Development, validation and improvement of a mathematical model for an EVI air to water heat pump through field test analysis

In the last decades global energy requirements are grown exponentially. In this framework, European Countries Governments are issuing several norms about energy efficiency and, among them, it is stated that starting from 2017, 50% of energy required by new edifice must be obtained through renewable sources. Heat pump thermal energy is partially accounted as renewable and for this reason a wide diffusion of this device is expected, making its optimisation in terms of energy efficiency a significant topic. For this purpose, this work aims at developing and validating a mathematical model of an air-to-water heat pump, equipped with a variable speed EVI scroll compressor. Main components models are explained in detail and their validation processes, mostly based on rating test conditions, are shown. 12 heat pump field test applications, installed and monitored by Emerson Climate Technologies, are analysed obtaining useful indication on system functioning principles. System model, obtained connecting single components, is validated considering measured conditions acquired from field test applications, showing good estimation accuracy. Afterwards, different daily COP are computed and compared to real value taken from monitoring system, showing a maximum relative error of 4.5%. In the last part of this work, system model is applied to estimate heat pump SCOP for a high temperature radiator application, considering EN 14825 average climate conditions. Results obtained are satisfactory, indeed, model calculates SCOP equal to 3.25 whereas the real value measured on field test application is 3.24. Finally, model is applied to estimate SCOP for different applications in terms of water temperature setpoint, showing a performance decrement of nearly 30% between low temperature applications (floor heating) and very high temperature applications (old radiator).

Negli ultimi anni i consumi globali di energia sono cresciuti esponenzialmente. In questo contesto, i Governi dei Paesi europei hanno deliberato una serie di norme sull’efficienza energetica tra le quali si impone che, a partire dal 2017, il 50% del consumo energetico di un edificio sia soddisfatto mediante l’impiego di fonti rinnovabili. Essendo una parte dell’energia termica prodotta attraverso pompa di calore conteggiata come proveniente da fonte rinnovabile, è lecito attendersi un’ampia diffusione di questi apparecchi nel prossimo futuro. Questo rende la loro ottimizzazione, in termini di prestazioni energetiche, un argomento di notevole interesse. A questo scopo, il lavoro svolto aspira a sviluppare e validare un modello matematico di una pompa di calore aria-acqua, equipaggiata con compressore scroll a velocità variabile dotato di tecnologia EVI. I modelli matematici dei principali componenti sono illustrati nel dettaglio mostrando la loro validazione, principalmente eseguita su condizioni misurate attraverso test di laboratorio. 12 prototipi di pompe di calore, messe in opera e monitorate da Emerson Climate Technologies, sono stati analizzati al fine di ricavare utili indicazioni circa il loro principio di funzionamento. Il modello del sistema, ottenuto legando tra loro quelli dei singoli componenti, è validato utilizzando misure acquisite dalle applicazioni su campo e i risultati ottenuti ne dimostrano la buona accuratezza previsionale. In seguito, vari COP giornalieri sono stati calcolati e confrontanti con i corrispettivi valori reali, ottenuti dal sistema di monitoraggio, mostrando un errore relativo massimo del 4.5% Nell’ultima parte del lavoro il modello del sistema è stato applicato allo scopo di stimare il COP stagionale di una pompa di calore impiegata con radiatori ad alta temperatura e considerando le condizioni climatiche “average” fissate dalla norma EN 14825. I risultati ottenuti sono da considerarsi assolutamente soddisfacenti, con il SCOP calcolato dal modello uguale a 3.25 contro il 3.24 misurato su campo. Infine, il modello è sfruttato al fine di stimare il coefficiente di prestazione stagionale per applicazioni con diversi setpoint in termini di temperatura dell’acqua. I risultati delle simulazioni evidenziano quasi il 30% di decadimento prestazionale tra applicazioni a bassa temperatura (pavimento radiante) e applicazioni a temperatura molto alta (vecchi radiatori).