Corso di laurea in Ingegneria Energetica 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 Candidato: Simone Noce Correlatore: Ing. Marco Salvatori A.A. 2013/2014

SOMMARIO 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 Simone Noce 30 Aprile 2015 1

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

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

Elaborazione del modello: problematiche e soluzioni adottate Impianto virtuale Configurazione di raffreddamento Configurazione di riscaldamento 1 Con ERV Senza ERV Con ERV Senza ERV 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 4 Simone Noce 30 Aprile 2015

Configurazione di raffreddamento: impianto senza ERV 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 5 Simone Noce 30 Aprile 2015

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

I parametri su cui si può intervenire sono: Configurazione di raffreddamento: impianto senza ERV Modello abitacolo: SimpleCabin 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 Sorgente termica: si può imporre il carico termico esterno agente sul veicolo. 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 7 Simone Noce 30 Aprile 2015

Configurazione di raffreddamento: impianto senza ERV Controllo proporzionale-integrale sul compressore RPM max: 6500 RPM min: 1800 Sensore che rileva la temperatura in cabina Albero di rotazione del compressore Confronta la temperatura rilevata dal sensore con quella di riferimento, regolando il numero di giri del compressore in maniera tale da portarle a convergenza. 1 Ingresso costante: si può imporre la temperatura desiderata in cabina 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 8 2 Simone Noce 30 Aprile 2015

Configurazione di raffreddamento: impianto con ERV 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 9 Simone Noce 30 Aprile 2015

L’impianto si comporta da pompa di calore Configurazione di riscaldamento: impianto senza ERV 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 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 10 Simone Noce 30 Aprile 2015

Il blocco ERV richiede in input: Configurazione di riscaldamento: impianto con ERV 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 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 11 Simone Noce 30 Aprile 2015

Configurazione di riscaldamento: impianto con ERV e ricircolo 1 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 12 Simone Noce 30 Aprile 2015

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 Simone Noce 30 Aprile 2015 13 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015

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 Riscaldamento: 𝑄 condensatore + 𝑄 massaRadiante Raffreddamento: 𝑄 evaporatore 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 14 2 Simone Noce 30 Aprile 2015

Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Parametri di interesse COP teorico = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑙 ′ 𝑖𝑚𝑝𝑖𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑒 𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 COP reale = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑙 ′ 𝑖𝑚𝑝𝑖𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑡𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑟𝑖𝑐ℎ𝑖𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑒 COP globale = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑙 ′ 𝑖𝑚𝑝𝑖𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑡𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑟𝑖𝑐ℎ𝑖𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑒+𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑔𝑙𝑖 𝑎𝑢𝑠𝑖𝑙𝑎𝑟𝑖 Parametri operativi del compressore: Numero di giri del compressore Rapporto di compressione Coefficiente di riempimento Rendimento isentropico Simone Noce 30 Aprile 2015 15 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015

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. Simone Noce 30 Aprile 2015 16 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015

UA = 22.3 𝑊 𝐾 Coefficiente globale di scambio termico del veicolo Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Ipotesi Per il carico termico agente sul veicolo si è considerato: Conduzione 𝑄 = UA(Text – Tcabina) + 𝑄 Irr Convezione Irraggiamento UA = 22.3 𝑊 𝐾 Coefficiente globale di scambio termico del veicolo 𝑄 Irr = 800 w Potenza solare termica associata all’irraggiamento 𝑄 = UpAp(Text – Tcabina ) + UvAv(Text – Trugiada) Si è trascurato il contributo dovuto all’irraggiamento solare UpAp = 10 𝑊 𝐾 Coefficiente globale di scambio termico delle pareti del veicolo UvAv = 160 𝑊 𝐾 Coefficiente globale di scambio termico dei vetri del veicolo Estate Inverno 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 17 2 Simone Noce 30 Aprile 2015

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. Simone Noce 30 Aprile 2015 18 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015

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 364 kg/h T abitacolo (°C) 24.82 25.84 T bocchette (°C) 9.54 14.47 φ abitacolo 0.341 0.400 COP teorico 3.1 2.95 COP reale 3.07 2.93 COP globale 2.47 2.36 Rapporto di compressione 3.57 3.03 Numero di giri (RPM) 6500 Potenza totale richiesta (W) 1404.91 1670.33 Simone Noce 30 Aprile 2015 19 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015

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 364 kg/h T abitacolo (°C) 24 T bocchette (°C) 9.16 12.90 φ abitacolo 0.306 0.361 COP teorico 4 4.22 COP reale 3.98 4.13 COP globale 2.92 3.03 Rapporto di compressione 3.15 2.93 Numero di giri (RPM) 2833 3036 Potenza totale richiesta (W) 529.78 602.59 Simone Noce 30 Aprile 2015 20 2 3 Simone Noce 30 Aprile 2015

Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di raffreddamento Senza ERV Con ERV T = 35 °C φ = 0.75 Portata 273 kg/h 364 kg/h T abitacolo °C 31.84 32.66 φ abitacolo 0.320 0.380 COP globale 2.45 2.32 T bocchette °C 15.17 20.20 P totale (W) 1660.05 1990.35 T= 35 °C φ= 0.75 Portata 273 kg/h 364 kg/h T abitacolo °C 24.16 24.03 φ abitacolo 0.303 0.360 COP globale 2.57 2.43 T bocchette °C 8.22 12.03 P totale (W) 816.95 1093.91 T = 25°C φ = 0.75 Portata 273 kg/h 364 kg/h T abitacolo °C 24 φ abitacolo 0.362 0.412 COP globale 3.54 3.63 T bocchette °C 10.42 13.83 P totale (W) 650.16 726.30 T= 25°C φ= 0.75 Portata 273 kg/h 364 kg/h T abitacolo °C 23.56 23.57 φ abitacolo 0.317 0.362 COP globale 3.66 4.08 T bocchette °C 10.05 13.44 P totale (W) 296.57 289.86 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 21 2 Simone Noce 30 Aprile 2015

Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di riscaldamento senza ERV Portata di aria in cabina = 310 kg/h φ ext = 0.75 Text (°C) -10 -4 -2 2 4 8 T abitacolo (°C) -8.95 15.25 22 T bocchette (°C) 13.43 27.64 30.53 22.67 35.36 27.51 φ abitacolo 0.783 0.204 0.156 0.209 0.239 0.312 COP teorico 3.64 3.29 3.27 4.6 3.96 5.56 COP reale 3.60 3.26 3.23 4.5 3.87 5.4 COP globale 2.83 2.60 2.58 3.45 3.06 4.03 Numero di giri (RPM) 6500 6311 3241 4951 2280 Rapporto di compressione 4.28 5.36 5.34 2.86 4.54 Potenza totale richiesta (W) 606.04 885.54 917.26 445.20 750.69 363.12 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 22 2 Simone Noce 30 Aprile 2015

Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di riscaldamento con ERV Portata di aria in cabina = 310 kg/h φ ext = 0.75 Text (°C) -6 -4 -2 2 4 8 T abitacolo (°C) 8.14 15.55 22 T bocchette (°C) 24.49 28.15 30.82 32.21 35.67 27.81 φ abitacolo 0.674 0.456 0.338 0.417 0.462 0.570 COP teorico 3.86 3.66 3.83 4.42 4.23 6.23 COP reale 3.82 3.63 3.80 4.36 4.17 6.04 COP globale 3.02 2.89 3.01 3.42 3.29 4.5 Numero di giri (RPM) 6500 6054 4695 4797 2185 Rapporto di compressione 4.74 4.87 4.77 3.98 4.12 2.40 Potenza totale richiesta (W) 727.97 800.39 780.04 636.72 695.52 326.86 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 23 2 Simone Noce 30 Aprile 2015

Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti Configurazione di riscaldamento con ERV e ricircolo Portata di aria in cabina = 310 kg/h φ ext = 0.75 Percentuale di portata d’aria di ricircolo = 50% Text (°C) -10 -6 -4 -2 2 4 8 T abitacolo (°C) -5.77 22 22.10 22.01 22.14 28.16 T bocchette (°C) 17.51 38.66 35.69 30.85 32.88 35.64 33.93 φ abitacolo 0.626 0.135 0.168 0.195 0.234 0.244 0.230 COP teorico 3.96 2.73 3.43 4.38 4.43 4.42 4.71 COP reale 3.93 2.70 3.38 4.30 4.33 4.53 COP globale 3.07 2.15 2.65 3.26 3.28 3.32 3.31 Numero di giri (RPM) 6500 6362 4961 3261 2886 3195 1800 Rapporto di compressione 6.58 5.23 3.87 3.48 3.61 2.76 Potenza totale richiesta (W) 604.45 974.04 671.57 425.86 430.64 498.46 320 3 Simone Noce 30 Aprile 2015 24 2 Simone Noce 30 Aprile 2015

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. Simone Noce 30 Aprile 2015 25 Simone Noce 30 Aprile 2015

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 %. Simone Noce 30 Aprile 2015 26 Simone Noce 30 Aprile 2015

Grazie per l’attenzione Simone Noce 30 Aprile 2015 Simone Noce 30 Aprile 2015