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
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.
1
4.
Mancanza di modelli standard di valvole di inversione nella libreria
Air Conditioning.
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
2
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.
4.
1
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
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
3
Elaborazione del modello: problematiche e soluzioni adottate
Impianto
virtuale
Configurazione
di
raffreddamento
Con ERV
2SimoneNoce
Simone
Noce
1
Con ERV
Senza ERV
30 Aprile
30 Aprile
20152015
Configurazione
di
riscaldamento
3
Senza ERV
4
Configurazione di raffreddamento: impianto senza ERV
1
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
5
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.
1
• 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.
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
6
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
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
7
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 1dal sensore con
quella di riferimento,
regolando il numero di
giri del compressore in
maniera tale da portarle
a convergenza.
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
Ingresso costante:
si può imporre la
temperatura
desiderata in
cabina
8
Configurazione di raffreddamento: impianto con ERV
1
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
9
Configurazione di riscaldamento: impianto senza ERV
1
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
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
10
Configurazione di riscaldamento: impianto con ERV
1
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
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
11
Configurazione di riscaldamento: impianto con ERV e ricircolo
1
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
12
Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti
Obiettivi
Caso estivo
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
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
Caso invernale
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
3
13
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
Riscaldamento: 𝑄condensatore +
𝑄massaRadiante
• Potenza termica utile dell’impianto
• Potenza effettiva richiesta dal compressore
Raffreddamento: 𝑄evaporatore
• 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
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
14
Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti
Parametri di interesse
• COP teorico =
• COP reale =
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙𝑙 ′ 𝑖𝑚𝑝𝑖𝑎𝑛𝑡𝑜
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑒 𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙𝑙 ′ 𝑖𝑚𝑝𝑖𝑎𝑛𝑡𝑜
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑡𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑟𝑖𝑐ℎ𝑖𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑒
• COP globale =
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙𝑙 ′ 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
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
15
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.
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
16
Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti
Ipotesi
Per il carico termico agente sul veicolo si è considerato:
Conduzione
𝑄 = UA(Text – Tcabina) + 𝑄Irr
Estate
𝑊
𝐾
UA = 22.3
𝑄Irr = 800 w
Convezione
Irraggiamento
Coefficiente globale di scambio termico del veicolo
Potenza solare termica associata all’irraggiamento
𝑄= UpAp(Text – Tcabina ) + UvAv(Text – Trugiada)
Inverno
Si è trascurato il contributo dovuto all’irraggiamento solare
UpAp =
U vAv =
𝑊
10
𝐾
𝑊
160
𝐾
2SimoneNoce
Simone
Noce
Coefficiente globale di scambio termico delle pareti del veicolo
Coefficiente globale di scambio termico dei vetri del veicolo
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
17
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.
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
18
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)
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
6500
Potenza totale richiesta (W) 1404.91
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
1670.33
3
19
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
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
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
20
Tipologie di prove eseguite e risultati ottenuti
Configurazione di raffreddamento
Senza ERV
Con ERV
T = 35 °C
φ = 0.75
Portata
273 kg/h
Portata
364 kg/h
T= 35 °C
φ= 0.75
Portata
273 kg/h
Portata
364 kg/h
T abitacolo °C
31.84
32.66
T abitacolo °C
24.16
24.03
φ abitacolo
0.320
0.380
φ abitacolo
0.303
0.360
COP globale
2.45
2.32
COP globale
2.57
2.43
T bocchette °C
15.17
20.20
T bocchette °C
8.22
12.03
P totale (W)
1660.05
1990.35
P totale (W)
816.95
1093.91
T = 25°C
φ = 0.75
Portata
273 kg/h
Portata
364 kg/h
T= 25°C
φ= 0.75
Portata
273 kg/h
Portata
364 kg/h
T abitacolo °C
24
24
T abitacolo °C
23.56
23.57
φ abitacolo
0.362
0.412
φ abitacolo
0.317
0.362
COP globale
3.54
3.63
COP globale
3.66
4.08
T bocchette °C
10.42
13.83
T bocchette °C
10.05
13.44
P totale (W)
650.16
726.30
P totale (W)
296.57
289.86
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
21
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
22
22
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
6500
6311
3241
4951
2280
Rapporto di compressione
4.28
5.36
5.34
2.86
4.54
2.58
Potenza totale richiesta (W)
606.04
885.54
917.26
445.20
750.69
363.12
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
22
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
22
22
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
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
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
23
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
22
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
4.33
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
4.42
6.58
5.23
3.87
3.48
3.61
2.76
974.04
671.57
425.86
430.64 498.46
Potenza totale richiesta (W) 604.45
2SimoneNoce
Simone
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
3
320
24
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
SimoneNoce
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
25
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
SimoneNoce
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015
26
Grazie per
l’attenzione
Simone
SimoneNoce
Noce
30 Aprile
30 Aprile
20152015