Studio sperimentale e modellistico di una pompa di calore elioassistita a doppia sorgente operante con CO2

The goal of this work is the experimental and numerical analysis of a prototype of a solar assisted heat pump (SAHP) working with carbon dioxide. This hybrid solar-ambient heat pump has two evaporators that can work alternatively: a fin coil and three photovoltaic-thermal collectors (PV-T). In the first chapter a short review presents all the different renewable energy sources for heat pumps, in particular the solar source is described, highlighting its features and the different avaible plants configurations. In the second chapter the experimental plant is described, with its components, operatives modes and data acquisition methods. In the third chapter there’s the analysis of data collected during the experimental campaign and the main results are presented. The flooded evaporation mode is the principal subject of this study, in which the evaporator is feeded with saturated liquid extracted from the bottom of the separator. The CO2 circulation can be either natural or it can be forced by a recently installed circulation pump. Also a load profile is used during experimental tests to perform domestic thermal loads. The pump response is recorded under various water demands, different in term of delivered fluid quantity and temperature; furthermore also an on/off control strategy is implemented, based on the water temperatures inside the hot thermal storage. In this way the temporal variation of the heat pump thermophisical properties can be observed. The last chapter presents the numerical model used to simulated the system behaviour. This model has been validated with experimental data in stationary and dynamic working condition: the agreement between predicted and experimental data shows that it can be used either to simulate different working conditions or to evaluate new optimization projectual interventions on the system.

Il seguente lavoro di tesi si prefigge lo scopo di analizzare sia da un punto di vista sperimentalmente che numerico un prototipo di pompa di calore elio-assistita che utilizza come refrigerante l’anidride carbonica. Si tratta di una pompa a doppia sorgente solare-aria, con due evaporatori in parallelo che possono essere utilizzati alternativamente: una batteria alettata e tre collettori solari ibridi fotovoltaici-termici (PV-T). Nel primo capitolo è presentata una panoramica sulle varie sorgenti termiche che possono essere utilizzate dalle pompe di calore, con focus particolare sulla sorgente solare, le sue particolarità e le diverse configurazioni d’impianto disponibili per il suo sfruttamento. Nel secondo capitolo è descritto l’impianto sperimentale, i suoi componenti, le modalità di funzionamento e il metodo di acquisizione dei dati. Nel terzo capitolo sono analizzati i dati sperimentali raccolti durante la campagna sperimentale ed esposti i risultati ottenuti. Particolare attenzione viene data alla modalità di evaporazione allagata nei collettori PV-T, nella quale l’evaporatore è alimentato da liquido saturo prelevato dal ricevitore. La circolazione del refrigerante può avvenire in modo naturale oppure può essere forzata da una pompa di circolazione di recente installazione. Sono stati svolti dei test sperimentali utilizzando un profilo di carico in grado di simulare dei profili termici da parte di un’utenza. La pompa di calore è stata studiata con richieste di carico diverse, variando la portata e la temperatura dell’acqua; inoltre viene implementato un algoritmo di spegnimento ed accensione basato sulle temperature del serbatoio caldo di accumulo, per analizzare l’andamento temporale delle grandezze termofisiche dell’impianto durante una prova di funzionamento reale. Per concludere l’ultimo capitolo è dedicato alla descrizione del modello numerico che simula il funzionamento della pompa di calore. Tale modello è stato poi validato utilizzando i dati sperimentali raccolti in regime sia stazionario che dinamico, risultando un buono strumento per poter simulare sia differenti condizioni operative sia nuovi interventi progettuali di ottimizzazione del sistema.