• Dynamic Modeling and Seasonal Performance Evaluation of Air-to-Water Heat Pump Systems
  • Modellazione dinamica e valutazione delle prestazioni energetiche stagionali di sistemi basati su pompe di calore aria-acqua

Dongellini, Matteo

Subject

ING-IND/10 Fisica tecnica industriale

Description

In this Thesis a series of numerical models for the evaluation of the seasonal performance of reversible air-to-water heat pump systems coupled to residential and non-residential buildings are presented. The exploitation of the energy saving potential linked to the adoption of heat pumps is a hard task for designers due to the influence on their energy performance of several factors, like the external climate variability, the heat pump modulation capacity, the system control strategy and the hydronic loop configuration. The aim of this work is to study in detail all these aspects. In the first part of this Thesis a series of models which use a temperature class approach for the prediction of the seasonal performance of reversible air source heat pumps are shown. An innovative methodology for the calculation of the seasonal performance of an air-to-water heat pump has been proposed as an extension of the procedure reported by the European standard EN 14825. This methodology can be applied not only to air-to-water single-stage heat pumps (On-off HPs) but also to multi-stage (MSHPs) and inverter-driven units (IDHPs). In the second part, dynamic simulation has been used with the aim to optimize the control systems of the heat pump and of the HVAC plant. A series of dynamic models, developed by means of TRNSYS, are presented to study the behavior of On-off HPs, MSHPs and IDHPs. The main goal of these dynamic simulations is to show the influence of the heat pump control strategies and of the lay-out of the hydronic loop used to couple the heat pump to the emitters on the seasonal performance of the system. A particular focus is given to the modeling of the energy losses linked to on-off cycling.

Questa Tesi presenta una serie di modelli numerici sviluppati per la valutazione delle prestazioni stagionali di sistemi basati su pompe di calore reversibili di tipo aria-acqua accoppiate a edifici residenziali e non residenziali. Lo sfruttamento del potenziale risparmio energetico legato all'adozione di pompe di calore èun compito difficile per i progettisti, in quanto diversi fattori come la variabilità delle condizioni climatiche esterne, la capacità delle pompe di calore di modulare la potenza termica/frigorifera erogata, la logica di controllo del sistema e la configurazione impiantistica utilizzata influiscono sulle prestazioni energetiche ottenibili. Lo scopo di questo lavoro è quello di studiare in dettaglio tutti questi aspetti. Nella prima parte della Tesi viene presentata una serie di modelli basati su un approccio di tipo "temperature class" per la previsione delle prestazioni stagionali di una pompa di calore reversibile aria-acqua. Viene proposta un'innovativa procedura di calcolo per la determinazione dell'efficienza stagionale della pompa di calore costruita come un'estensione della metodologia riportata dalla norma europea EN 14825. Tale procedura può essere applicata non solo per lo studio di pompe di calore mono-compressore (On-off HPs), ma anche di pompe di calore multi-compressore (MSHPs) ed a velocità variabile (IDHPs). Nella seconda parte della Tesi la simulazione dinamica è stata utilizzata allo scopo di ottimizzare il sistema di controllo della pompa di calore e dell’impianto. I modelli dinamici sono stati realizzati utilizzando il software TRNSYS e permettono di simulare il comportamento dinamico di On-off HPs, MSHPs e IDHPs. Lo scopo principale dei modelli dinamici presentati è quello di evidenziare l'influenza dei sistemi di regolazione della pompa di calore e della configurazione del circuito idronico utilizzato per accoppiare la pompa di calore ai terminali sulle prestazioni stagionali dell'impianto. Particolare attenzione è stata rivolta alla modellazione delle perdite energetiche legate ai cicli di on-off della pompa di calore.

Date

2017-06-09

Type

Tesi di dottorato

NonPeerReviewed

Format

application/pdf

Identifier

urn:nbn:it:unibo-20841

Dongellini, Matteo (2017) Modellazione dinamica e valutazione delle prestazioni energetiche stagionali di sistemi basati su pompe di calore aria-acqua, [Dissertation thesis], Alma Mater Studiorum Università di Bologna. Dottorato di ricerca in Ingegneria energetica, nucleare e del controllo ambientale , 29 Ciclo. DOI 10.6092/unibo/amsdottorato/7901.

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