Analisi teorica e sperimentale sulle pompe di calore

This doctoral thesis is concerning the theoretical and experimental analysis of heat pumps. In the first section of this study a design tool for predicting steady-state cooling and heating performance of vapor compression refrigerating machines is developed. In order to achieve correct results, accurate thermodynamic models are implemented to predict heat transfer coefficients, pressure drops and refrigerant mass charge. The software has been firstly developed for charge inventory purpose, and, as a consequence, it also has the capability to predict performance in off-design conditions given a fixed refrigerant charge. Moreover it can be useful for the liquid receiver dimensioning in reversible heat pumps, or for subcooling degree optimization at the condensers. In the present work the methodologies used for the calculation of the performance of each component are presented. The second part of the work is concerning gas absorption heat pumps, working with the refrigerant mixture water-ammonia. A theoretical design procedure is carried out and again verified by means of experimental measurement on a prototype. The last part of the study is concerning the estimation of the possible advantages of combined heating plants including solar collectors, air source heat pump and a condensing boiler. The investigation is carried out in collaboration with the manufacturers of the machines, allowing to have precise information about all the components. Investigations are carried out to compare the proposed systems with a standard solution with a condensing boiler only. Three different locations are considered in the present study. Comparisons are made regarding primary energy consumption, equivalent CO2 emission, percentage of renewable energy used and possible economical saving. For this purpose TRNSYS-based approach is adopted. The whole heating plant and the building are modeled together. Each component performance was previously measured in order to tune the mathematical model to be used in TRNSYS. In particular, experimental measurements were performed on a test-plant, allowing to tune a model for the stratification of the real storage tank, and for its dynamic response. The estimation of the dynamic behavior, and thus the heating load of the considered building, is carried out by means of TRNSYS. Domestic Hot Water consumption is calculated as well.

Questa tesi di dottorato è incentrata sull’analisi teorica e sperimentale di macchine frigorifere e in particolare di pompe di calore. Nella prima parte si affronta il calcolo di progetto e di verifica di macchine frigorifere e dei loro componenti. Attraverso un’accurata modellizzazione dei dispositivi coinvolti e dello scambio termico si è giunti a sviluppare un software di calcolo completo, che permette di valutare il comportamento di questo tipo di macchine anche in punti di lavoro off-design. Una parte consistente del lavoro è stata dedicata al calcolo della carica di refrigerante ottimale e agli effetti di accumulo di carica nel ricevitore di liquido con diverse condizioni al contorno. I risultati che si sono ottenuti sono stati verificati confrontando i risultati teorici con prove sperimentali effettuate ad hoc su un prototipo appositamente predisposto e su varie altre produzioni di serie presso la sala prove di Hiref S.p.A. La seconda sezione affronta lo studio delle pompe di calore ad assorbimento ad acqua-ammoniaca. Anche in questo caso l’approccio è dapprima quello del calcolo di progetto termodinamico, seguito da una verifica delle stime effettuate attraverso prove sperimentali su di un prototipo. Nella terza sezione del lavoro viene effettuata un’analisi energetica su un impianto di nuova concezione confrontando i possibili vantaggi rispetto a sistemi tradizionali di generazione. Lo studio si articola attraverso varie simulazioni dinamiche svolte in ambiente TRNSYS. A tal fine è stato possibile ottimizzare i modelli di simulazione dei singoli componenti, avendo accesso ai dati sperimentali sulle prestazioni delle singole macchine. Inoltre è stato possibile condurre delle prove su un impianto pilota installato presso i laboratori di SIME S.p.A. Ciò ha permesso di ricavare informazioni utili per modellizzare il comportamento dinamico di un serbatoio di accumulo combinato con stratificazione. Dopo aver calibrato i modelli dei singoli componenti di impianto è stato possibile ricostruire un modello completo dell’impianto e di una villetta bifamiliare in ambiente TRNSYS; il modello considera il riscaldamento sia a bassa che ad alta temperatura e la produzione di acqua calda sanitaria. Il sistema ibrido composto da caldaia modulante a condensazione, pompa di calore reversibile e solare termico viene messo a confronto con una soluzione convenzionale, ovvero un impianto con sola caldaia, e con diverse combinazioni di fonti energetiche.