Modello numerico di una pompa di calore per acqua calda sanitaria

The standard that indicates the test procedures for Heat Pump Water Heaters (HPWHs) is the 16147 (UNI, 2017). 𝐶𝑂𝑃$%& is the main parameter that describes the efficiency of these machines: it is calculated by imposing on the Heat Pump a standard load profile according to its power size. The realization of a numerical model of a HPWH is interesting in several fields: with it producers could estimate the machine’s performance in the research and development phase, designers could predict the behavior of the Heat Pump when subjected to real load profiles, while standards institutions could improve the testing and marking procedures. The main objective of this thesis is the creation of a numerical model that can correctly simulate the energy consumption and thermal production of the heat pump, in the most general possible way. In fact, there is a need to easily simulate numerous heat pumps of different brands and sizes simply by changing some of the physical parameters of the model. Matlab is the programming language used: the main components of the heat pump have been modeled through the spatial discretization in nodes with lumped parameters, an algorithm has been created for the research of the condensation pressure that satisfies the numerous physical constraints of the system and ultimately a control logic was implemented to integrate the energy balance equations over time and to manage compressor’s on-off cycles. The model was then validated by comparing the simulated data with those experimentally measured in laboratory during the heat pump marking tests. The results were satisfactory.

La norma che riporta le procedure di test e per le Pompe di Calore (PdC) per Acqua Calda Sanitaria (ACS) è la 16147 (UNI, 2017). Il principale parametro che descrive l’efficienza di queste machine è il 𝐶𝑂𝑃_DHW: esso viene calcolato imponendo alla PdC un profilo di carico standard in funzione della taglia di potenza e della dimensione del serbatoio. La realizzazione di un modello numerico di una PdC per ACS è di interesse in diversi settori: con esso i produttori possono stimare le performance della macchina in fase di ricerca e sviluppo, i progettisti possono prevedere il comportamento della PdC quando sottoposta a profili di carico reali, mentre gli enti normatori possono migliorare le procedure di test e di marchiatura. L’obiettivo di questa tesi è stato la realizzazione di un modello in grado di simulare correttamente i consumi energetici e la produzione termica della macchina nel modo più generale possibile. Vi è infatti la necessità di poter simulare numerose PdC di marche e taglie differenti semplicemente cambiando alcuni parametri del modello. Il linguaggio di programmazione utilizzato è Matlab: sono stati modellizzati i principali componenti della PdC attraverso la discretizzazione spaziale in nodi dai parametri concentrati, è stato realizzato un algoritmo per la ricerca della pressione di condensazione che soddisfi i numerosi vincoli fisici del sistema ed infine è stata implementata una logica di controllo in grado di integrare nel tempo le equazioni di bilancio energetico e di gestire le accensioni e gli spegnimenti della macchina. Il modello è stato validato confrontando i dati simulati con quelli misurati sperimentalmente in laboratorio durante i test per la marchiatura della PdC. I risultati sono stati soddisfacenti.