloci ma sacrificano troppa precisione. Il nuovo ROM percorre una terza via, combinando intuizione fisica e calibrazione minima in quello che in gergo si chiama approccio grey-box.
“Il nostro obiettivo era sviluppare un modello che preservasse la fisica essenziale dell’evoluzione della termoclina, rimanendo abbastanza veloce per l’ottimizzazione in tempo reale”, spiega Tim Diller, coautore dello studio.
I risultati superano le aspettative: il nuovo modello è due ordini di grandezza più veloce rispetto agli approcci consolidati, e allo stesso tempo migliora la precisione delle previsioni.
I numeri sono eloquenti. In un test di nove ore che simula un ciclo completo di carica e scarica azionato da una pompa di calore, il modello ha completato l’intera simulazione in soli 0,015 secondi, riducendo gli errori di previsione della temperatura fino al 46% rispetto ai metodi tradizionali. Velocità e accuratezza vanno così di pari passo.
Il modello è stato testato nell’Energy Exchange Lab di Eurac Research presso il NOI Techpark di Bolzano (foto in alto), in una serie di scenari che riproducono condizioni realistiche di utilizzo.
In ogni test, ha saputo aderire fedelmente alle misurazioni reali, superando i modelli di riferimento più affermati. Ma c’è qualcosa che va oltre le prestazioni pure: il modello rimane fisicamente trasparente. Non è una scatola nera che produce numeri senza spiegazioni e rispecchia ciò che accade davvero all’interno del serbatoio, rendendolo comprensibile a ingegneri e gestori degli edifici, e più facile da integrare nei sistemi di controllo più ampi.
Questo lavoro segna un passo concreto verso edifici capaci non solo di consumare meno, ma di pensare meglio. Rendere lo stoccaggio termico più facile da modellare e controllare in tempo reale significa sbloccare il potenziale pieno delle pompe di calore e delle fonti rinnovabili. Significa avvicinarsi a quella visione di edifici non semplicemente efficienti, ma genuinamente intelligenti.
photo credits: Ivo Corrà / Eurac Research
