Experimental comparative performance analysis of Heat Recovery Ventilation (HRV) and Energy Recovery Ventilation (ERV) in a compact heat pump ventilation unit under heating mode operation Analisi sperimentale comparativa delle prestazioni della ventilazione con recupero di calore (HRV) e con recupero entalpico (ERV) in un sistema ibrido compatto a pompa di calore in regime di riscaldamento

Negli edifici ad alte prestazioni energetiche, l’aumento del livello di isolamento e di tenuta all’aria dell’involucro sposta progressivamente il baricentro del fabbisogno energetico residuo verso il ricambio d’aria. Nel percorso di decarbonizzazione del settore edilizio residenziale, la ventilazione, un tempo funzione marginale nel bilancio termico dell’edificio, diventa così negli edifici a energia quasi zero (nZEB) una delle principali voci di dispersione termica. Le unità compatte ibride, che integrano ventilazione meccanica controllata, recupero di calore e pompa di calore aria-aria, note in letteratura come exhaust air heat pumps (EAHP), rispondono a questa esigenza contenendo le perdite legate al ricambio d’aria senza penalizzare la qualità dell’ambiente interno. La loro efficacia dipende tuttavia dalla tipologia di recuperatore integrato, che può operare il recupero del solo calore sensibile (HRV) oppure estendere il recupero al contenuto entalpico dell’aria (ERV). Questa scelta ha effetti diretti sulle condizioni operative della pompa di calore accoppiata. Il presente lavoro si inserisce in un programma di ricerca sperimentale condotto presso il laboratorio Kompaktgeräteprüfstand dell’Università di Innsbruck, in collaborazione con Zehnder Group, e fornisce la base sperimentale necessaria a un confronto diretto tra le due configurazioni di recupero sulla stessa unità ibrida. Obiettivo della tesi è la valutazione comparativa delle prestazioni energetiche e di comfort delle configurazioni HRV ed ERV, al fine di individuare le condizioni operative in cui l’una risulta preferibile all’altra. La campagna sperimentale, svolta in regime invernale nella sola modalità di riscaldamento, ha impiegato due camere climatiche indipendenti: una per la simulazione delle condizioni esterne, variate a seconda della prova, e una per le condizioni interne, mantenute costanti. Le prove hanno seguito una matrice definita da tre variabili indipendenti: temperatura esterna, portata volumetrica d’aria e frequenza di funzionamento del compressore della pompa di calore. Sulla stessa macchina è stato sostituito unicamente il recuperatore dell’unità di ventilazione, a parità di tutti gli altri componenti e con un protocollo di prova identico, in questo modo è stato possibile isolare l’effetto della tipologia di recupero dalle altre variabili e garantire la piena confrontabilità tra i punti di funzionamento HRV ed ERV. L’analisi dei dati si è basata su un insieme articolato di indicatori di prestazione energetica e termoigrometrica, calcolati per ciascun punto di funzionamento testato e concepiti per caratterizzare il comportamento del sistema da più punti di vista, dal bilancio energetico complessivo fino alle condizioni di comfort e alla qualità dell’aria immessa nell’ambiente interno. Questo approccio ha consentito di individuare le condizioni operative in cui una configurazione risulta più efficace dell’altra e, al tempo stesso, ha prodotto una base dati strutturata per future analisi di ottimizzazione del sistema. Il lavoro mette in evidenza che la scelta tra recupero sensibile ed entalpico non ammette una soluzione ottimale univoca, la scelta va invece orientata a un’analisi caso per caso delle condizioni climatiche e operative attese aprendo a possibili sviluppi futuri orientati a criteri di selezione tecnico-economici e a strategie di controllo ibride tra le due configurazioni.

In high-energy-performance buildings, the increase in the level of insulation and airtightness of the envelope progressively shifts the center of gravity of the residual energy demand toward air renewal: ventilation, once a marginal function in the building's thermal balance, becomes, in nearly zero-energy buildings (nZEB), one of the most significant sources of heat loss, within the decarbonization pathway of the residential building sector. Compact hybrid units integrating controlled mechanical ventilation, heat recovery, and an air-to-air heat pump - referred to in the literature as exhaust air heat pumps (EAHP) - respond to this need by containing the losses associated with air renewal without penalizing indoor environmental quality. Their effectiveness, however, depends on the type of heat recovery unit integrated: sensible heat recovery (HRV) or recovery extended to the enthalpy content of the air (ERV), with direct effects on the operating conditions of the coupled heat pump. The present work is part of an experimental research program conducted at the Kompaktgeräteprüfstand laboratory of the University of Innsbruck, in collaboration with Zehnder Group, and provides the experimental basis necessary for a direct comparison between the two recovery configurations on the same hybrid unit. The objective of the thesis is the comparative evaluation of the energy and comfort performance between HRV and ERV, in order to identify the operating conditions under which one is preferable to the other. The experimental campaign, conducted in winter heating-only mode, involved independent climatic chambers for the simulation of outdoor conditions (varied depending on the test) and indoor conditions (kept fixed), according to a test matrix defined by three independent variables: outdoor temperature, air volumetric flow rate, and heat pump compressor operating frequency. The replacement of only the recovery unit core within the same system, with all other components kept equal and with an identical protocol, made it possible to isolate the effect of the recovery type from the other variables, ensuring full comparability between the HRV and ERV operating points. The data analysis was conducted through an articulated set of energy and thermo-hygrometric performance indicators, calculated for each tested operating point and designed to characterize the system's behavior from multiple points of view: from the overall energy balance to the comfort conditions and air quality delivered to the indoor environment. This approach made it possible to identify the operating conditions in which one configuration is more effective than the other, while at the same time constituting a structured database for future system optimization analyses. The work highlights that the choice between sensible and enthalpy recovery does not admit a univocally optimal solution, but must be guided by a case-by-case analysis of the expected climatic and operating conditions, opening up to future developments oriented toward technical-economic selection criteria and hybrid control strategies between the two configurations.