Dynamic modelling of mechanical heat pumps for comfort heating

Heat pumps devices are energy-efficient, in particular, for climates with moderate heating and cooling needs. They find wide applications in residential and office building with the objective to reduce energy consumption. The main function is to pump heat from low temperature heat sources to high temperature heat sinks, thus providing both comfort heating and cooling. Conventional heat pump (HP) includes basic items such as an evaporator, a compressor, a condenser and an expansion (throttling) valve. This components have different dimensions and possess different operational characteristics, particularly under transient conditions. It is conceivable, however, that the transient behaviour of the integrated HP system will be quite different from those of the single components. Therefore, the objective of the project is to develop an integrated dynamic model of a HP and to study its transient responses, when subject to changes in operating parameters. The methodology applied includes computer modelling and simulations of the HP system using commercial software.

Le pompe di calore sono macchine operatrici in grado di trasferire calore da una sorgente a bassa temperatura a un pozzo ad alta temperatura, attraverso un apporto di energia elettrica/meccanica. Una pompa di calore è costituita da diversi componenti, tra i quali un evaporatore, un compressore, un condensatore e una valvola di espansione. Questi componenti presentano diverse caratteristiche geometriche e diverse caratteristiche operative, soprattutto in regime transitorio. Tuttavia, il comportamento dell’intero sistema in regime transitorio è differente da quello dei singoli componenti. Di conseguenza, l’obiettivo di questo lavoro è quello di studiare dei modelli fisici per ogni componente e quindi di sviluppare un modello integrato per analizzare le caratteristiche dinamiche dell’intero sistema. Il compressore studiato è di tipo volumetrico alternativo a pistoni; trascurando la dinamica delle valvole, il modello permette il calcolo della pressione media all’interno della camera di lavoro e delle portate elaborate dal compressore. Il condensatore considerato è di tipo shell and tubes; il modello è stato sviluppato con un approccio a volumi finiti e parametri distribuiti, dividendo il condensatore in tre zone. Il modello prevede l’analisi del comportamento in regime transitorio sia del fluido di lavoro che del fluido secondario. Per quanto riguarda la valvola di espansione, è stato considerato un modello puramente statico, dal momento che la dinamica del componente è di gran lunga più veloce rispetto a quella degli scambiatori. L’evaporatore considerato è di tipo shell and tubes; a differenza del condensatore, il modello è stato sviluppato con un approccio a parametri concentrati e considerando una singola zona; la dinamica del fluido secondario non è stata presa in analisi. La metodologia utilizzata include l’utilizzo di software commerciale (Matlab Simulink) per l’analisi e la simulazione del modello presentato.