Raffrescamento evaporativo a ciclo di Maisotsenko in ambienti confinati: modellazione numerica e simulazione energetica

The rising energy demand for summer cooling represents a critical challenge for the sustainability of the building sector. In this context, evaporative cooling systems based on the Maisotsenko cycle (M-cycle) have emerged as a promising technology capable of overcoming the theoretical wet-bulb temperature limit and approaching the dew point, ensuring a drastic reduction in electricity consumption compared to conventional vapor compression systems. This research systematically addresses the modeling, experimental validation, and application analysis of M-cycle heat and mass exchangers. A substantial part of the work is dedicated to the development of predictive numerical models. Starting from a critical analysis of existing modeling approaches, an alternative numerical formulation is proposed. This approach enables a more rigorous description of coupled heat and mass transfer phenomena and allows accurate prediction of thermo-hygrometric gradients within the channels. To overcome the high computational cost associated with physical simulations under dynamic conditions, an artificial neural network was implemented. The model demonstrates a strong capability in predicting intermediate operating conditions, enabling near-instantaneous evaluation of system performance at each time step and facilitating integration into building energy simulation tools. The theoretical framework is supported by experimental investigations. Tests performed on commercial heat exchanger modules validate the numerical models and confirm the reliability of the theoretical predictions. Finally, the effectiveness of the technology is assessed through real-world case studies across different climatic conditions. The results show that, through proper management of airflow rates and recirculation ratios, the energy efficiency ratio can be optimized under varying operating conditions. The study demonstrates that M-cycle systems can provide high indoor comfort and air quality with minimal energy consumption in different climatic scenarios. This work identifies the Maisotsenko cycle as a technologically mature solution, with strong potential for large-scale adoption in sustainable HVAC applications.

L’aumento della domanda energetica per il raffrescamento estivo rappresenta una sfida cruciale per la sostenibilità del settore edilizio. In questo contesto, i sistemi di raffrescamento evaporativo basati sul ciclo di Maisotsenko (M-cycle) si sono affermati come una tecnologia promettente, in grado di superare il limite teorico della temperatura di bulbo umido e avvicinarsi al punto di rugiada, garantendo una drastica riduzione dei consumi elettrici rispetto ai tradizionali sistemi a compressione di vapore. Questa ricerca affronta in modo sistematico la modellazione, la validazione sperimentale e l’analisi applicativa degli scambiatori di calore e massa basati sul ciclo M. Una parte significativa del lavoro è dedicata allo sviluppo di modelli numerici predittivi. A partire da un’analisi critica degli approcci di modellazione esistenti, viene proposta una formulazione numerica alternativa. Tale approccio consente una descrizione più rigorosa dei fenomeni accoppiati di scambio termico e di massa e permette di prevedere con accuratezza i gradienti termoigrometrici all’interno dei canali. Per superare l’elevato costo computazionale associato alle simulazioni fisiche in condizioni dinamiche, è stata implementata una rete neurale artificiale. Il modello dimostra una notevole capacità di prevedere condizioni operative intermedie, consentendo una valutazione pressoché istantanea delle prestazioni del sistema a ogni intervallo temporale e facilitandone l’integrazione negli strumenti di simulazione energetica degli edifici. Il quadro teorico è supportato da indagini sperimentali. I test eseguiti su moduli commerciali di scambiatori di calore validano i modelli numerici e confermano l’affidabilità delle previsioni teoriche. Infine, l’efficacia della tecnologia viene valutata attraverso casi studio reali in differenti condizioni climatiche. I risultati mostrano che, mediante una corretta gestione delle portate d’aria e dei rapporti di ricircolo, è possibile ottimizzare l’indice di efficienza energetica al variare delle condizioni operative. Lo studio dimostra che i sistemi basati sul ciclo M possono garantire elevati livelli di comfort interno e qualità dell’aria con consumi energetici minimi in diversi scenari climatici. Questo lavoro identifica il ciclo di Maisotsenko come una soluzione tecnologicamente matura, con un forte potenziale di adozione su larga scala nelle applicazioni HVAC sostenibili.