Il flusso d’aria influenza brinamento e sbrinamento nelle pompe di calore per auto elettriche
Nell’evoluzione della mobilità elettrica, uno dei problemi più persistenti per il comfort e l’efficienza dei veicoli in climi freddi è il degrado delle prestazioni dei sistemi di gestione termica a causa dell’accumulo di brina. Quando le temperature invernali scendono, i sistemi di pompa di calore progettati per riscaldare l’abitacolo dell’auto incontrano un ostacolo critico: la formazione di brina sugli scambiatori di calore esterni. Questo fenomeno non solo riduce la capacità di riscaldamento, ma aumenta anche il consumo energetico e compromette il comfort dei passeggeri. Un nuovo studio sperimentale condotto da ricercatori dell’Università di Tecnologia Zhongyuan ha fatto luce su una variabile cruciale in questa equazione: il volume del flusso d’aria.
La ricerca, guidata da Zhou Guanghui, Wang Rui, Li Haijun, Xu Qi, Cai Xia, Zhang Qingge, Yuan Tiesuo e Chu Xuejing, esamina come diversi flussi d’aria del ventilatore interno influenzino sia il comportamento della brina sia l’efficienza dello sbrinamento in un sistema di pompa di calore ad compressione quasi-bistadio specificamente progettato per veicoli elettrici puri che operano in condizioni di bassa temperatura. I risultati, pubblicati sulla rivista Energy Conservation, offrono preziose intuizioni per gli ingegneri automobilistici che mirano a ottimizzare i sistemi termici nei veicoli elettrici di prossima generazione.
Mentre l’urbanizzazione si intensifica in Cina e l’adozione globale di veicoli elettrici cresce, la domanda di controllo climatico efficiente e affidabile nell’abitacolo aumenta proporzionalmente. I metodi tradizionali di riscaldamento resistivo, sebbene efficaci, consumano una quantità significativa di energia della batteria, riducendo direttamente l’autonomia di guida, una preoccupazione chiave per i consumatori. In risposta, i produttori di automobili si sono sempre più rivolti alla tecnologia delle pompe di calore, che possono fornire fino a tre volte più energia termica rispetto all’energia elettrica consumata in condizioni favorevoli. Tuttavia, quando le temperature ambientali scendono al di sotto di 5 °C e i livelli di umidità aumentano, la bobina del vaporizzatore esterno inizia a formare brina, ostruendo il flusso d’aria e isolando la superficie di scambio termico. Ciò porta a un marcato calo delle prestazioni del sistema.
Per affrontare queste limitazioni, il team di ricerca ha progettato e testato una configurazione avanzata di pompa di calore basata su compressione quasi-bistadio con iniezione di vapore a pressione intermedia. Questa architettura consente rapporti di compressione più elevati senza temperature di scarico eccessive, rendendola particolarmente adatta al funzionamento in climi freddi. Il sistema utilizza R1234yf, un refrigerante di nuova generazione con un potenziale di riscaldamento globale inferiore rispetto al tradizionale R134a, allineandosi così alle normative ambientali globali e agli obiettivi di sostenibilità.
L’allestimento sperimentale è stato condotto all’interno di un laboratorio standard di differenza di entalpia, garantendo un controllo preciso sulle variabili ambientali. Le condizioni di prova sono state stabilite in conformità con lo standard nazionale cinese GB/T 37123–2018, relativo ai condizionatori d’aria per autoveicoli azionati elettricamente, concentrandosi sulle operazioni in modalità riscaldamento. I parametri chiave includevano una temperatura ambiente esterna di 1 °C, un’umidità relativa del 70%, una velocità del compressore fissa a 3.600 giri/min e una velocità del ventilatore esterno mantenuta a 4,5 m/s. La variabile principale sotto esame era il flusso d’aria del ventilatore interno, testato a tre livelli: 60%, 80% e 100% della capacità massima. Questo approccio ha permesso ai ricercatori di isolare l’impatto del flusso d’aria sul lato abitacolo sul comportamento termodinamico generale del sistema, in particolare durante cicli prolungati di riscaldamento in cui inevitabilmente si verifica la formazione di brina.
Una delle osservazioni più significative dello studio è stata la correlazione diretta tra l’aumento del flusso d’aria interno e la diminuzione della temperatura di evaporazione. Al 60% della velocità del ventilatore, la temperatura dell’evaporatore è scesa da un valore iniziale di 1,05 °C a -21,03 °C con l’accumulo di brina. Quando la velocità del ventilatore è aumentata all’80%, la temperatura iniziale era leggermente inferiore a 0,46 °C, ma la temperatura finale è scesa ulteriormente a -22,55 °C. L’impostazione più aggressiva, al 100% della velocità del ventilatore, è partita da -0,26 °C ed è arrivata a -23,55 °C alla fine del ciclo di brinamento. Questo effetto di raffreddamento progressivo sottolinea un principio fondamentale nel trasferimento di calore: un flusso d’aria maggiore migliora lo scambio termico convettivo sullo scambiatore di calore interno (che ora funge da condensatore in modalità riscaldamento), il che a sua volta richiede un maggiore assorbimento di calore dall’ambiente esterno. Mentre la bobina esterna lavora di più per estrarre calore dall’aria fredda e umida, la sua temperatura superficiale scende al di sotto del punto di rugiada e infine al di sotto del punto di congelamento, accelerando la nucleazione e la crescita della brina.
Tuttavia, i benefici di un miglior trasferimento di calore vanno di pari passo con degli svantaggi. Sebbene un flusso d’aria più elevato migliori la produzione di calore a breve termine, intensifica anche il tasso con cui le prestazioni si degradano nel tempo a causa della brina. I dati hanno rivelato che al 60% della velocità del ventilatore, la capacità di riscaldamento del sistema è diminuita del 44,3%, passando da un picco di 2,30 kW a 1,28 kW. All’80% del flusso d’aria, la riduzione è stata leggermente meno severa al 42,2%, con l’output che scendeva da 2,70 kW a 1,56 kW. L’impostazione del flusso d’aria più alto ha visto un calo del 42,8%, da 3,40 kW a 1,78 kW. Queste cifre evidenziano un equilibrio critico: sebbene un flusso d’aria più elevato fornisca un riscaldamento iniziale più forte, il sistema raggiunge il suo punto più basso di prestazione più rapidamente man mano che la brina si accumula.
Allo stesso modo, il coefficiente di prestazione (COP), una misura dell’efficienza energetica, ha seguito una tendenza comparabile. Al 60% della velocità del ventilatore, il COP è sceso da 1,42 a 1,01, rappresentando un calo del 28,8%. All’80%, è diminuito da 1,65 a 1,20 (27,2%), e al 100%, da 2,01 a 1,45 (27,8%). Il lieve miglioramento nell’efficienza relativa a un flusso d’aria più elevato suggerisce che il sistema opera più vicino al suo punto ottimale prima che la brina prenda il sopravvento. Tuttavia, tutte le configurazioni hanno subito perdite sostanziali di efficienza man mano che gli strati di ghiaccio si formavano sullo scambiatore di calore esterno a microcanali, che, a causa della sua struttura alette compatta, è particolarmente soggetto a ostruzioni.
Quello che rende questo studio particolarmente prezioso è il suo focus non solo sul brinamento, ma anche sulla dinamica dello sbrinamento. I ricercatori hanno impiegato il metodo di sbrinamento a ciclo inverso, che inverte il flusso del refrigerante utilizzando una valvola a quattro vie, trasformando l’unità interna in un evaporatore e la bobina esterna in un condensatore. Ciò consente al gas refrigerante caldo di sciogliere la brina accumulata. A differenza dei riscaldatori elettrici ausiliari, questo metodo utilizza il calore residuo dal sistema stesso, minimizzando il consumo aggiuntivo di energia dalla batteria.
Durante i test di sbrinamento, il team ha osservato che un flusso d’aria interno più elevato riduceva in modo significativo la durata dello sbrinamento. Al 60% della velocità del ventilatore, il processo è durato 272 secondi. Ciò si è ridotto a 248 secondi all’80% del flusso d’aria, un risparmio dell’8,82%, e si è ulteriormente accorciato a 236 secondi al 100% del flusso d’aria, segnando una riduzione del 13,24% rispetto all’impostazione più bassa. Contestualmente, la temperatura media di condensazione durante lo sbrinamento è aumentata da 14,46 °C al 60% del flusso d’aria a 16,26 °C all’80%, e a 17,36 °C al 100%. Questo aumento di temperatura è cruciale: temperature di condensazione più elevate significano che viene fornita più energia termica alla bobina imbrinata, accelerando lo scioglimento del ghiaccio.
Il meccanismo alla base di questo miglioramento risiede in una migliore distribuzione del calore. Con un maggiore flusso d’aria attraverso lo scambiatore di calore interno (ora funzionante come evaporatore durante lo sbrinamento), il refrigerante assorbe calore in modo più efficiente dall’aria dell’abitacolo, portando a un maggiore surriscaldamento e a un funzionamento del compressore più stabile. Ciò si traduce in un gas di scarico più caldo inviato all’unità esterna, migliorando la capacità di sbrinamento. Inoltre, cicli di sbrinamento più rapidi significano meno tempo trascorso in una modalità senza riscaldamento, preservando il comfort dell’abitacolo e riducendo la necessità di riscaldamento supplementare.
Un altro risultato chiave riguarda la durata del brinamento. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, un flusso d’aria interno più elevato ha effettivamente abbreviato il tempo necessario perché la brina si sviluppasse completamente sulla bobina esterna. Al 60% del flusso d’aria, ci sono voluti 103 minuti affinché il sistema raggiungesse il brinamento completo. All’80%, questo è stato ridotto a 98 minuti (4,85% più veloce), e al 100%, a soli 95 minuti (7,77% più veloce). Ciò indica che, sebbene un flusso d’aria elevato acceleri il degrado delle prestazioni, attiva anche la logica di controllo dello sbrinamento prima, potenzialmente portando a cicli di sbrinamento più frequenti ma più brevi. Per i produttori di automobili, ciò rappresenta un’opportunità per perfezionare le strategie di avvio dello sbrinamento basate su condizioni di flusso d’aria, carico e domanda termica in tempo reale.
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre l’interesse accademico. Mentre i produttori di automobili si sforzano di estendere l’autonomia dei veicoli elettrici in climi freddi, ogni chilowattora risparmiato per il riscaldamento dell’abitacolo si traduce in chilometri aggiuntivi sulla strada. Comprendendo come il flusso d’aria influisca sia sul brinamento che sullo sbrinamento, gli ingegneri possono progettare algoritmi di controllo più intelligenti che regolino dinamicamente le velocità dei ventilatori in base alle condizioni ambientali, all’occupazione e alla domanda termica. Ad esempio, durante periodi di freddo moderato, mantenere un flusso d’aria moderato potrebbe ritardare il brinamento ed estendere l’efficienza del riscaldamento. Durante richieste intense di riscaldamento, aumentare temporaneamente il flusso d’aria potrebbe essere accettabile se garantisce uno sbrinamento rapido e un comfort sostenuto.
Inoltre, l’uso di R1234yf in un sistema quasi-bistadio dimostra una via praticabile per i veicoli elettrici in climi freddi. Questo refrigerante, sebbene più costoso e leggermente meno efficiente di alcune alternative, offre vantaggi ambientali e compatibilità con l’infrastruttura di servizio esistente. Combinato con la tecnologia di iniezione di vapore, consente un funzionamento affidabile anche in ambienti sub-zero, una necessità per mercati nel nord della Cina, Scandinavia, Canada e Stati Uniti settentrionali.
Lo studio sottolinea anche l’importanza del pensiero a livello di sistema nella gestione termica dei veicoli elettrici. Mentre molta attenzione è rivolta al raffreddamento della batteria, il riscaldamento dell’abitacolo rimane un importante pozzo di energia. L’ottimizzazione del flusso d’aria è una soluzione a basso costo, guidata dal software, che non richiede modifiche hardware. Semplici aggiustamenti alla logica di controllo del ventilatore, informati da dati empirici come quelli presentati in questo articolo, possono produrre miglioramenti misurabili in efficienza e soddisfazione dell’utente.
Guardando al futuro, ulteriori ricerche potrebbero esplorare l’interazione tra flusso d’aria e altre variabili come la modulazione del compressore, la carica del refrigerante e metodi avanzati di rilevamento dello sbrinamento. L’integrazione di modelli di apprendimento automatico per prevedere il brinamento basandosi su input di sensori in tempo reale, inclusi umidità, temperatura e pressione, potrebbe consentire uno sbrinamento predittivo, evitando cicli non necessari e migliorando ulteriormente l’efficienza.
In conclusione, il lavoro di Zhou Guanghui, Wang Rui e dei loro colleghi fornisce un’analisi completa del ruolo del flusso d’aria nelle prestazioni dei sistemi di pompa di calore per veicoli elettrici in condizioni fredde e umide. I loro risultati dimostrano che, sebbene velocità più elevate del ventilatore interno accelerino il brinamento, migliorano anche la velocità e l’efficienza dello sbrinamento, portando infine a una migliore reattività del sistema e tempi di inattività più brevi. Per l’industria automobilistica, ciò significa che la gestione intelligente del flusso d’aria non è semplicemente una caratteristica di comfort, ma un componente critico della progettazione termica efficiente dal punto di vista energetico. Man mano che i veicoli elettrici continueranno a penetrare in mercati più freddi, tali intuizioni saranno fondamentali per offrire soluzioni di trasporto affidabili, confortevoli e sostenibili.
Zhou Guanghui, Wang Rui, Li Haijun, Xu Qi, Cai Xia, Zhang Qingge, Yuan Tiesuo, Chu Xuejing, Università di Tecnologia Zhongyuan, Energy Conservation, doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008