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Università degli studi di Roma Tor Vergata Corso di laurea in Ingegneria Energetica Titolo tesi: ‘’Modellazione ed analisi delle prestazioni di un impianto.

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1 Università degli studi di Roma Tor Vergata Corso di laurea in Ingegneria Energetica Titolo tesi: ‘’Modellazione ed analisi delle prestazioni di un impianto di condizionamento di un veicolo elettrico‘’ Relatore: Ing. Michele Manno Correlatore: Ing. Marco Salvatori Candidato: Simone Noce A.A. 2013/2014

2 Simone Noce 30 Aprile Presentazione dell’impianto virtuale e analisi dei risultati ottenuti dalle simulazioni: Elaborazione del modello: problematiche e soluzioni adottate Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Considerazioni finali SOMMARIO

3 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Elaborazione del modello: problematiche e soluzioni adottate Problematiche: 1.Mancanza di un modello standard del recuperatore entalpico. 2.Mancanza del sensore di rilevazione dell’umidità relativa per l’aria. 3.Per ogni componente aggiunto al modello è stato necessario eseguire un test per tenere sotto controllo la formazione dell’impianto virtuale. 4.Mancanza di modelli standard di valvole di inversione nella libreria Air Conditioning.

4 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Elaborazione del modello: problematiche e soluzioni adottate Soluzioni adottate: 1. E’ stato creato un blocco funzionale per simulare il funzionamento del recuperatore. 2.E’ stato creato il sensore dell’umidità relativa attraverso un codice nel linguaggio Modelica. 3.Il metodo di costruzione adottato ha permesso di gestire la formazione del modello in ogni sua singola fase. 4.Sono state elaborate due distinte configurazioni impiantistiche: Configurazione di raffreddamento Configurazione di riscaldamento

5 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Elaborazione del modello: problematiche e soluzioni adottate Impianto virtuale Configurazione di raffreddamento Configurazione di riscaldamento Con ERVSenza ERV Con ERV Senza ERV

6 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Configurazione di raffreddamento: impianto senza ERV

7 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Caratteristiche del modello: L’impianto si comporta da macchina frigorifera. Per modellare la cabina della vettura è stato utilizzato il modello standard SimpleCabin presente in Dymola. Per controllare la temperatura nell’abitacolo si è ricorso ad un controllo PI sul numero di giri del compressore. E’ stata inserita una valvola di bypass per controllare il ricircolo. E’ stato inserito un diagramma p-h per il fluido R134a per visualizzare il ciclo termodinamico del refrigerante ad ogni simulazione. Configurazione di raffreddamento: impianto senza ERV

8 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Sorgente termica: si può imporre il carico termico esterno agente sul veicolo. I parametri su cui si può intervenire sono: Numero di passeggeri Volume dell’abitacolo Potenza termica metabolica di un singolo passeggero Temperatura media delle pareti esterne Configurazione di raffreddamento: impianto senza ERV Modello abitacolo: SimpleCabin

9 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Sensore che rileva la temperatura in cabina Ingresso costante: si può imporre la temperatura desiderata in cabina Confronta la temperatura rilevata dal sensore con quella di riferimento, regolando il numero di giri del compressore in maniera tale da portarle a convergenza. Albero di rotazione del compressore RPM max: 6500 RPM min: 1800 Configurazione di raffreddamento: impianto senza ERV Controllo proporzionale-integrale sul compressore

10 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Configurazione di raffreddamento: impianto con ERV

11 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Caratteristiche: L’impianto si comporta da pompa di calore Sono presenti i componenti del circuito di post-riscaldamento dell’aria Il ciclo è stato invertito manualmente lasciando invariata la posizione dello scambiatore interno ed esterno Configurazione di riscaldamento: impianto senza ERV

12 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Il blocco ERV richiede in input: Portata massica Temperatura e umidità relativa in ingresso imposte dall’esterno Temperatura e umidità relativa in uscita dalla cabina richiamate tramite sensori Configurazione di riscaldamento: impianto con ERV

13 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Configurazione di riscaldamento: impianto con ERV e ricircolo

14 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Obiettivi Caso estivo Caso invernale Garantire una temperatura in abitacolo di Circa 24 °C e un φ< 50% Le prove sono state eseguite su: Impianto senza ERV Impianto con ERV Garantire una temperatura in abitacolo di circa 22 °C Le prove sono state eseguite su: Impianto senza ERV Impianto con ERV Impianto con ERV e ricircolo

15 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Parametri di interesse I parametri dell’impianto di maggior interesse sono: Temperatura nell’abitacolo e temperatura di uscita dalle bocchette Umidità relativa nell’abitacolo Potenza termica utile dell’impianto Potenza effettiva richiesta dal compressore Potenza degli ausiliari: Potenza della pompa di circolazione Potenza del fan dello scambiatore interno Potenza del fan dello scambiatore esterno Potenza del fan del recuperatore entalpico

16 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Parametri di interesse

17 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Ipotesi Le ipotesi fatte per lo svolgimento delle prove sono: Si è considerato come veicolo di riferimento una FIAT PANDA con un volume dell’abitacolo di circa 3 metri cubi. Sono stati considerati 3 passeggeri in vettura. Per ognuno di essi si è considerata una potenza termica metabolica di circa 80 W. Si è considerata una velocità del veicolo di circa 65 km/h alla quale corrisponde una portata di aria in ingresso allo scambiatore esterno di circa 2300 kg/h.

18 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Ipotesi Estate Inverno

19 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Tutte le prove sono state eseguite con un tempo di simulazione di 5000 secondi e i risultati estrapolati fanno riferimento al valore finale della simulazione.

20 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di raffreddamento senza ERV T esterna = 30 °C φ= 0.75 Portata di aria in cabina 273 kg/h Portata di aria in cabina 364 kg/h T abitacolo (°C) T bocchette (°C) φ abitacolo COP teorico COP reale COP globale Rapporto di compressione Numero di giri (RPM)6500 Potenza totale richiesta (W)

21 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di raffreddamento con ERV T esterna = 30 °C φ= 0.75 Portata di aria in cabina 273 kg/h Portata di aria in cabina 364 kg/h T abitacolo (°C)24 T bocchette (°C) φ abitacolo COP teorico44.22 COP reale COP globale Rapporto di compressione Numero di giri (RPM) Potenza totale richiesta (W)

22 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di raffreddamento T = 35 °C φ = 0.75 Portata 273 kg/h Portata 364 kg/h T abitacolo °C φ abitacolo COP globale T bocchette °C P totale (W) T= 35 °C φ= 0.75 Portata 273 kg/h Portata 364 kg/h T abitacolo °C φ abitacolo COP globale T bocchette °C P totale (W) Senza ERV Con ERV T = 25°C φ = 0.75 Portata 273 kg/h Portata 364 kg/h T abitacolo °C24 φ abitacolo COP globale T bocchette °C P totale (W) T= 25°C φ= 0.75 Portata 273 kg/h Portata 364 kg/h T abitacolo °C φ abitacolo COP globale T bocchette °C P totale (W)

23 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di riscaldamento senza ERV Text (°C) T abitacolo (°C) T bocchette (°C) φ abitacolo COP teorico COP reale COP globale Numero di giri (RPM) Rapporto di compressione Potenza totale richiesta (W) Portata di aria in cabina = 310 kg/h φ ext = 0.75

24 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di riscaldamento con ERV Text (°C) T abitacolo (°C) T bocchette (°C) φ abitacolo COP teorico COP reale COP globale Numero di giri (RPM) Rapporto di compressione Potenza totale richiesta (W) Portata di aria in cabina = 310 kg/h φ ext = 0.75

25 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di riscaldamento con ERV e ricircolo Text (°C) T abitacolo (°C) T bocchette (°C) φ abitacolo COP teorico COP reale COP globale Numero di giri (RPM) Rapporto di compressione Potenza totale richiesta (W) Portata di aria in cabina = 310 kg/h φ ext = 0.75 Percentuale di portata d’aria di ricircolo = 50%

26 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Considerazioni finali Alle condizioni esterne di 30 °C e 35 °C, la configurazione semplice riesce difficilmente a portarsi alle condizioni desiderate, al contrario l’aggiunta dell’ERV permette il raggiungimento di tale obiettivo con un innalzamento dei COP ovvero con una diminuzione della potenza totale richiesta dall’impianto. Con 25 °C esterni, la configurazione semplice è in grado di garantire il comfort in cabina, l’aggiunta dell’ERV può portare ad una diminuzione della temperatura in abitacolo, e quindi da questo punto di vista risulta svantaggiosa. Nel caso estivo non è stata introdotta la configurazione con il ricircolo, poiché la sola presenza dell’ERV è in grado di garantire il raggiungimento delle condizioni di comfort anche alle temperature esterne più estreme. Nel caso invernale la configurazione semplice riesce a garantire il comfort solo per temperature esterne non particolarmente rigide, l’aggiunta dell’ERV migliora le condizioni in abitacolo per i casi più estremi ma non è ancora sufficiente. Effettuando anche il ricircolo si riesce a raggiungere l’obbiettivo anche in queste ultime condizioni.

27 Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile Considerazioni finali Impatto sul consumo energetico del veicolo elettrico Si è stimato che l’impiego dell’impianto nelle condizioni più gravose determini un consumo che può arrivare al 30 % di quello richiesto per la trazione; introducendo il recuperatore entalpico l’incidenza scende a valori inferiori al 15 %.

28 Simone Noce 30 Aprile 2015 Grazie per l’attenzione


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