The emergence and development of electrocaloric heat pumps in buildings

The growing demand for energy-efficient and environmentally friendly cooling technologies has driven significant interest in alternative heat pump systems. This dissertation focuses on the emergence and development of electrocaloric (EC) heat pumps, a promising technology that offers a sustainable solution for cooling in buildings. The primary objective of this research is to explore the potential of EC heat pumps as an alternative to conventional vapor-compression systems, which are associated with the use of harmful refrigerants. The study provides a comprehensive overview of heat pumps, emphasizing the limitations of traditional vapor-compression systems, particularly regarding their environmental impact. It then transitions to an in-depth analysis of non-vapor-compression cooling technologies, with a specific focus on the electrocaloric effect (ECE) — a phenomenon where certain materials change temperature when subjected to an electric field. The research employs a multi-faceted approach, including a review of the evolution of refrigerants, a technical analysis of EC materials, and an evaluation of the environmental benefits and challenges associated with EC heat pumps. Various EC materials are assessed for their performance, and different designs of EC cooling devices are explored to identify the most effective configurations for building applications. The findings indicate that EC heat pumps have significant potential to reduce the carbon footprint of cooling systems in buildings. The findings suggest that while EC heat pumps may not yet achieve higher efficiency than conventional vapor-compression systems, they have significant potential to reduce the carbon footprint of cooling systems in buildings by eliminating harmful refrigerants. However, challenges remain, including optimizing material performance and scaling the technology for widespread use. The dissertation concludes by highlighting the need for continued research and development to fully realize the potential of electrocaloric heat pumps in achieving sustainable cooling solutions.

La crescente domanda di tecnologie di raffreddamento efficienti dal punto di vista energetico e rispettose dell'ambiente ha stimolato un notevole interesse per i sistemi alternativi di pompe di calore. Questa tesi si concentra sull'emergere e lo sviluppo delle pompe di calore elettrocaloriche (EC), una tecnologia promettente che offre una soluzione sostenibile per il raffreddamento degli edifici. L'obiettivo principale di questa ricerca è esplorare il potenziale delle pompe di calore EC come alternativa ai sistemi convenzionali a compressione di vapore, che sono associati all'uso di refrigeranti dannosi. Lo studio fornisce una panoramica completa delle pompe di calore, enfatizzando i limiti dei sistemi tradizionali a compressione di vapore, in particolare riguardo al loro impatto ambientale. Successivamente, passa a un'analisi approfondita delle tecnologie di raffreddamento non a compressione di vapore, con un focus specifico sull'effetto elettrocalorico (ECE), un fenomeno in cui alcuni materiali cambiano temperatura quando vengono sottoposti a un campo elettrico. La ricerca adotta un approccio multifacetico, che include una revisione dell'evoluzione dei refrigeranti, un'analisi tecnica dei materiali EC e una valutazione dei benefici ambientali e delle sfide associate alle pompe di calore EC. Vari materiali EC vengono valutati per le loro prestazioni, e diversi design di dispositivi di raffreddamento EC vengono esplorati per identificare le configurazioni più efficaci per le applicazioni edilizie. I risultati indicano che le pompe di calore EC hanno un potenziale significativo per ridurre l'impronta di carbonio dei sistemi di raffreddamento negli edifici. I risultati suggeriscono che, sebbene le pompe di calore EC possano non raggiungere ancora un'efficienza superiore rispetto ai sistemi convenzionali a compressione di vapore, hanno un potenziale significativo per ridurre l'impronta di carbonio dei sistemi di raffreddamento negli edifici eliminando i refrigeranti dannosi. Tuttavia, rimangono delle sfide, tra cui l'ottimizzazione delle prestazioni dei materiali e la scalabilità della tecnologia per un uso diffuso. La tesi conclude evidenziando la necessità di ulteriori ricerche e sviluppi per realizzare appieno il potenziale delle pompe di calore elettrocaloriche nel raggiungere soluzioni di raffreddamento sostenibili.