Modelling and experimental evaluation of a double effect thermal driven air conditioning system using ammonia/water absorption and desiccant evaporative cooling

A thermal driven air-conditioning system, worked out coupling two sorption cycles, is presented. The goal is to develop a thermal driven primary air conditioning system, which is energy efficient, compact, reliable and without an auxiliary heat rejection system. The motivation is to reduce the non renewable primary energy consumption of the air-conditioning sector and to increase the share of thermal driven system. The system integrates an absorption heat pump cycle and a solid desiccant evaporative cooling open cycle (DEC). The system main feature is the ability of the absorption heat pump to drive a DEC, creating a double effect thermal driven cycle. After a compatibility analysis on the temperature levels an ammonia/water absorption heat pump and a silica-gel desiccant wheel have been selected. The solid DEC cycle is implemented in a double duct air handling unit. In one duct the building supply air flows, while in the other the exhaust air from the building flows. In cooling and dehumidification operation mode, the heat pump has two useful effects: it delivers the heating power needed to the desiccant based dehumidification process and it provides cooling power for the supply air flow. Moreover, the system is able to work also in heating mode. The hydraulic connections between the DEC air handling unit and the heat pump is inverted, and the latter is used to heat up the supply air, recovering energy from the indoor exhaust air. In order to assess the energy performance both an experimental analysis and a numerical modelling of the system have been done. The experimental analysis task has started with the set-up of a new laboratory and of a system prototype and it has ended with an extended test campaign. The prototype is composed by a DEC air handling unit with a nominal air flow rate of 5000 m$^3$/h and a gas fired ammonia/water absorption heat pump with a nominal heating power of roughly 40 kW. The numerical modelling task has started with a simplified model for the design of the prototype and it ended with a model which has been tuned with the experimental results and completed with the definition and implementation of a control strategy. The ratio between the net supply air energy exchange and the non-renewable primary energy used by the system has been used as the main performance figure (PER). Thus, the PER comparison with a conventional air-conditioning system (using an air source electric heat pump and a gas boiler) has shown a better energy performance of the presented system. Moreover, an advance analysis of the absorption cycle has been carried out. It has involved an upgrade of the experimental set-up and an extension of the experimental tests. The results revealed that the operating conditions of the cooling and humidification operation mode do not fit with the ability of the tested heat pump (based on a GAX absorption cycle) to operate with an energy efficiency higher than the single stage cycle. It is concluded that a thermal driven air conditioning system has been successfully realized, modelled and tested. It is particularly suitable in areas where the natural gas is cheap and/or the electric energy generation and distribution system is weak.

L'oggetto della presente ricerca è lo sviluppo di un sistema di condizionamento dell’aria a doppio effetto attivato termicamente. Esso è basato sull'utilizzo di un ciclo ad assorbimento e di un ciclo ad adsorbimento. L'obiettivo è sviluppare un sistema per il condizionamento dell'aria primaria attivato termicamente, che sia compatto, affidabile e che non abbia bisogno di un sistema ausiliario di dissipazione del calore. Il sistema si basa sull'integrazione di un ciclo chiuso ad assorbimento del tipo pompa di calore con un'unità di trattamento dell'aria dotata di una ruota dessiccante rigenerabile a bassa temperatura (DEC). La caratteristica principale del sistema è che un ciclo ad assorbimento attiva un ciclo DEC, creando un ciclo termico a doppio effetto. A valle di un analisi di compatibilità dei livelli di temperatura un ciclo ad assorbimento utilizzante ammoniaca e acqua come fluidi di lavoro è stato selezionato, mentre per il ciclo DEC è stata scelta una ruota dessiccante utilizzante silica-gel. Il ciclo DEC avviene in un'unità di trattamento dell’aria a doppio canale. Un canale è dedicato all'aria di mandata all'edificio, mentre l'altro all'aria esausta da espellere dall'edificio. Nella modalità operativa di raffrescamento e deumidificazione la pompa di calore ha due effetti utili: produce la potenza termica necessaria per la deumidificazione con ruota dessiccante e sottrae potenza termica all’aria di mandata, raffreddendola. Inoltre, il sistema può lavorare anche in modalità riscaldamento. In questo caso, il collegamento idraulico tra DEC e pompa di calore viene invertito in modo che la pompa di calore scaldi l'aria di mandata recuperando energia dall'aria di espulsione. Per analizzare in modo esaustivo il sistema è stata sia svolta una campagna sperimentale sia creato un modello matematico del sistema. L’attività di analisi sperimentale ha avuto inizio con la realizzazione di un nuovo laboratorio e del prototipo del sistema, e si è conclusa con la campagna sperimentale. Il prototipo è composto da un’unità di trattamento aria DEC con una portata nominale di 5000 m3/h e una pompa di calore ad assorbimento acqua ammoniaca alimentata dalla combustione di gas metano della potenza termica nominale di circa 40 kW. L'attività di modellazione numerica ha avuto inizio con un modello semplificato per la progettazione del prototipo e si è conclusa con un modello più accurato, tarato con i risultati sperimentali e completo di una strategia di controllo. Il rapporto tra l'energia termica scambiata con l'aria di mandata e il consumo di energia primaria non rinnovabile (PER) è stato utilizzato come principale indicatore delle prestazioni energetiche del sistema. Il confronto del PER del sistema presentato con quello ottenuto considerando un sistema convenzionale (basato su una pompa di calore elettrica raffreddata ad aria e una caldaia a gas) ha mostrato un migliore comportamento del sistema oggetto della ricerca. Inoltre, grazie ad un upgrade del sistema sperimentale e ad un estensione delle prove sperimentale, è stata condotta anche un'analisi specifica sulla pompa di calore ad assorbimento. I risultati hanno rivelato che le condizioni tipiche di funzionamento in modalità raffreddamento e deumidificazione non permettono alla pompa di calore testata di sfruttare la sua capacità di operare con un efficienza più alta di quella di un ciclo a singolo effetto (effetto GAX). In conclusione, un impianto di condizionamento attivato termicamente è stato sviluppato, modellato, realizzato e testato con successo. Esso è caratterizzato da bassi consumi di energia elettrica e primaria non rinnovabile, risultando particolarmente adatto dove il costo del gas naturale e/o l'efficienza di produzione dell'energia elettrica o la rete di distribuzione sono carenti.