Modelling and simulation of desiccant wheels for the design and control of energy efficient air handling units

This dissertation, that is part of a longer-term research on energy efficiency, deals with dynamic modelling and simulation of desiccant wheels, having as primary (yet in principle not exclusive) goal that of employing such devices to improve the efficiency of air handling units. To this end, first the theory of operation of desiccant wheels is analyzed, having however in mind that the particular purpose of the presented research requires dynamic models oriented to system-level studies, that will eventually come to comprise and consider also the control system. In other words, a peculiarity of the model developed herein, thus a contribution of the presented work, is that the developed model has to find a suitable compromise among several different - and sometimes conflicting - objectives, such as accuracy, ease of parametrization with design/nominal data, which incidentally calls for a first-principle approach, and numerical efficiency. The results obtained in this work can be briefly summarized as follows. • A dynamic model for a desiccant wheel is proposed that overcomes some limitations of these available to date in the literature, and a discussion is reported - based on a convenient brief review of related work - to justify the statement above. • A Modelica implementation of that model is presented and validated against data available in the literature. Also, the so obtained simulation model allows to investigate some aspects of the wheel operation that are exquisitely dynamic, thereby paving the way to the control-oriented studies sketched out below. • Some possibilities are envisioned for the use of desiccant wheels in air handling units, viewing the addition of the wheel - that quite intuitively is not a novelty perse - from an essentially control-centric standpoint. This allows to sketch out some guidelines, to be further investigated in future works, for an objective assessment of the achievable energy efficiency improvements.

Questa tesi, che fa parte di una ricerca più ampia e di lungo periodo sull’ efficienza energetica, si occupa di modellistica dinamica e simulazione di ruote entalpiche, avendo come obiettivo primario (ma in linea di principio non unico) quello di impiegare tali dispositivi per migliorare l’efficienza delle unità di trattamento aria (UTA). A tale scopo, per prima cosa viene analizzata la teoria di funzionamento delle ruote entalpiche, avendo però presente che il particolare ambito della ricerca presentata richiede modelli dinamici per studi a livello di sistema che includono anche il sistema di controllo. In altre parole, una peculiarità del modello qui sviluppato, quindi un contributo del lavoro presentato, è che tale modello deve trovare un adeguato compromesso tra diversi - e talvolta contrastanti - obiettivi, quali la precisione, la facilità di parametrizzazione utilizzando dati di progetto e/o nominali, il che richiede un approccio basato su principi primi, e l’efficienza numerica. I risultati ottenuti in questo lavoro possono essere brevemente riassunti come segue. • Viene proposto un modello dinamico per una ruota entalpica che permette di superare alcuni limiti dei modelli disponibili fino ad oggi in letteratura, e viene riportata una discussione - sulla base di una breve revisione del lavoro già esistente - per giustificare la realizzazione di un nuovo modello. • Una implementazione Modelica del modello proposto è presentata e validata con i dati disponibili in letteratura. Il modello così ottenuto permette di approfondire alcuni aspetti del funzionamento della ruota che sono squisitamente dinamici, preparando così il terreno per studi orientati al controllo qui di seguito introdotti. • Vengono discusse alcune possibilità per l’uso di ruote entalpiche in unità di trattamento aria, considerando l’aggiunta della ruota - che intuitivamente non è una novità di per sé - da un punto di vista essenzialmente di controllo. Questo permette di delineare alcune linee guida, che saranno ulteriormente approfondite nei lavori futuri, per una valutazione oggettiva dei miglioramenti ottenibili dal punto di vista dell’ efficienza energetica. In particolare, nel primo capitolo viene introdotto il contesto in cui questo lavoro si inserisce e vengono presentati in maniera sintetica i sistemi di condizionamento dell’aria usati negli edifici e il loro funzionamento. Viene inoltre messo in evidenza il possibile risparmio energetico dato dall’uso delle ruote entalpiche. Nel secondo capitolo viene illustrato il funzionamento delle ruote entalpiche e sono presentate alcune configurazioni di unità di trattamento aria che prevedono l’uso di tali elementi. 2 Il terzo capitolo è dedicato a una breve presentazione di alcuni modelli di ruote entalpiche presenti in letteratura, in particolare vengono presi in considerazione alcuni modelli di primo principio implementati in linguaggio Modelica e alcuni modelli empirici. Il quarto capitolo illustra il modello proposto in questo lavoro mettendo in evidenza le principali scelte modellistiche che lo differenziano dai modelli finora proposti. Particolare attenzione viene posta alla rappresentazione del movimento della ruota che risulta essere un elemento particolarmente importante per l’aderenza del modello alla realtà fisica. La scelta della modellizzazione della velocità della ruota mediante un “flusso di materiale”, ci permette inoltre di tenere conto in maniera semplice ed intuitiva di fenomeni fisici altrimenti difficilmente rappresentabili. Tale modello è validato attraverso dati sperimentali presenti in letteratura (quinto capitolo) con i quali viene riscontrata una buona aderenza. Nel sesto capitolo vengono presentati alcuni risultati di simulazioni per mettere in evidenza la bontà del modello. In particolare, viene illustrata la distribuzione spaziale dei parametri di interesse (temperatura e umidità) e viene inoltre riportata un’ analisi parametrica atta a identificare la variazione del comportamento della ruota al variare delle condizioni di funzionamento. Il tema del risparmio energetico è trattato nello specifico nel settimo capitolo, in cui vengono messi a punto i sistemi di controllo sia per l’ UTA standard che per quella con ruota entalpica in modo da poter confrontare la domanda energetica delle due configurazioni nelle stesse condizioni operative. Nell’ottavo capitolo vengono illustrate alcune possibilità di controllo alternative che prevedono l’uso della velocità della ruota come variabile di controllo. Nello stesso capitolo viene anche proposta una strategia di controllo di temperatura basata sull’utilizzo, come variabile manipolabile, della velocità della ruota. Nel nono capitolo sono presentati alcuni risultati di simulazione che illustrano i consumi energetici dell’UTA in funzione della velocità della ruota in varie condizioni operative. Viene quindi proposto un metodo per la scelta della velocità della ruota in modo da minimizzare il consumo energetico dell’UTA, sia nel caso generale che in quello in cui si possa usufruire di fonti di calore di bassa qualità e/o a basso costo, come per esempio quelle legate a recuperi di calore “di scarto” oppure alle sorgenti rinnovabili. L’ultimo capitolo è dedicato alle conclusioni e agli sviluppi futuri.