IT202000016483A1 - Metodo di controllo di mezzi di riscaldamento e sistema di riscaldamento comprendente detti mezzi di riscaldamento - Google Patents

Metodo di controllo di mezzi di riscaldamento e sistema di riscaldamento comprendente detti mezzi di riscaldamento Download PDF

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IT202000016483A1
IT202000016483A1 IT102020000016483A IT202000016483A IT202000016483A1 IT 202000016483 A1 IT202000016483 A1 IT 202000016483A1 IT 102020000016483 A IT102020000016483 A IT 102020000016483A IT 202000016483 A IT202000016483 A IT 202000016483A IT 202000016483 A1 IT202000016483 A1 IT 202000016483A1
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IT
Italy
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temperature
heating
value
building
control
Prior art date
Application number
IT102020000016483A
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Inventor
Luca Barboni
Giorgia Farella
Giovanni Bartucci
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Alperia Bartucci S P A
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/02—Hot-water central heating systems with forced circulation, e.g. by pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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Description

METODO DI CONTROLLO DI MEZZI DI RISCALDAMENTO E SISTEMA
DI RISCALDAMENTO COMPRENDENTE DETTI MEZZI DI
RISCALDAMENTO
DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
La presente invenzione si riferisce al settore dei sistemi di riscaldamento di unit? abitative, siano esse appartamenti, edifici o complessi di edifici.
STATO DELL'ARTE
Al giorno d?oggi esistono diversi sistemi per riscaldare unit? abitative, come appartamenti ed edifici.
Alcune unit? abitative sono dotate di riscaldamento autonomo, vale a dire che ciascuna unit? ? dotata di un proprio sistema di riscaldamento. Ad esempio l?unit? abitativa pu? essere dotata di una caldaia che riscalda dell?acqua che viene fatta circolare all?interno di elementi radianti posti all?interno dell?unit? abitativa. Alternativamente, l?unit? abitativa pu? essere dotata di un sistema HVAC (Heat Ventilation Air conditioning and Cooling), in cui una pompa di calore riscalda o raffredda un flusso d?aria che viene inviato all?interno dell?unit? abitativa.
Altre soluzioni prevedono, invece, l?uso di un sistema di riscaldamento centralizzato che serve diverse unit? abitative. ? il caso, questo, dei condomini, dove una centrale termica - una caldaia o un sistema HVAC condominiale -scalda un fluido vettore (rispettivamente acqua o aria), che viene mandata alle diverse unit? abitative. Ciascuna unit? abitativa ? poi dotata di un sistema di regolazione per aumentare o ridurre la temperatura all?interno dell?unit? abitativa. Ad esempio, nel caso delle caldaie, l?acqua scaldata dalla caldaia viene inviata a radiatori dotati di valvole che possono essere regolate manualmente o da un termostato interno all?unit? abitativa.
Ancora, un?altra forma di riscaldamento ? il teleriscaldamento. In questo caso, una centrale termica di grandi dimensioni riscalda dell?acqua che viene inviata a diversi edifici ciascuno dei quali ? poi dotato di pompe per distribuire l?acqua calda alle diverse unit? abitative all?interno dell?edificio.
Indipendentemente dal fatto che il sistema di riscaldamento preveda una caldaia dedicata per appartamento, o una centralizzata che riscalda pi? appartamenti, esiste la necessit? di ottimizzare i consumi della caldaia, in modo tale da garantire il riscaldamento dell?appartamento con minori consumi energetici possibili.
SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE
? scopo della presente invenzione quello di superare gli inconvenienti dell?arte nota.
In particolare ? scopo della presente invenzione presentare un sistema ed un metodo di riscaldamento di un'unit? abitativa che consenta di ridurre i consumi energetici.
Questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un metodo incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione.
Secondo un primo aspetto, l?invenzione ? diretta ad un metodo per riscaldare una porzione di un edificio ? per esempio, un'unit? abitativa. L?unit? abitativa comprende un impianto di riscaldamento comprendente almeno un organo riscaldante in cui circola un fluido di riscaldamento. In dettaglio, l'impianto di riscaldamento prevede mezzi di riscaldamento che riscaldano il fluido di riscaldamento in risposta ad un comando di controllo, un sensore di temperatura misura la temperatura ambiente all?interno della porzione di un edificio e trasmette un valore della temperatura misurata, un?unit? di controllo riceve il valore di temperatura misurata dal sensore ed invia ai mezzi di riscaldamento il comando di controllo.
Vantaggiosamente, il metodo prevede di configurare l?unit? di controllo per:
rilevare uno spegnimento dei mezzi di riscaldamento indipendente dal comando di controllo,
quando ? rilevato detto spegnimento, generare un comando di controllo di blocco che impedisce l?accensione dei mezzi di riscaldamento, e
imporre detto comando di blocco ai mezzi di riscaldamento ? per esempio, una caldaia ? fintanto che non si verifica una condizione di riaccensione predeterminata.
Nelle forme di realizzazione della presente invenzione, detta condizione di riaccensione comprende uno selezionato tra:
- il raggiungimento di valore predeterminato da parte della temperatura dell'almeno un organo riscaldante,
- il raggiungimento di un valore obiettivo di temperatura associato alla temperatura ambientale, o
- il trascorrere di un intervallo di tempo predeterminato,
a prescindere da una temperatura del fluido di riscaldamento.
L?invenzione nasce dall?osservazione che alcune tipologie di caldaie, come le caldaie a condensazione, richiedono un elevato consumo energetico ogni volta che vengono accese, questo ad esempio perch? ad ogni avvio parte dell?energia viene utilizzata per pulire gli ugelli del bruciatore. La soluzione proposta permette dunque di ridurre le continue accensioni del bruciatore e, conseguentemente, di ridurre i consumi energetici senza gravare eccessivamente sul comfort percepito dalle persone presenti nell?unit? abitativa.
In una forma di realizzazione, il valore obiettivo di temperatura associato alla temperatura ambientale corrisponde a un valore di soglia della temperatura ambiente all'interno della porzione di un edificio.
In alternativa, il valore obiettivo di temperatura associato alla temperatura ambientale corrisponde a un valore di soglia di una temperatura operativa all'interno della porzione di un edificio, laddove la temperatura operativa ? calcolata come la media tra la temperatura ambiente e una temperatura radiante complessiva in almeno una porzione ? per esempio, una singola stanza di un'unit? abitativa ? di detta porzione di un edificio ? una media pesata della temperatura radiante dell'almeno un organo riscaldante e una temperatura radiante di ciascuna delle superfici dell'almeno una porzione della porzione di un edificio.
Come ulteriore alternativa, il valore obiettivo di temperatura associato alla temperatura ambientale corrisponde a un valore di soglia applicato a una stima di un valore futuro della temperatura ambiente effettuata da un modello matematico, laddove il modello matematico ? definito utilizzando i dati storici di temperatura esterna, temperatura di mandata del fluido di riscaldamento e temperatura ambiente di almeno una porzione dell?edificio ? per esempio la porzione dell'edificio da riscaldare o la porzione dell'edificio con la temperatura ambiente minore.
Preferibilmente, la temperatura radiante complessiva ? calcolata secondo la seguente formula:
dove i coefficienti sono associati a pavimento, soffitto, pareti e radiatori, rispettivamente, e sono desunti dalle dimensioni della porzione di un edificio, da valori di riferimento di tali dimensioni, oppure da valori medi di porzioni dell'edificio con radiatori a parete.
Ancor pi? preferibilmente, la temperatura operativa ? calcolata come la media tra la temperatura ambiente misurata e la temperatura radiante, ossia:
In una forma di realizzazione, i mezzi di riscaldamento comprendono un circuito idraulico attraverso il quale il fluido di riscaldamento fluisce verso e da l'almeno un organo riscaldante.
In tale configurazione del sistema di riscaldamento, la temperatura radiante dell'almeno un organo radiante ? stimata a partire dalla temperatura del fluido di riscaldamento che fluisce dall'almeno un organo riscaldante ai mezzi di riscaldamento, dal materiale con cui ? realizzato l'almeno un organo riscaldante e da una dimensione dell'organo riscaldante.
In una diversa forma di realizzazione, ? previsto di determinare l'intervallo di tempo predeterminato stimando un tempo necessario alla temperatura radiante dell'almeno un organo riscaldante per scendere a una temperatura radiante di soglia a partire dalla temperatura del fluido di riscaldamento che fluisce dall'almeno un organo riscaldante ai mezzi di riscaldamento, dal materiale con cui ? realizzato l'almeno un organo riscaldante e da una dimensione dell'organo riscaldante.
Grazie a tali soluzioni ? possibile ottenere una stima affidabile della temperatura radiante dell'organo riscaldante, o del tempo necessario a raggiungere una temperatura radiante predeterminata, anche quando tale temperatura diventa ignota una volta che i mezzi di riscaldamento sono spenti ? ossia, quando ? interrotta la circolazione del fluido di riscaldamento nel sistema di riscaldamento.
In una forma di realizzazione alternativa ? pi? onerosa in termini di hardware e consumo energetico ?, la misura della temperatura radiante dell'organo riscaldante ? rilevata per mezzo di un sensore di temperatura associato all'organo di riscaldante e, preferibilmente, configurato per trasmettere all'unit? di controllo misure di temperatura quando i mezzi di riscaldamento vengono spenti.
In una forma di realizzazione, ? previsto che l'unit? di controllo memorizzi almeno due tra le seguenti formule:
laddove tA, tB e tC, sono intervalli di tempo medi necessari a raggiungere una temperatura radiante di soglia pari a 40? C con una temperatura ambiente pari a 20? C, e in cui TR,S ? la temperatura del fluido di riscaldamento che fluisce dall'almeno un organo riscaldante ai mezzi di riscaldamento.
Vantaggiosamente, ? inoltre previsto di selezionare una tra le almeno due formule al fine di stimare detto intervallo di tempo predeterminato.
Studi eseguiti dalla Richiedente su organi riscaldanti, in particolare radiatori, realizzati in differenti materiali e aventi differenti dimensioni hanno permesso di individuare le tre formule parametriche sopra indicate. Le tre formule consentono di ottenere un sostanziale risparmio energetico ? in particolare, la prima formula consente di ottenere risparmi maggiori rispetto alle altre due e la seconda permette di ottenere un risparmio maggiore rispetto alla terza ? permettendo di individuare intervalli di spegnimento ottimali dei mezzi di riscaldamento assicurando, al contempo, che sia mantenuta una temperatura percepita adeguata e confortevole per gli utenti sfruttando il calore immagazzinato dall'organo di riscaldamento.
In una forma di realizzazione, l'unit? di controllo ? ulteriormente configurata per:
implementare un modello matematico di tipo integrale o pseudo-integrale configurato per stimare il valore della temperatura ambiente in funzione della temperatura del fluido di riscaldamento e una temperatura esterna all'edificio, per mezzo del modello matematico di tipo integrale o pseudo-integrale, stimare un istante di tempo di spegnimento anticipato in cui la temperatura operativa raggiunger? un primo valore di una soglia, tale per cui la temperatura ambiente sar? maggiore o uguale a un secondo valore di soglia in corrispondenza di un istante di tempo di spegnimento previsto dei mezzi di riscaldamento, e fornire un comando di spegnimento ai mezzi di riscaldamento in corrispondenza di detto istante di tempo di spegnimento anticipato.
In questo modo ? possibile sfruttare appieno il calore assorbito dal fluido di riscaldamento e immagazzinato dagli organi di riscaldamento riducendo ulteriormente i consumi del sistema di riscaldamento.
In alternativa o in aggiunta, l'unit? di controllo ? ulteriormente configurata per:
per mezzo del modello matematico di tipo integrale o pseudo-integrale, stimare un intervallo di tempo necessario a raggiungere un valore di soglia della temperatura obiettivo ? ossia, la temperatura ambiente o la temperatura operativa ? entro un orario predeterminato, e
ritardare un segnale di accensione dei mezzi di riscaldamento per un intervallo di tempo di ritardo pari alla differenza tra un intervallo di tempo di riscaldamento previsto e l'intervallo di tempo stimato, laddove intervallo di tempo di riscaldamento previsto ? un intervallo di tempo necessario per raggiungere il valore di temperatura obiettivo entro detto orario predeterminato.
Grazie a tale soluzione ? possibile calibrare i tempi di accensione, riducendo il tempo complessivo del sistema di riscaldamento, in modo da ridurre ulteriormente i consumi energetici del sistema di riscaldamento quando la temperatura esterna ha dei valori favorevoli e/o sfruttando la maggiore velocit? della dinamica della temperatura operativa rispetto alla temperatura ambientale.
Secondo un ulteriore aspetto, l?invenzione ? diretta a un sistema di riscaldamento, comprendente
condotti per trasportare un fluido di riscaldamento all?interno di un'unit? abitativa,
mezzi di riscaldamento del fluido di riscaldamento,
almeno un sensore configurato per misurare una temperatura ambiente all?interno dell?unit? abitativa,
un?unit? di controllo operativamente connessa al sensore per ricevere le misure di temperatura e operativamente connessa ai mezzi di riscaldamento per controllare la temperatura del fluido di riscaldamento.
Vantaggiosamente, l?unit? di controllo ? configurata per implementare il metodo secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione precedenti.
In una forma di realizzazione, i mezzi di riscaldamento comprendono una caldaia del tipo a condensazione, e
in cui l'almeno un organo di riscaldamento comprende uno tra un radiatore a parete, un pannello radiante a pavimento, un pannello radiante a parete e un pannello radiante a soffitto.
Ulteriori caratteristiche e scopi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione che segue.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
L?invenzione verr? descritta qui di seguito con riferimento ad alcuni esempi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo, ed illustrati nei disegni annessi. Questi disegni illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, dove appropriato, numeri di riferimento illustranti strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento similari.
La Figura 1 mostra un edificio con delle unit? abitative riscaldate mediante un impianto di riscaldamento centralizzato;
la Figura 2 ? un diagramma di flusso di un metodo di controllo della temperatura del fluido vettore utilizzato per riscaldare l?edificio di figura 1;
la Figura 3 ? uno schema a blocchi dell?unit? di controllo dell?impianto di riscaldamento centralizzato di figura 1;
la Figura 4 ? un diagramma di flusso di un metodo di stima della temperatura ambiente implementato dall?unit? di controllo di figura 3;
la Figura 5 ? uno schema a blocchi dell?unit? di controllo dell?impianto di riscaldamento centralizzato di figura 1 in cui sono mostrati blocchi aggiuntivi rispetto a figura 3;
la Figura 6 illustra in modo qualitativo l'andamento della temperatura ambiente nell'edificio di figura 1 in funzione del tempo e l'andamento della temperatura di mandata del fluido vettore in funzione del tempo dell'impianto di riscaldamento centralizzato durante una fase di apprendimento dell'impianto;
la Figura 7 ? un diagramma di flusso di un procedimento di regolazione della temperatura ambiente implementato dall'unit? di controllo delle figure 3 e la Figura 8 illustra in modo qualitativo l'andamento della temperatura ambiente nell'edificio di figura 1 in funzione del tempo e l'andamento della temperatura di mandata del fluido vettore in funzione del tempo dell'impianto di riscaldamento centralizzato durante un controllo a modo duale della temperatura;
la Figura 9 ? uno schema a blocchi di un particolare dell'unit? di controllo delle figure 3 e 5;
la Figura 10 ? un diagramma di flusso di un procedimento di calcolo dei parametri di controllo utilizzati dall'unit? di controllo delle figure 3, 5 e 9;
la Figura 11 ? un grafico che illustra tre curve di andamento della temperatura radiante dei radiatori in funzione del tempo una volta spenta la caldaia;
la Figura 12 ? un diagramma di flusso di un procedimento di regolazione della temperatura ambiente implementato dall'unit? di controllo delle figure 3, 5 e 9;
la Figura 13 illustra in modo qualitativo l'andamento della temperatura ambiente nell'edificio di figura 1 in funzione del tempo e l'andamento della temperatura di mandata del fluido vettore in funzione del tempo dell'impianto di riscaldamento centralizzato durante un controllo a modo duale con veleggiamento in temperatura;
la Figura 14 ? un diagramma di flusso di un procedimento di veleggiamento della temperatura ambiente implementato dall'unit? di controllo delle figure 3, 5 e 9;
la Figura 15 ? un diagramma di flusso di un ulteriore procedimento di veleggiamento della temperatura ambiente implementato dall'unit? di controllo delle figure 3, 5 e 9, e
la Figura 16 ? uno schema a blocchi dell?unit? di controllo dell?impianto di riscaldamento centralizzato di figura 1 in cui sono mostrati blocchi opzionali rispetto a figura 3 e figura 5.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE
Mentre l?invenzione ? suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione preferite sono mostrate nei disegni e saranno descritte qui di seguito in dettaglio. Si deve intendere, comunque, che non vi ? alcuna intenzione di limitare l?invenzione alla specifica forma di realizzazione illustrata, ma, al contrario, l?invenzione intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell?ambito dell?invenzione come definito nelle rivendicazioni.
L?uso di ?ad esempio?, ?ecc.?, ?oppure? indica alternative non esclusive senza limitazione a meno che non altrimenti indicato. L?uso di ?include? significa ?include, ma non limitato a? a meno che non sia altrimenti indicato.
In figura 1 ? illustrato un edificio 100 che comprende una pluralit? di unit? abitative 101 da riscaldare. L?edificio ? provvisto di un sistema di riscaldamento comprendente una centrale termica 1 che scalda un fluido vettore e lo invia alle unit? abitative dove il fluido vettore cede calore all?ambiente riscaldandolo. La centrale termica pu? essere installata localmente all?interno dell?edificio, come illustrato in figura 1, o essere una centrale remota che serve l?edificio 100 ed eventualmente anche altri edifici. Per chiarezza espositiva, nell?esempio che segue la centrale termica ? una caldaia dotata di un bruciatore 10 che scalda dell?acqua inviandola in una condotta di mandata 103 cui sono collegati dei collettori 105 da cui ogni unit? abitativa del piano riceve l?acqua scaldata, la fa circolare attraverso dei radiatori 106 disposti nei diversi locali dell?unit? abitativa, e la reimmette in una condotta di ritorno 104 che arriva alla centrale termica 1 per essere nuovamente riscaldata. Altre forme di realizzazione possono prevedere l?uso di un apparato a pompa di calore, o altro sistema HVAC in grado di scaldare aria che viene inviata alle unit? abitative.
La centrale termica 1 comprende inoltre un?unit? di controllo 20 ed un?interfaccia radio 30. L?interfaccia radio 30 riceve valori di temperatura misurati da sensori di temperatura disposti nelle diverse unit? abitative. Nell?esempio qui descritto sono previsti tre sensori S1, S2 e S3, ma ? chiaro che il numero pu? variare in funzione del numero di unit? abitative. Preferibilmente, in un edificio vengono previsti almeno tre sensori che vengono preferibilmente disposti nei punti pi? freddi ? tra quelli da riscaldare - dell?edificio. La valutazione pu? essere fatta studiando l?esposizione dell?edificio ed individuando i locali pi? freddi.
I sensori di temperatura sono preferibilmente sensori IoT, in grado di comunicare con la centrale termica mediante un collegamento radio, ad esempio Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Lora, Sigfox o NB-IoT, adeguato alle distanze da coprire. In una forma di realizzazione i sensori IoT sono di tipo a batteria, in modo tale da poter essere installati anche in edifici esistenti senza bisogno di portare nuove linee elettriche per alimentarli nelle posizioni ottimali, ossia, come detto sopra, quelle pi? fredde dell?edificio.
Ciascuna unit? abitativa 101 prevede, in modo noto, un termostato, indicato con i riferimenti T1 e T2 in figura 1, che controlla una o pi? valvole 107 poste in ingresso all?unit? abitativa per fare entrare nei radiatori 106 nuova acqua calda dal condotto di mandata 103.
In modo di per s? noto, l?utente imposta sul termostato un valore o un andamento temporale di temperatura desiderata nell?unit? abitativa ed il termostato apre e chiude la valvola 107 per raggiungere il valore di temperatura desiderato dall?utente.
La presenza dei termostati non ? essenziale ed ? solo esemplificativa, infatti l?unit? abitativa potrebbe essere dotata di valvole termostatiche ai termosifoni che vengono regolate singolarmente da un utente. Ancora l?unit? abitativa potrebbe essere dotata di circuiti di riscaldamento privi di termosifoni o valvole termostatiche, ma di semplici valvole ai termosifoni che possono essere regolate manualmente da un utente.
Dato che ogni utente regola ? manualmente o tramite termostato - la temperatura dei propri termosifoni, il carico termico che viene visto dalla caldaia ? ossia la quantit? di calore che viene richiesta alla caldaia ? varia nel tempo.
Al fine di ottimizzare la quantit? di calore ceduta dalla caldaia all?acqua di mandata, l?unit? di controllo 20 ? configurata per implementare un metodo di controllo della temperatura dell?acqua di mandata destinata al riscaldamento dell?edificio. Determinato il valore di temperatura cui portare l?acqua di mandata, in una forma di realizzazione l?unit? di controllo 20 controlla in modo di per s? noto il bruciatore 10 per portare l?acqua di mandata al valore di temperatura calcolato. Dato che esistono gi? oggi caldaie che gestiscono il bruciatore variandone la potenza termica in funzione di un dato di temperatura da raggiungere, non si entrer? qui nel merito di tale meccanismo.
Il metodo di controllo della temperatura dell?acqua di mandata implementato dall?unit? di controllo ? illustrato nelle sue linee generali in figura 2, e prevede di:
a) fissare (passo 1001) un set-poi di una temperatura ambiente desiderata all?interno dell?edificio,
b) rilevare (passo 1002) mediante almeno un sensore valori della temperatura ambiente all?interno dell?edificio,
c) generare (passo 1003), mediante un modello matematico, almeno una stima (TV) della temperatura ambiente all?interno dell?edificio, d) controllare (passo 1004) la temperatura del fluido vettore sulla base dei valori di temperatura dell?edificio misurati dal sensore e sulla base delle stime della temperatura ambiente generate dal modello matematico in modo tale da portare la temperatura dell?edificio al valore di set-point desiderato.
Come illustrato schematicamente in figura 3, l?unit? di controllo 20 comprende un modulo di selezione 200 che riceve in ingresso i valori di temperatura TS misurati dai sensori ambientali Si ed le stime di temperatura ambiente Tv e genera in uscita un valore di temperatura ambiente Tc che viene utilizzato dal controllore 201 per controllare il bruciatore 10. Il modulo di selezione 200 verifica se le misure dei sensori TS sono valide e ne seleziona una secondo un criterio predeterminato che, preferibilmente, consiste nella scelta della temperatura TS pi? bassa. La verifica se le misure sono valide prevede di verificare diverse condizioni indicative di problemi del sensore di misura e/o di situazioni ambientali tali da far ritenere la misura non utilizzabile ai fini del controllo, ad esempio si verifica se:
? il valore di temperatura misurato ? compreso tra un valore minimo ed uno massimo che corrispondono a valori di fondoscala del sensore di misura, ? se il valore misurato ? costante da un tempo superiore ad un certo valore di soglia,
? se il valore misurato ? troppo alto rispetto alla misura precedente ? ad esempio se ? il 30% pi? alto.
? se la derivata del valore di temperatura misurato ? compresa tra un valore minimo ed uno massimo,
? se non si determinano le condizioni di apertura di una finestra nella stanza in cui ? posto il sensore Si che invia la misura. La condizione di apertura di una finestra viene verificata controllando l?andamento delle singole misure di un dato sensore Si rispetto all?andamento medio dei sensori. In particolare, uno scostamento lento verso il basso di una o pi? misure di un sensore Si viene riconosciuto come apertura della finestra. In caso di pi? sensori Si installati nell?edificio, il metodo prevede di escludere temporaneamente il sensore cui corrisponde una condizione di finestra aperta dalla logica di selezione della misura di temperatura ambiente per il controllore. Quando la condizione di apertura finestra termina, il segnale viene ripristinato come utilizzabile dal modulo di selezione 200.
La stima TV dei valori di temperatura ambiente viene effettuata dal modulo di stima 202 di cui si dir? meglio pi? avanti.
Periodicamente, l?unit? di controllo 20, in particolare il modulo di selezione 200, confronta il valore di temperatura ambiente stimato dal modulo di stima 202 con il valore di temperatura ambiente TS misurato da uno dei sensori Si. In particolare, la temperatura ambiente stimata TV viene confrontata con la misura di temperatura pi? bassa tra quelle misurate dai sensori Si installati, tuttavia ? possibile utilizzare altri criteri di selezione del sensore con cui confrontare la stima TV.
In funzione del confronto, l?unit? di controllo 20 regola la frequenza di misura con cui i sensori Si eseguono le misure e le trasmettono alla centrale termica 1, dove vengono ricevute dall?interfaccia radio 30 e fornite all?unit? di controllo 20. A tal fine l?unit? di controllo 20 invia attraverso l?interfaccia radio 30 un messaggio di controllo ai sensori Si.
In una forma di realizzazione, nel caso in cui la stima Tv e la misura TS coincidono a meno di una soglia di tolleranza prefissata, ad esempio entro il 5%, allora l?unit? di controllo 20 riduce la frequenza di misura del sensore reale Si. Diversamente, l?unit? di misura aumenta la frequenza di misura del sensore reale Si.
Secondo altre forme di realizzazione, ? anche possibile prevedere un intervallo di tolleranza, ad esempio dal 3% al 10%, per cui se la differenza tra stima Tv e misura TS rientra in questo intervallo non viene modificata la frequenza dei sensori, se invece la differenza ? maggiore del limite superiore dell?intervallo, allora si aumenta la frequenza, e se minore del limite inferiore dell?intervallo allora si riduce la frequenza di misura dei sensori.
Tornando alla stima della temperatura ambiente Ts, preferibilmente quest?ultima viene ottenuta mediante un algoritmo di machine learning del tipo model based, ovvero un algoritmo di intelligenza artificiale basato su un modello di base che ? preferibilmente un modello di base di tipo integrale o pseudointegrale.
Nell?esempio qui descritto, il modello di base ? di tipo pseudo integrale e lega la temperatura ambiente stimata TV alla temperatura di mandata dell?acqua e alla temperatura esterna all?edificio, secondo la seguente relazione (1):
(1)
Dove
? kp e kd sono due parametri che variano nel tempo ? in dettaglio kp ? un coefficiente di guadagno associato alla temperatura dell'acqua di mandata, mentre kd ? un coefficiente di guadagno associato alla temperatura esterna all'edificio,
? TDSP ? il valore di set-point della temperatura dell?acqua di mandata, ? Te ? la temperatura all?esterno dell?edificio, acquisita mediante un sensore o attraverso internet o collegamento ad un server remoto, ? Tref ? una temperatura di riferimento prefissata, preferibilmente compresa tra 18?C e 22?C e pi? preferibilmente pari a 20?C.
In figura 2, il modulo 202 riceve in ingresso sia un valore della temperatura dell?acqua di mandata misurata mediante un sensore (TDPV), sia il valore desiderato (anche detto set-point, TDSP) della temperatura dell?acqua di mandata fornito in uscita dal controllore 201. In questo modo quando viene verificata una variazione tra comando (TDSP) e valore misurato (TDPV), il sistema sa che si deve aspettare una variazione successiva sia del valore misurato TDPV che della temperatura dell?edificio TS, e pu? utilizzare questa informazione per validare le misure di temperatura ricevute dai sensori Si.
Il modulo 202 riceve inoltre in ingresso i valori di temperatura ambiente TS misurati dai sensori Si, cos? l?algoritmo di machine learning partendo dal modello di base pu? cominciare a stimare i parametri del modello, con una delle tecniche note in letteratura, per adattarsi al consumo dell?edificio.
Al fine di rendere pi? robusta la stima dei parametri del sistema kp e kd, il modulo 202 stima kp mediante due differenti procedure di stima. Se la stima di kp ottenuta con le due procedure differisce meno di una soglia prefissata, allora si prendono i valori di kp e kd generati da una delle due procedure di stima. Differentemente, la stima non viene ritenuta attendibile e non viene passata al controllore 201. In altre parole, il modulo 202 non fornisce al modulo 200 alcuna stima TV, ed il controllore 201 baser? le sue decisioni sulla base delle sole misure ricevute dai sensori TS fintanto che i valori di kp ottenuti con le due procedure coincidono a meno della soglia prefissata.
In particolare, in una forma di realizzazione si utilizza una procedura euristica basata sul riconoscimento di condizioni proprie per l?eccitamento del sistema da controllare. In particolare, la procedura prevede di ricercare variazioni del valore desiderato della temperatura dell?acqua di mandata (TDSP) che abbiano sufficiente energia (ad esempio siano superiori ad 8 ?C) da provocare una riposta visibile della temperatura ambiente all?interno dell?edificio. Nella presente, con risposta 'visibile' si intende una risposta a uno stimolo caratterizzata da un adeguato rapporto segnale-rumore ?per esempio, un rapporto segnale-rumore maggiore o uguale a 1,8 e pi? preferibilmente uguale o superiore a 2 nel caso di sensori tipicamente installati nella generica caldaia 10.
I parametri del modello vengono dunque stimati in corrispondenza delle variazioni di TDSP che soddisfano il suddetto criterio energetico. Quando stimati, i parametri sono poi paragonati con l?output di una procedura pi? tradizionale quale ad esempio i minimi quadrati ricorsivi con coefficiente di oblio o filtro di Kalman oppure con l'output di un algoritmo di machine learning di tipo a regressione ? per esempio, un algoritmo di support vector regression o una rete neurale ?, che stima le identiche grandezze, ossia i rate di crescita kp e kd, legati rispettivamente alla temperatura di mandata caldaia e della temperatura esterna.
Un procedimento di stima di kp, implementato dal modulo 202, ? qui di seguito illustrato con riferimento al diagramma di flusso di figura 4. Dopo l?avvio del metodo di stima (passo 300), vengono inizializzati alcuni parametri (passo 301), in particolare vengono inizializzati al valore 0 un contatore i che tiene conto dell?i-esimo parametro kp,i calcolato, ed un contatore n che tiene conto dell?nesimo passo di campionamento eseguito, inoltre viene inizializzata a zero la variabile kp,i_ITER utilizzata nel calcolo del parametro kp,i, e vengono acquisiti il valor medo e la deviazione standard dei parametri kp precedentemente calcolati.
Il modulo 202 verifica dunque se sono soddisfatte tre condizioni per avviare il processo di stima, nel dettaglio:
- viene verificato (passo 302) se la differenza (di seguito indicata come ?TD) tra il valore di set-point della temperatura dell?acqua di mandata ed il valore della temperatura dell?acqua di mandata supera un predeterminato valore di soglia, ad esempio a 8?C. Matematicamente, si verifica se:
Dove ? ? la suddetta soglia predeterminata. Ci? permette di attivare la stima solo se il controllore 201 ha determinato la necessit? di un incremento della temperatura dell?acqua di mandata tale da generare uno scostamento sensibile della temperatura ambiente all?interno dell?edificio. - Viene verificato (passo 303) se la caldaia ? accesa o meno.
- Viene verificato (passo 304) se le misure della temperatura esterna Te, della temperatura dell?acqua di mandata (TDPV) e della temperatura ambiente (TS) ricevute in ingresso sono valide. Tale verifica ? analoga a quanto spiegato in precedenza con riferimento alla verifica effettuata dal modulo di selezione 200. Ovviamente per la temperatura dell?acqua di mandata e la temperatura esterna non si effettua alcuna verifica della condizione di finestra aperta.
Se almeno una delle condizioni sopra elencate non ? soddisfatta, allora il modulo 202 non avvia la procedura di stima ed il metodo ritorna al passo 302 senza produrre in uscita una stima di kp. In tale caso, come descritto nel seguito, i valori kp e kd del modello matematico non saranno aggiornati.
Se, invece, tutte e tre le condizioni sopra elencate sono soddisfatte, il modulo 202 procede col calcolo della stima di kp.
Innanzi tutto viene avviato un cronometro (passo 305), quindi si procede a:
a) Acquisire dal controllore 201 il valore del set-point della temperatura di mandata TDSP e calcolare (passo 306) la media mobile della variazione di tale valore.
In pratica, ad ogni n-esimo campionamento si calcola la variazione del set-point della temperatura di mandata come media mobile scritta in forma ricorsiva, ossia:
Al primo passo del campionamento, n ? pari a zero, e non esiste un valore da utilizzare nella formula sopra riportata. Per n=0, dunque, si prende convenzionalmente In altre parole, la prima variazione del valore di set-point della temperatura di mandata viene calcolata come differenza tra il primo valore di set-point fornito dal controllore 201 e la temperatura dell?acqua di mandata
b) Acquisire il valore corrente della temperatura esterna Te e calcolare (passo 307) la variazione di tale valore dall?inizio di attivazione del cronometro.
In pratica, ad ogni n-esimo campionamento si aggiorna la variazione della temperatura esterna rispetto al valore iniziale come
c) Acquisire il valore corrente di temperatura ambiente misurata dai sensori (TS(n)), calcolare (passo 308) la differenza rispetto ad un valore di temperatura precedentemente misurato (Ts(n-1)), e sommarla alle differenze misurate ai passi precedenti. In pratica, ad ogni n-esimo campionamento si calcola la seguente somma telescopica:
Al primo passo del campionamento n=0, dato che non esiste un
valore si prende convenzionalmente
Successivamente, passo 309, si procede a calcolare il parametro kp,i_ITER come:
(2)
in cui
? la media mobile della differenza del valore di set-point della
temperatura di mandata calcolata al passo 306.
? la variazione della temperatura esterna calcolata al passo 307;
? a somma delle variazioni di temperatura ambiente calcolata al
passo 308.
? ? l?intervallo di tempo misurato dal cronometro da quando viene avviato (passo 309) a quando viene fermato (passo 314).
? ? una costante che pu?, alternativamente, essere l?ultimo valore
del parametro kd memorizzato dal modulo 202, oppure essere pari a zero, oppure essere il valore di kd,i attuale calcolato con una delle procedure di stima sopra descritte. In particolare, al primo ciclo di stima dei parametri, quando cio? i=0, ? possibile alternativamente prendere kd=0, oppure prendere il valore di kd proveniente dall?altra procedura di stima, ad esempio dal filtro di Kalman o dal metodo dei minimi quadrati ricorsivi o da altro metodo di regressione appartenente al machine learning.
Successivamente, il metodo prevede di verificare se le misure dei sensori sono valide (passo 310), se la caldaia ? accesa (passo 311) e di verificare (passo 312) se ?TD al passo n (ossia TDSP(n) meno TDPV(n)) ? superiore ad una soglia che pu? essere pari alla soglia ? considerata al passo 302, oppure pi? preferibilmente essere una percentuale del valore che aveva ?TD all?inizio del processo di stima, ossia quando n=0.
Se tutte e tre le verifiche sono soddisfatte, allora si incrementa il valore di n (passo 313) e si passa ad un nuovo campionamento delle misure di temperatura ambiente (TS), esterna (Te) e del set-point della temperatura di mandata (TDSP). Vengono quindi ripetuti ciclicamente i passi da 305 a 313 sino a che una delle tre verifiche previste ai passi 311, 312 e 313 fallisce.
Quando le misure dei sensori non sono valide, la caldaia risulta spenta oppure la temperatura dell'acqua di mandata si riduce al di sotto di un valore di soglia dinamico ? per esempio un valore di soglia inferiore al massimo valore raggiunto di una quantit? predeterminata ? come un valore minore dell?80% del massimo valore raggiunto ?, allora il metodo prevede di fermare (passo 314) il cronometro avviato al passo 307 e di memorizzare ? almeno temporaneamente -un nuovo valore di kp,i che viene poi utilizzato per stimare la temperatura ambiente (TV) all?interno dell?edificio.
Nell?esempio di figura 4, prima di fornire in uscita la stima di kp,i il metodo prevede alcune verifiche. Innanzi tutto si verifica (passo 315) se la variazione complessiva della temperatura ambiente misurata dai sensor ? superiore ad una soglia ? prefissata, ad esempio 0,4 ?C.
In caso negativo, allora la variazione di temperatura all?interno dell?edificio non viene ritenuta sufficientemente grande da causare una variazione del modello precedentemente calcolato, dunque il metodo passa al passo 318 e si fornisce in uscita all?algoritmo un valore kp,i pari al valor medio di kp. Tale valor medio viene calcolato a partire dai valori di kp,j (con j compreso tra 0 e i-1) precedentemente calcolati e memorizzati.
Se, invece, allora il metodo prevede di effettuare (passo 316) ulteriori verifiche sul valore kp,i_ITER calcolato. In particolare, si verifica se
a) kp_ITER ? maggiore di zero, ma al contempo minore del valor medio di kp pi? un?incertezza che pu? essere pari a 3 volte la deviazione standard di kp, o
b) kp_ITER ? maggiore di 0, ed il valor medio di kp ? pari a zero
Il valor medio e la deviazione standard di kp vengono calcolati a partire dai valori di kp,j (con j compreso tra 0 e i-1) precedentemente calcolati e memorizzati.
Se anche queste due condizioni sono verificate, allora il metodo di stima fornisce in uscita kp,i = kp_ITER (passo 317). Altrimenti il metodo passa al passo 318 e si fornisce in uscita all?algoritmo un valore kp,i pari al valor medio di kp.
Una volta generata l?i-esima stima di kp, il metodo passa alla stima del successivo parametro kp, dunque viene incrementato di un?unit? il valore del contatore i (passo 319) e si inizializzano (passo 320) nuovamente tutti gli altri parametri dell?algoritmo, ad es. il contatore n, cos? come descritto in precedenza al passo 301. Quindi il metodo ritorna a ripetere le verifiche dei passi 302, 303 e 304 e procede al calcolo del successivo valore kp,i+1.
Come detto in precedenza, ogni i-esima stima di kp generata dal metodo sopra descritto con riferimento alla figura 4, viene confrontata con la stima ottenuta con una differente procedura, ad esempio utilizzando un sistema ricorsivo per la stima dei parametri, in particolare un filtro di Kalman, un sistema di identificazione tipo minimi quadrati ricorsivi con coefficiente di oblio o un algoritmo di machine learning di tipo a regressione ? per esempio, un algoritmo di support vector regression o una rete neurale.
In dettaglio, se ? verificata una discrepanza tra i parametri kp stimati dalle due procedure di stima, allora il modello non ? aggiornato. Di conseguenza, la stima della temperatura ambiente TV ? calcolata utilizzando i valori kp e kd calcolati nell'iterazione precedente del metodo sopra descritto. Differentemente se ? verificata una corrispondenza tra i parametri kp stimati dalle due procedure di stima, il modello ? aggiornato ed il modulo di stima 202 e la stima della temperatura ambiente TV ? eseguita sulla base dei nuovi valori kp e kd calcolati. La stima della temperatura ambiente TV ?, poi, fornita dal modulo di stima al modulo di selezione 200. Il modulo di selezione 200 ? configurato per verificare che il valore TV stimato corrisponda sostanzialmente alla temperatura misurata TS (negli istanti in cui la misura TS ? disponibile). In caso affermativo, il modulo di selezione 200 impone che TC corrisponda a TV. In caso negativo, il modello ? considerato non affidabile e TC viene dunque a corrispondere a TS ? fino a che una successiva verifica del valore Tv dimostra l'affidabilit? del modello. Se la stima TV si dimostra non aderente alle misure TS, viene aggiornato il periodo di campionamento dei sensori TS a valori pi? frequenti, come precedentemente descritto.
In una forma di realizzazione, la corrispondenza tra i parametri kp stimati dalle due procedure di stima, ? considerata verificata se i due valori kp stimati dalle due procedure di stima si differenziano per meno di un valore di soglia. Preferibilmente, il valore di soglia ? posta sostanzialmente uguale al minore valore kp stimato dalle due procedure di stima, ossia:
dove kp,1 ? il valore kp stimato da una prima procedura di stima, e kp,1 ? il valore kp stimato dall'altra procedura di stima.
Ancor pi? preferibilmente, la verifica della corrispondenza tra i parametri kp stimati dalle due procedure di stima prevede un secondo requisito. In particolare, tale corrispondenza ? considerata verificata se ? anche riscontrato che l'incertezza ? per esempio, la deviazione standard, di valore inferiore tra le incertezze associate ai parametri kp stimati dalle due procedure di stima ? minore valore kp stimato dalle due procedure di stima, ossia:
dove ?p,1 ? la deviazione standard dei valori kp stimati da una prima procedura di stima, e ?p,2 ? la deviazione standard dei valori kp stimati dall'altra procedura di stima.
Il controllore 201 pu? essere un controllore di tipo noto che agisce sulla base del valore di temperatura ambiente TC ricevuto in ingresso e fornisce in uscita il nuovo valore di set-point della temperatura di mandata del fluido vettore TDSP per raggiungere il valore di temperatura ambiente desiderata.
Preferibilmente, l'unit? di controllo 20 ? configurata per operare con una doppia modalit? (dual-mode): la prima modalit? ? un controllo lineare, mentre la seconda modalit? ? un controllo on-off. Grazie alla prima modalit? si ottiene una compensazione esatta delle variazioni di carico termico, mentre la seconda modalit? garantisce una risposta rapida del sistema quando la variabile controllata ? ossia la temperatura dell'acqua di mandata - ? lontana dal valore di set-point.
Nella forma di realizzazione illustrata in Figura 5, l'unit? di controllo 20 in aggiunta ai componenti gi? citati comprende un modulo di on-off 203 che gestisce la modalit? di controllo on-off dell'unit? di controllo, mentre il modulo controllore 201 gestisce la modalit? di controllo a variabile continua, indicata anche come modalit? di controllo continua per brevit? nel seguito. Inoltre, l'unit? di controllo comprende un modulo supervisore 204 configurato per gestire il funzionamento degli altri componenti dell'unit? di controllo 20. Preferibilmente, l'unit? di controllo 20 comprende anche un modulo pianificatore o scheduler 205 configurato per memorizzare e imporre uno o pi? valori di set-point TSSP della temperatura ambiente, per esempio in funzione di un programma definito su base oraria.
Nell'esempio considerato, il controllore 201 comprende un modulo di addestramento 2010 configurato per operare come controllore min-max e un modulo di controllo continuo 2011 configurato per operare da controllore continuo del sistema di riscaldamento.
In particolare, il modulo supervisore 204 ? configurato per abilitare il modulo min-max 2010 contestualmente con all'attivazione iniziale del sistema di riscaldamento dopo l'installazione dello stesso nell'edificio. Il modulo min-max 2010 rende possibile minimizzare il tempo di apprendimento del modello matematico di stima della temperatura ambiente TV ? ossia nel caso della formula (1) il tempo di stima dei parametri kp. Infatti, alla prima attivazione del sistema di riscaldamento il modello matematico di cui alla formula (1) sopra riportata, non ? ancora definito, in quanto i valori dei parametri kp e kd non sono noti.
Vantaggiosamente, il modulo min-max 2010 ? configurato per variare il valore di set-point TDSP della temperatura dell?acqua di mandata in modo discreto tra un valore minimo TDSP_MIN ed un valore massimo TDSP_MAX, come illustrato nei grafici qualitativi di figura 6 e dal diagramma di flusso di figura 7. L'analisi delle perturbazioni del sistema termico, sostanzialmente costituito dall'edificio 100, causate da questa modalit? di operazione del controllore 201 consente di ottenere stime della temperatura ambiente TV affidabili in un tempo contenuto e, al contempo garantire il mantenimento delle temperature desiderate all'interno dell'edificio.
In dettaglio, alla prima accensione del sistema di riscaldamento successivamente alla sua installazione, il modulo supervisore 203 comanda al controllore 201 di operare in condizioni di controllore min-max 2010 (passo iniziale 401).
Il modulo min-max 2010 controlla il bruciatore 10 impostando il valore di set-point della temperatura dell?acqua di mandata al valore massimo TDSP_MAX, ci? determina il riscaldamento dell?acqua di mandata e, conseguentemente della temperatura misurata dai sensori Si all?interno dell?edificio (t = 0 in figura 6 e passo 403 del diagramma di flusso di figura 7).
Il valore massimo TDSP_MAX della temperatura di set-point della temperatura dell?acqua di mandata ? mantenuto fino a quando ? raggiunto o superato il valore desiderato TSSP di temperatura ambiente fornito dallo scheduler 205 al controllore 201 o, pi? preferibilmente, un valore quando ? raggiunto un valore limite superiore (massimo locale della curva Ts(t) in t = t1 nella figura 6) pari al valore di set-point TSSP della temperatura ambiente pi? un primo margine ?TSSP_M ? per esempio, compreso tra 0,1? C e 0,5?C, preferibilmente pari a 0,2? C ? (passo 402).
Quando la temperatura ambiente TS rilevata dai sensori Si raggiunge il valore di set-point TSSP o il valore limite superiore, il modulo min-max 2010 commuta il valore di set-point TDSP della temperatura dell?acqua di mandata al valore minimo TDSP_Min, per esempio il minimo valore di temperatura di mandata gestibile dalla caldaia (passo 403).
Questa variazione comporta una progressiva riduzione della temperatura ambiente TS all?interno dell?edificio. Tale riduzione prosegue fino a oltrepassare il valore di set-point TSSP desiderato o, pi? preferibilmente, un valore limite inferiore (minimo locale della curva Ts(t) in t = t2 nella figura 6) pari al valore di set-point TSSP della temperatura ambiente ridotto di un secondo margine ?TSSP_m ? per esempio, compreso tra 0,1? C e 0,5 ?C, preferibilmente pari a 0,2? C ? (passo 404).
Una volta oltrepassato il valore di valore di set-point TSSP della temperatura ambiente o raggiunto il valore limite inferiore, il modulo min-max 2010 commuta nuovamente la temperatura dell?acqua di mandata al valore massimo TDSP_MAX della temperatura di set-point, fino a raggiungere o oltrepassare nuovamente il valore di set-point TSSP della temperatura ambiente (massimo locale della curva Ts(t) in t = t3 nella figura 6) per commutare nuovamente al valore minimo TDSP_Min come sopra descritto. Preferibilmente, la procedura ? iterata fino al raggiungimento di una condizione di spegnimento del sistema di riscaldamento (passo 405). In tale caso, il modulo on-off 203 forza lo spegnimento del bruciatore 10 (passo 406), per esempio portando il valore di setpoint TDSP della temperatura dell'acqua di mandata ad un valore minimo o, in alternativa, facendo cadere (portando a zero) il consenso all?accensione della caldaia (istante t = t4 nella figura 6). L'attivazione del modulo di on-off 203 pu? essere causata dal modulo supervisore 204 al raggiungimento di un orario predeterminato ? per esempio, durante le ore notturne o imposto da una normativa ? per mezzo di un comando fornito al modulo on-off 203 o portando ad un valore minimo il valore di set-point TSSP della temperatura ambiente fornita dallo scheduler 205 al modulo di on-off 203. L'operazione ritorna poi al modulo min-max 2010 del controllore 201 alla successiva accensione del sistema di riscaldamento (passo 407) ? per esempio, a un'ora predeterminata della mattina ? (istante t = t5 nella figura 6). In modo duale a quanto avviene per lo spegnimento, l'accensione del sistema di riscaldamento pu? essere avviata per mezzo di un comando di avvio fornito al modulo min-max 203 o portando il valore di set-point TSSP a un valore desiderato maggiore del valore attuale della temperatura ambiente.
Vantaggiosamente, a partire da ogni transizione dal valore minimo TDSP_min al valore massimo TDSP_MAX fino alla successiva transizione, opposta, dal valore massimo TDSP_MAX al valore minimo TDSP_min il modulo di stima 202 ? configurato per rilevare l'andamento del valore della temperatura ambiente e affinare e stimare un corrispondente valore kp per mezzo del procedimento di stima di kp sopra descritto in relazione alla figura 4 in modo da affinare progressivamente il modello del sistema.
Il controllore 201 opera in modalit? di controllore min-max come appena descritto, fintanto che l?unit? di controllo 20 non dispone di uno storico sufficiente per calcolare un valor medio di kp che sia stabile nel tempo, ad esempio fintanto che non siano stati calcolati 5 valori di kp.
Vantaggiosamente, il valore massimo TDSP_MAX e il valore minimo TDSP_min sono scelti in modo da minimizzare il numero di transizioni necessarie per elaborare un numero sufficiente di stime del valore kp ? rendendo il modello utilizzabile ? al contempo permettendo di controllare la temperatura ambiente nell'edificio in modo da garantire il comfort degli utenti. La Richiedente ha determinato che ? possibile determinare il valore massimo TDSP_MAX e il valore minimo TDSP_min ottimali applicando la teoria delle propriet? asintotiche dei modelli ad errore di predizione (PEM, Prediction Error Models) e la teoria asintotica di Ljung (1985), come definita in L. Ljung, "Asymptotic variance expressions for identified black-box transfer function models," in IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 30, no. 9, pp. 834-844, settembre 1985 e L. Ljung and Z. Yuan, "Asymptotic properties of black-box identification of transfer functions," in IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 30, no.6, pp.
514-530, June 1985.
In particolare, La Richiedente, ha determinato che ? possibile minimizzare i tempi di ottenimento dei parametri del modello e garantire il comfort degli utenti imponendo un valore minimo TDSP_min compreso tra 30? C e 50? C, preferibilmente pari a 35? C o pari a 40? C e un valore massimo TDSP_MAX compreso tra 65? C e 80? C, preferibilmente paria 70? C o 75? C, nel caso di sistemi di riscaldamento comprendenti una caldaia che riscalda acqua.
Quando il modulo di stima 202 elabora un modello affidabile ? ossia, rende disponibile un valor medio di kp e, quindi, di kd stabile nel tempo, il modulo supervisore 204 comunica al controllore 201 di commutare la modalit? di controllo da min-max a controllo a variabile continua disattivando il modulo di controllo min-max 2010 e attivando il modulo di controllo continuo 2011.
Nelle forme di realizzazione, la modalit? di controllo continuo ? definita sfruttando il modello ? sopra descritto ? utilizzato per rappresentare il sistema termodinamico dell'edificio e fornire la stima della temperatura ambiente TV. Preferibilmente, ? previsto di determinare uno o pi? parametri di controllo utilizzati dal modulo di controllo lineare 2011 sulla base del valore kp e, preferibilmente, del valore kd determinati dal modulo di stima 202.
Vantaggiosamente, la natura integrale o pseudo-integrale del modello sopra considerato consente di impiegare un controllore 201 particolarmente semplice, ma al contempo particolarmente efficace. In dettaglio, quando le due stime dei valori kp e kd convergono come sopra descritto, tali valori di kp e kd sono considerati sufficientemente precisi da permettere un auto-accordamento, o autotuning, affidabile del controllore 201 al sistema termico ? ossia, l'edificio ? controllato. Poich? il sistema termico da controllare ? approssimato da un modello integrale o pseudo-integrale, ? possibile applicare un controllo per sistema integrale, in particolare ? possibile fornire inizialmente l?energia necessaria a raggiungere il valore di set-point TSSP in un tempo prefissato, e quindi la temperatura di mandata pu? essere portata al minimo valore di equilibrio necessario per mantenere stabile la temperatura compensando il carico termico dell?edificio ? ossia, compensando le perdite di calore dell'edificio dovute principalmente alla differenza tra temperatura ambiente TS e temperatura esterna Te. La minimizzazione della temperatura di mandata per la maggior parte del periodo di esercizio del sistema di riscaldamento si traduce in una minimizzazione della temperatura di ritorno e, di conseguenza, l'efficienza della caldaia risulta massimizzata.
In maggiore dettaglio, il controllore 201 nella modalit? di controllore continuo prevede di determinare ? sulla base dei valori Tc, kp, kd e, preferibilmente il valore Te ? un valore di set-point TDSP della temperatura di mandata dell'acqua tale che la temperatura ambiente nell'edificio raggiunga il valore di set-point TSSP desiderato entro un tempo predeterminato (t = t? in figura 8) ? per esempio, entro un'ora dall'accensione del sistema. Una volta raggiunto il valore di set-point TSSP desiderato, il valore di set-point TDSP della temperatura di mandata dell'acqua ? regolato per mantenere il valore della temperatura ambiente al valore di set-point TSSP, o almeno in un intorno dello stesso. In particolare, il controllore 201 ? configurato per determinare ? sulla base dei valori Tc, kp, kd e, preferibilmente il valore Te ? il minimo valore di set-point TDSP della temperatura di mandata dell'acqua che consente di mantenere la temperatura ambiente al valore di set-point TSSP a fronte di variazioni dei valori osservati TC e Te (intervallo di tempo tra t = t? e t = tOFF1 in figura 8), fino allo spegnimento predeterminato del sistema di riscaldamento (intervallo di tempo tra t = tOFF1 e t = t1 in figura 8).
In una forma di realizzazione particolarmente economica e compatta, il modulo continuo 2011 del controllore 201 (come illustrato schematicamente in figura 9) comprende un blocco proporzionale integrativo 2012 i cui parametri operativi sono determinati in modo dinamico sulla base del valore kp e del valore kd determinati dal modulo di stima 202. Preferibilmente, il calcolo dei parametri di controllo ? ossia, un coefficiente proporzionale kC e un coefficiente integrativo Ti ? del blocco proporzionale integrativo 2012 ? basato sulla tecnica denominata "lambda-tuning".
Ancor pi? preferibilmente, i coefficienti kC e Ti sono determinati da un blocco di raccordo 2020 del modulo di stima 202 e forniti al blocco proporzionale integrativo 2012.
In questo caso, il coefficiente proporzionale kC del modulo proporzionaleintegrativo 2012 ? calcolato come:
(3)
dove ? ? un tempo entro cui si desidera raggiungere il valore di set-point TSSP della temperatura ambiente, ?tr ? un tempo che indica un ritardo tra una variazione della temperatura di mandata e una variazione del valore della temperatura ambiente TS, mentre ?p ? l'incertezza associata al valore di kp definita come la deviazione standard associata all'insieme di valori di kp, i acquisiti.
Inoltre, il coefficiente integrativo Ti del blocco proporzionale-integrativo 2012 ? calcolato come:
(4)
Preferibilmente, il modulo di controllo lineare 2011 del controllore 201 comprende anche un blocco feed-forward 2013 il cui parametro operativo ? ossia, un coefficiente di anticipo ? ? determinato sulla base del valore kp e del valore kd determinati dal modulo di stima 202.
Ancor pi? preferibilmente, anche il coefficiente di anticipo kff del blocco feed-forward 2013 ? determinato dal blocco di raccordo 2020 del modulo di stima 202.
Per esempio, il coefficiente di anticipo kff del blocco feed-forward 2013 ? calcolato come:
(5)
Vantaggiosamente, il modulo di stima 202 implementa il seguente procedimento di elaborazione dei parametri di controllo del blocco proporzionale integrativo 2012 e del blocco feed-forward 2013 (di cui un diagramma di flusso ? riportato in figura 10).
Ad ogni iterazione del procedimento che calcola il valore kp e il valore kd, eseguito dal modulo di stima 202 un'indicazione del risultato della verifica di congruenza dei valori kp calcolati secondo i due procedimenti ? fornita al modulo supervisore 204 (passo iniziale 501).
Se i valori kp e kd risultano affidabili (passo 502), il blocco di raccordo 2020 del modulo di stima 202 calcola (passo 503) i coefficienti kC e Ti del blocco proporzionale-integrativo 2012 e il coefficiente di anticipo kff del modulo feedforward 2013 secondo le formule (3) ? (5) sopra riportate sulla base dei valori kp e kd. Al contrario, se non sono disponibili valori kp e kd affidabili, il modulo supervisore 204 ? configurato per forzare l'utilizzo (passo 504) di coefficienti kC, Ti e kff di default ? per esempio, memorizzati in un'area di memoria dell'unit? di controllo 20.
Durante il funzionamento in modalit? continua, il controllore 201 riceve in ingresso il valore della temperatura ambiente TC dal modulo di selezione 200 e, preferibilmente, il valore di temperatura esterna dell'edificio Te. Sulla base di tali ingressi e del valore di set-point TSSP della temperatura ambiente fornito dallo scheduler 205, il modulo continuo 2011 controllore 201 determina in tempo reale il valore di set-point TDSP dell'acqua di mandata.
Sulla base del valore di set-point TDSP dell'acqua di mandata l'unit? di controllo 20 aziona il bruciatore 10 della centrale termica dell'edificio in modo da raggiungere il valore di set-point TSSP desiderato entro il tempo ? impostato e quindi mantenere la temperatura ambiente dell'edificio al valore di set-point TSSP o, almeno in un suo intorno.
Nel caso esemplare del controllore 201 dotato del blocco proporzionaleintegrativo 2012 e del blocco feed-forward 2013 il valore di set-point TDSP dell'acqua di mandata ? definito dalla combinazione delle uscite dei moduli 2012 e 2013 come descritto di seguito e illustrato dal diagramma di flusso di figura 11.
A partire dall'accensione dell'impianto, il blocco feed-forward 2013 ? configurato per compensare (passo 601) la dispersione di calore dovuta alla differenza tra la temperatura ambiente all'interno dell'edificio e la temperatura esterna. In particolare, il blocco feed-forward 2013 fornisce un valore di uscita Tff dato dalla combinazione tra la temperatura esterna Te e il coefficiente di anticipo kff:
(6)
Il blocco proporzionale-integrativo 2012 ? configurato per annullare (passo 602), o almeno minimizzare, una differenza tra la temperatura ambiente e il valore di set-point TSSP desiderato. In dettaglio, fornisce un valore di uscita TPI data dalla differenza tra il valore di set-point TSSP di temperatura ambiente e il valore di temperatura ambiente Tc fornito dal modulo di selezione 200 combinato con i coefficienti di controllo kC e Ti:
(7)
I valori di uscita dei blocchi 2012 e 2013 sono quindi combinati (passo 603), preferibilmente sommati, tra loro per determinare un valore di uscita complessivo corrispondente al valore di set-point TDSP della temperatura dell'acqua di mandata (TDSP = TPI+Tff).
Il valore di set-point TDSP della temperatura dell'acqua di mandata ? quindi ricalcolato a ogni (passo 604) ciclo di controllo eseguito dall'unit? di controllo 20 (tipicamente una volta al minuto, pi? in generale con un periodo tale da garantire una risposta rapida del sistema a una variazione delle variabili osservate dall'unit? di controllo 20) e ricalcolando prima i parametri di controllo kC, Ti e kff come sopra descritto (passo 606) in caso sia verificata (passo 605) la variazione di almeno uno dei valori kp e kd.
I passi precedenti del procedimento sono iterati durante il periodo di funzionamento del sistema di riscaldamento (passo 607) mentre al di fuori di tale periodo di funzionamento il sistema di riscaldamento ? spento (passo 608) per mezzo del modulo on-off 203 il quale forza lo spegnimento del bruciatore 10 ? in modo analogo a quanto descritto sopra ? fino all'inizio del successivo periodo di funzionamento in cui il modulo continuo 2011 del controllore 201 forza la riaccensione del bruciatore 10.
Preferibilmente, a ogni accensione della caldaia, il modulo di stima 202 ? configurato per rilevare l'andamento del valore della temperatura ambiente dal momento di accensione al raggiungimento del valore di set-point TSSP desiderato e stimare un corrispondente valore kp per mezzo del procedimento di stima di kp sopra descritto in relazione alla figura 4 in modo da affinare progressivamente il modello del sistema termico.
In una forma di realizzazione, l'unit? di controllo 20 ? configurata per sfruttare l'inerzia termica del sistema termico dell'edificio o di sue parti ? come ad esempio, i radiatori 106 ? al fine di ridurre i consumi energetici del sistema di riscaldamento, senza influire sul comfort degli utenti.
Il modulo di stima 202 ? configurato per stimare una temperatura operativa TOP, la quale ? definita come la media pesata tra la temperatura ambiente misurata dai sensori Si e la temperatura radiante TRAD cui ? soggetto un utente all'interno di una porzione dell'edificio ? per esempio, un'unit? abitativa o una stanza.
In una forma di realizzazione, ? definita una temperatura radiante TRAD di riferimento secondo la seguente formula ? adatta a radiatori a parete (termosifoni):
(8)
dove il termine ? indicativo della temperatura radiante del pavimen ? indicativo della temperatura radiante del soffitto, il termine o della temperatura radiante delle pareti e il termine
? indicativo del temperatura radiante del radiatore 106 o dei radiatori 106
presenti nella porzione di edificio. Inoltre, i coefficienti sono associati a pavimento, soffitto, pareti e radiatori, rispettivamente, e sono coefficienti proporzionali alla superficie di ciascuna superficie rispetto alla superficie complessiva all'interno della porzione di edificio considerata. In una forma di realizzazione, la temperatura radiante TRAD di riferimento ? calcolata considerando una stanza quadrata con un lato di 4 m e un'altezza delle pareti di 2,7 m e si ? considerato un singolo radiatore con superficie radiante sostanzialmente paria a 1 m<2>.
La temperatura operativa o percepita ? poi, come noto nella letteratura di settore, calcolata come la media tra la temperatura ambiente misurata e la temperatura radiante, ossia:
(9)
La temperatura radiante dei radiatori 106 ? posta uguale alla temperatura misurata TDPV dell'acqua di mandata, mentre la caldaia ? accesa. Diversamente, la temperatura radiante dei radiatori 106 diventa ignota una volta che la caldaia viene spenta, dato che viene interrotta la circolazione di acqua nel sistema di riscaldamento. Vantaggiosamente, il modulo di stima 202 ? configurato per calcolare una stima della temperatura radiante dei radiatori 106 in funzione del tempo e/o un tempo di raffreddamento necessario a raggiungere una temperatura finale predeterminata.
In una forma di realizzazione, il modulo di stima 202 ? configurato per calcolare una stima della temperatura radiante dei radiatori 106 sulla base di un modello definito in base alle caratteristiche dei radiatori (per esempio dimensioni e materiali costituenti) e alla temperatura degli stessi al momento del blocco della caldaia (per esempio posta pari alla temperatura dell'acqua di ritorno alla caldaia).
Alternativamente, l'unit? di controllo 20 ? configurata per permettere la selezione di una curva di raffreddamento dei radiatori tra le seguenti opzioni: curva cautelativa (curva A illustrata in figura 12), curva a risparmio intermedio (curva B) e curva a risparmio spinto (curva C). In dettaglio, tali curve permettono di determinare il tempo necessario ai radiatori 106 per raggiungere un valore di temperatura radiante finale desiderato, per esempio corrispondente alla temperatura minima dell'acqua di mandata gestibile dalla caldaia o la temperatura ambiente, considerando il radiatore immerso in fluido alla temperatura ambiente, per esempio il valore di set-point TSSP desiderato, a partire da una temperatura iniziale del radiatore, per esempio stimata corrispondente alla temperatura misurata TR,S dell'acqua di ritorno alla caldaia.
In una forma di realizzazione, le curve sono descritte dalle seguenti formule parametriche ? ricavate con un approccio a parametri concentrati ed utilizzando il numero di Biot ?, dove si ? posta una temperatura ambiente pari a 20? C e una temperatura radiante finale pari a 40? C:
a) curva cautelativa
(9)
b) curva a risparmio intermedio
(10)
c) curva a risparmio spinto
(11)
dove tA, B, C corrisponde al tempo di raffreddamento (in minuti) necessario ai radiatori per raggiungere la temperatura minima di 40? C dallo spegnimento della caldaia e TR,S ? la temperatura di ritorno dell'acqua alla caldaia all?istante in cui viene sospesa l?erogazione di potenza termica ai radiatori.
In particolare, ciascuna di tali curve ? basata su una rispettiva equazione interpolante, ottenuta dalla media dei tempi di raffreddamento di radiatori realizzati in alluminio, ghisa e acciaio, e determinata per una rispettiva dimensione dei radiatori selezionata tra grande (curva A), media (curva B) e piccola (curva C). La Richiedente, ha determinato che tali curve permettono di stimare in modo adeguato l'andamento termico dei radiatori dopo l'interruzione del flusso di acqua riscaldata a prescindere dalle caratteristiche effettive dei radiatori effettivamente installati in base al grado di risparmio energetico desiderato ? quindi senza richiedere al tecnico installatore di inserire dati precisi riguardo i radiatori installati nell'edificio.
In generale, la temperatura operativa TOP ha una dinamica pi? veloce della temperatura ambiente dato i radiatori 106 si riscaldano pi? velocemente dell'aria circostante. Utilizzando la temperatura operativa TOP ? quindi possibile determinare degli intervalli di spegnimento della caldaia ? durante il periodo di funzionamento giornaliero della stessa ? in generale di durata maggiore rispetto a quanto ottenibile usando la sola temperatura ambiente come riferimento. Ci? permette di ridurre sostanzialmente i consumi energetici del sistema di riscaldamento in modo trasparente per gli utenti ? ossia, senza variare in modo sostanziale la temperatura percepita dagli utenti ? e quindi il livello di comfort.
Con riferimento ai grafici di figura 13 e al diagramma di flusso di figura 14, a partire dall'accensione del sistema di riscaldamento il modulo continuo 2011 del controllore 210 ? configurato per portare la temperatura operativa TOP ? anzich? la temperatura ambiente ? al valore di set-point TSSP desiderato entro il tempo ? (passo 701 e intervallo di tempo da t = 0 a t = t? in figura 12).
Una volta che il valore della temperatura operativa TOP ha raggiunto il valore di set-point TSSP o, pi? preferibilmente, un valore limite superiore operativo pari a valore di set-point TSSP pi? un margine predeterminato ?TOP_M ? per esempio, compreso tra 0,05? C e 0,2? C, preferibilmente pari a 0,1? C -oppure il modulo continuo 2011 mantiene il valore di set-point TDSP della temperatura dell'acqua di mandata al valore minimo TDSP_min ? in grado di compensare le variazioni della temperatura esterna Te come sopra descritto ? per un intervallo di tempo predeterminato ?tOP (passo 702, intervallo di tempo da t = t? a t = t1 in figura 12), il modulo on-off 203 forza lo spegnimento della caldaia ? per esempio, il modulo on-off 203 impone una temperatura di set-point TDSP minima per la temperatura dell'acqua di mandata (passo 703).
Il modulo on-off 203 mantiene spenta la caldaia fino a che il valore TC della temperatura ambiente risulta inferiore al valore di set-point TSSP di un valore margine predeterminato ?TSSP_L ? per esempio, compreso tra 0,1? C e 0,5 ?C, preferibilmente pari a 0,2? C ? (passo 704, intervallo di tempo da t = t1 a t = t2 in figura 12), quando il modulo continuo 2011 impone un valore di set-point TDSP della temperatura dell'acqua di mandata diverso dal minimo(passo 705), in particolare tale da riportare rapidamente il valore della temperatura operativa TOP al valore di set-point TSSP. Preferibilmente, ? previsto di imporre una deadband ?tDB tra lo spegnimento della caldaia e la successiva riaccensione, in modo da limitare la frequenza di accensioni e spegnimenti della caldaia.
I passi sopra descritti del procedimento sono iterati durante il periodo di funzionamento del sistema di riscaldamento (passo 706) mentre al di fuori di tale periodo di funzionamento il sistema di riscaldamento ? spento (passo 707, da t = tOFF1 in figura 12 ) per mezzo del modulo on-off 203, il quale forza lo spegnimento del bruciatore 10 ? in modo analogo a quanto descritto sopra ? fino all'inizio del successivo periodo di funzionamento in cui il modulo continuo 2011 del controllore 201 forza la riaccensione del bruciatore 10.
In alternativa o in aggiunta, l'unit? di controllo 20 ? configurata per rilevare uno spegnimento della caldaia imposto da una circuiteria interna della caldaia ? il cosiddetto livello 1 di controllo ? al superamento di un valore limite, preferibilmente pari al valore di set-point TDSP della temperatura dell'acqua di mandata maggiorato di un valore di margine ? per esempio, uguale a 4? C (passo 801 del diagramma di flusso di figura 15). Rilevato lo spegnimento, l'unit? di controllo 20 ? configurata per impedire una riaccensione della caldaia comandata dalla circuiteria interna della caldaia (passo 802) fino a che non rileva che la temperatura operativa ? sostanzialmente pari a una temperatura desiderata ? per esempio, sostanzialmente pari alla temperatura ambiente? oppure ? trascorso il tempo di raffreddamento (passo 803). Per esempio, il modulo on-off 203 ? configurato per mantenere forzatamente spenta la caldaia fino a che il valore della temperatura operativa TOP eguaglia il valore della temperatura ambiente TC o ? pari alla media della temperatura ambiente e la temperatura radiante minima, oppure dopo che ? trascorso un tempo corrispondente al tempo di raffreddamento tA, B, C. Successivamente, il modulo continuo 2011 del controllore 201 impone un valore di set-point TDSP della temperatura dell'acqua di mandata consentendo la riattivazione della caldaia (passo 804).
L'implementazione di almeno uno, preferibilmente entrambi, i procedimenti sopra descritti consente di mantenere la caldaia spenta per pi? tempo possibile sfruttando l'irradiazione del calore accumulato dai radiatori ? condizione definita "veleggiamento" nel gergo tecnico. Grazie al veleggiamento cos? ottenuto ? possibile garantire il comfort degli utenti e, al contempo, evitare continue riaccensioni/spegnimenti dovuti alla circuiteria di livello 1 della caldaia, inefficienti dal punto di vista sia energetico sia termico.
L?invenzione cos? concepita ? suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell?ambito della presente invenzione quale risulta dalle rivendicazioni allegate.
Ad esempio, in una forma di realizzazione ? previsto di controllare la temperatura del fluido vettore sulla base delle stime di temperatura generate dal modello matematico prevede quando si verifichi un'interruzione delle comunicazioni tra i sensori disposti all'interno dell'edificio e l'unit? di controllo o i dati ricevuti all'unit? di controllo risultino corrotti.
In una forma di realizzazione semplificata (non illustrata), non comprende il modulo min-max 2012. In questo caso, l'unit? di controllo 20 prevede di utilizzare il modulo on-off 203 per eseguire la procedura iniziale necessaria ad acquisire i dati necessari per consentire al modulo di stima 202 di costruire un modello affidabile del sistema termico dell'edificio.
Diversamente, in una forma di realizzazione alternativa (non illustrata), l'unit? di controllo 20 prevede di combinare, ad esempio sommare, una curva di compensazione della temperatura esterna Te ? come una curva climatica - al valore minimo TDSP_min e al valore massimo TDSP_MAX. In questo modo ? possibile migliorare l'efficienza di funzionamento del sistema durante l'operazione in modalit? min-max, compensando almeno parzialmente le variazioni del carico termico dovute alle variazioni della temperatura esterna Te.
In una forma di realizzazione, ? previsto di implementare il modulo onoff 203 in modo adattativo. In particolare, il modulo on-off ? configurato per calcolare un valore di set-point variabile sulla base del modello matematico integrale o pseudo-integrale elaborato dal modulo 202. In dettaglio, il modulo on-off 203 ? configurato per calcolare un valore di regolazione el da combinare, in generale sottrarre, al valore di set-point TSSP, portando a uno spegnimento anticipato della caldaia e quindi alla riduzione dei consumi del sistema di riscaldamento.
Preferibilmente, il valore di set-point variabile ? elaborato a partire dal valore di set-point TSSP della temperatura ambiente o a partire da un valore di set-point della temperatura operativa sulla base dei valori kp e kd elaborati dal modulo 202 e del tempo di ritardo tD del sistema di riscaldamento ? indicativo di un'inerzia termica del sistema di riscaldamento ?, ossia un tempo necessario a riscaldare i radiatori e ottenere un riscaldamento dell'ambiente nell'edificio.
In particolare, ? possibile identificare il valore di soglia el secondo la seguente relazione:
(12)
La Richiedente ha determinato che ? possibile assumere un tempo di ritardo tD sostanzialmente compreso tra 10 e 15 minuti, preferibilmente 10 minuti, nel caso di un sistema di riscaldamento che usi acqua come fluido vettore e radiatori (termosifoni) come organi di riscaldamento.
In una differente forma di realizzazione al posto della soglia adattiva el viene utilizzata la temperatura operativa ed una soglia fissa per raggiungere il medesimo scopo di controllo.
In una differente forma di realizzazione (non illustrata), il modulo on-off 203 ? configurato per controllare anche il raggiungimento del valore di set-point TSSP della temperatura ambiente imponendo un funzionamento al massimo della potenza della caldaia - ad esempio, imponendo un valore di set-point TDSP della temperatura dell'acqua di mandata pari alla massima temperatura raggiungibile dalla caldaia ? in modo da minimizzare il tempo di raggiungimento del valore di set-point TSSP al costo di un maggiore consumo di potenza in fase di accensione.
Naturalmente, nulla vieta di prevedere un modulo di controllo continuo 2011 differente, per esempio, comprendente un blocco PID o configurato per implementare un controllo predittivo anzich? un blocco PI e un blocco FF. Di conseguenza, il blocco di raccordo 2020 del modulo di stima 202 saranno configurati per calcolare e fornire opportuni parametri di controllo al modulo di controllo continuo 2011. Preferibilmente, il controllo predittivo ? un Model Predictive Control (MPC), opzionalmente configurato per acquisire valori futuri della temperatura esterna, per esempio, da un'entit? remota esterna al sistema di riscaldamento come un server che implementa un servizio di previsioni metereologiche.
Analogamente, nulla vieta di utilizzare un criterio differente dal ?-tuning per determinare i parametri del blocco proporzionale-integrativo 2012, cos? come il blocco di feed-forward 2013 pu? prevedere una funzione di trasferimento pi? complessa comprendente, ad esempio, uno o pi? filtri.
In una forma di realizzazione alternativa, il blocco feed-forward prevede di acquisire almeno un valore di temperatura esterna Te previsto ? per esempio, fornito da un'entit? esterna, come sopra descritto ? e calcolare un valore di uscita Tff in funzione del valore di temperatura esterna attuale e degli uno o pi? valori di temperatura futuri. Preferibilmente, il valore di uscita Tff sar? calcolato come la sommatoria dei prodotti di ogni temperatura esterna considerata per un corrispondente coefficiente di anticipo. Preferibilmente, ciascun coefficiente di anticipo calcolato per mezzo dei valori kp e kd stimati dal modello in base alla temperatura esterna considerata.
In altre forme di realizzazione, ? previsto di utilizzare la temperatura operativa TOP come temperatura di riferimento ambientale anche senza implementare i procedimenti di veleggiamento sopra descritti. In modo duale, nulla vieta di implementare i procedimenti di veleggiamento utilizzando un il valore di set-point TSSP pi? un margine operativo ? per esempio, nell'ordine dei decimi di grado Celsius.
In una forma di realizzazione (non illustrata), l'unit? di controllo prevede un sistema di diagnostica, o fault diagnosis, configurato per analizzare le prestazioni del modulo di controllo continuo 2011 al fine di individuare eventuali malfunzionamenti ? per esempio, una risposta troppo lenta, oscillazioni eccessive della temperatura ambiente, caldaia in saturazione massima o minima, ecc. ? e, in risposta a questi malfunzionamenti, commutare la gestione dell?edificio con un normale controllo on-off. Per esempio, il sistema di fault diagnosis pu? essere implementato dal modulo supervisore 204.
In aggiunta, l'unit? di controllo pu? implementare un procedimento di spegnimenti anticipati in modo da ridurre la durata del periodo di accensione dall'altro, sfruttando l'inerzia termica dei radiatori e, eventualmente, dell'edificio stesso. Questo permette di ridurre i consumi complessivi riducendo il tempo complessivo di operazione giornaliera del sistema di riscaldamento. Vantaggiosamente, i tempi di anticipo di spegnimento ottimo sono calcolati sulla base del modello elaborato sistema termico dell?edificio, e della temperatura esterna, applicando il principio della logica di predizione ad un passo.
Analogamente, l'unit? di controllo pu? implementare un procedimento per variare il tempo di accensione in base alla temperatura esterna attuale e/o prevista (acquisita da un'entit? esterna come sopra descritto). In questo modo ? possibile, adattare le tempistiche di accensione del sistema di riscaldamento alle effettive condizioni ambientali, consentendo di ridurre la potenza necessaria per raggiungere la temperatura ambiente desiderata in condizioni climatiche sfavorevoli o ritardare l'accensione del sistema di riscaldamento in caso di condizioni climatiche favorevoli, riducendo il periodo di operazione del sistema di riscaldamento.
Inoltre, in una forma di realizzazione altamente configurabile (non illustrata), l'unit? di controllo 20 ? configurata per ricevere ? per esempio, da un tecnico installatore attraverso un'interfaccia utente ? parametri caratteristici dei radiatori 106 installati nell'edificio o valori medi dei parametri caratteristici nel caso nell'edificio siano installati organi radianti di differenti tipologie. Tali parametri caratteristici comprendono, in modo non limitativo, una dimensione del radiatore ? per esempio, selezionabile tra taglia piccola, taglia media e taglia grande in base al volume del radiatore ? e un materiale del radiatore ? per esempio, selezionabile tra alluminio, ghisa e acciaio. L'unit? di controllo 20 ? quindi configurata per calcolare la temperatura radiante dei radiatori e/o il suo andamento nel tempo radiatori in funzione dei parametri caratteristici inseriti. Al contrario, nulla vieta ? in una forma di realizzazione semplificata (non illustrata) ? di definire la temperatura operativa TOP come pari alla temperatura ambiente pi? un offset basato su una stima delle caratteristiche termiche dei radiatori 106.
Sar? evidente alla persona esperta che l'unit? di controllo 20 pu? essere dotata di uno o pi? moduli aggiuntivi. Nell'esempio illustrato in figura 15, l'unit? di controllo 20 comprende un modulo di traiettoria di riferimento 206 e, preferibilmente, un modulo di stima del comfort 207.
In dettaglio, lo scheduler 205 fornisce valori di set-point TSSP della temperatura al modulo di riferimento 205 il quale ? configurato per definire un valore di set-point TSSP(t) variabile in funzione del tempo, il quale assume i valori di set-point desiderati e definisce dei transitori che consentano di minimizzare l'energia consumata dal sistema durante la transizione da un valore di set-point al successivo. Per esempio, quando il carico termico ? compensato e l?azione dei blocchi proporzionale-integrativo 2012 e feed-forward 2013 si riduce, il tasso di crescita della temperatura ambiente verso il valore di set-point TSSP desiderato viene diminuito, al fine di mostrare al blocco proporzionale-integrativo 2012 un errore di controllo pi? piccolo e minimizzare quindi lo sforzo di controllo. Grazie a questa configurazione ? possibile rallentare il raggiungimento del valore di setpoint TSSP, riducendo l'energia consumata dal sistema di riscaldamento, senza provocare un discomfort per gli utenti dell'edificio.
Il modulo di stima del comfort 206 permette di identificare una temperatura percepita dall'utente in base a una pluralit? di informazioni in ingresso ? in accordo con P. O. Fanger, " Thermal comfort analysis and applications in environmental engineering", R.E. Krieger Pub. Co., 1982. In dettaglio, ? previsto di controllare e regolare una variabile di comfort termo-igrometrico denominata TPMW anzich? la temperatura ambiente dell'edificio. Questa variabile TPMW ? calcolata combinando una pluralit? di misure rilevabili tramite sensori e informazioni fornite dall'utente ? per esempio attraverso un'interfaccia utente ? o approssimate in base alla stagione, all'ora del giorno e/o alla destinazione d'uso dell'edificio. Preferibilmente, le informazioni acquisite comprendono due o pi? tra: la temperatura ambiente, una misura di umidit? ambientale - per esempio, per mezzo di un sensore di umidit? facilmente integrabile nei sensori di temperatura ambiente ?, una temperatura radiante dei radiatori 106 ? per esempio, stimata in funzione della temperatura di mandata della caldaia e della tipologia dei radiatori 106 ? una velocit? dell?aria, un'attivit? svolta dagli utenti e un tipo di vestiario indossato.
La variabile di comfort TPMW ? calcolata come una temperatura percepita dagli utenti dell'edificio ed ? utilizzata come valore di riferimento al posto del valore di temperatura ambiente TC nei procedimenti sopra descritti. In questo modo, ? possibile ridurre, o quantomeno calibrare, i consumi del sistema di riscaldamento garantendo che l'utente percepisca una temperatura confortevole.
In una forma di realizzazione, il sistema di riscaldamento comprende due o pi? circuiti di riscaldamento separati tra loro. In questo caso, l'unit? di controllo 20 ? configurata per eseguire un'ottimizzazione del bilanciamento termico dei circuiti, la quale prevede di rimuovere calore dai circuiti pi? termicamente avvantaggiati o ad attivit? inferiore per spostarlo verso i circuiti pi? termicamente svantaggiati o ad attivit? superiore, cos? da produrre un ulteriore risparmio energetico del sistema di riscaldamento complessivo.
Naturalmente, uno o pi? componenti dell'unit? di controllo possono essere implementati con strutture hardware, firmware, software o combinazioni delle stesse.
Sar? in particolare evidente alla persona esperta che, sebbene la descrizione faccia riferimento a un sistema di riscaldamento centralizzato, il controllore e/o i metodi sopra descritti possono essere implementati in altri apparati di un differente sistema di riscaldamento come un termostato da muro, una caldaia a condensazione per singole unit? abitative, cos? come un impianto HVAC, una pompa di calore o un sistema di controllo remoto.
Ancora, sebbene si sia fatto riferimento ai soli radiatori sar? evidente che i procedimenti che sfruttano l'inerzia termica dei radiatori sono applicabili a qualsiasi organo riscaldante dotato di inerzia termica ? per esempio tubi o pannelli radianti integrati nel pavimento, nel soffitto o in una o pi? delle pareti dell'edificio ? senza apportare modifiche sostanziali.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per riscaldare una porzione di un edificio (101), in cui la porzione di un edificio (101) comprende un impianto di riscaldamento comprendente almeno un organo riscaldante (106) in cui circola un fluido di riscaldamento, e in cui mezzi (10) di riscaldamento riscaldano il fluido di riscaldamento in risposta ad un comando di controllo, in cui un sensore di temperatura (S1, S2, S3) misura la temperatura ambiente all?interno della porzione di un edificio e trasmette un valore della temperatura misurata, e in cui un?unit? di controllo (20) riceve il valore di temperatura misurata dal sensore ed invia ai mezzi di riscaldamento il comando di controllo, caratterizzato dal fatto che il metodo prevede di configurare l?unit? di controllo per: rilevare (801) uno spegnimento dei mezzi di riscaldamento indipendente dal comando di controllo, quando ? rilevato detto spegnimento, generare (802-804) un comando di blocco che impedisce l?accensione dei mezzi di riscaldamento, e imporre detto comando di blocco ai mezzi di riscaldamento fintanto che non si verifica una condizione di riaccensione, laddove detta condizione di riaccensione comprende uno selezionato tra: - il raggiungimento di valore predeterminato da parte della temperatura dell'almeno un organo riscaldante, - il raggiungimento di un valore obiettivo di temperatura associato alla temperatura ambientale, o - il trascorrere di un intervallo di tempo predeterminato, a prescindere da una temperatura del fluido di riscaldamento.
  2. 2. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il valore obiettivo di temperatura associato alla temperatura ambientale corrisponde a: - un valore di soglia della temperatura ambiente all'interno della porzione dell'edificio, o - un valore di soglia di una temperatura operativa all'interno della porzione di un edificio, laddove la temperatura operativa ? calcolata come la media tra la temperatura ambiente e una temperatura radiante complessiva in almeno una porzione della porzione di un edificio comprendente la temperatura radiante dell'almeno un organo riscaldante e una temperatura radiante di ciascuna delle superfici dell'almeno una porzione della porzione di un edificio o - un valore di soglia applicato a una stima di un valore futuro della temperatura ambiente effettuata da un modello matematico, laddove il modello matematico ? definito utilizzando i dati storici della temperatura esterna, la temperatura di mandata del fluido di riscaldamento e la temperatura ambiente di almeno una porzione dell?edificio.
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi di riscaldamento comprendono un circuito idraulico attraverso il quale il fluido di riscaldamento fluisce verso e dall'almeno un organo riscaldante, e in cui la temperatura radiante dell'almeno un organo riscaldante ? stimata a partire dalla temperatura del fluido di riscaldamento che fluisce dall'almeno un organo riscaldante ai mezzi di riscaldamento, dal materiale con cui ? realizzato l'almeno un organo riscaldante e da una dimensione dell'organo riscaldante.
  4. 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 3, in cui i mezzi di riscaldamento comprendono un circuito idraulico attraverso il quale il fluido di riscaldamento fluisce verso e da l'almeno un organo riscaldante, e in cui ? previsto di determinare l'intervallo di tempo predeterminato stimando un tempo necessario alla temperatura radiante dell'almeno un organo riscaldamento per scendere a una temperatura radiante di soglia a partire dalla temperatura del fluido di riscaldamento che fluisce dall'almeno un organo riscaldante ai mezzi di riscaldamento, da un materiale con cui ? realizzato l'almeno un organo riscaldante e da una dimensione dell'organo riscaldante.
  5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui ? previsto che l'unit? di controllo memorizzi almeno due tra le seguenti formule:
    laddove tA, tB e tC, sono intervalli di tempo medi necessari a raggiungere una temperatura radiante di soglia pari a 40? C con una temperatura ambiente pari a 20? C, e in cui TR,S ? la temperatura del fluido di riscaldamento che fluisce dall'almeno un organo riscaldante ai mezzi di riscaldamento, e in cui ? previsto di selezionare una tra le almeno due formule al fine di stimare detto intervallo di tempo predeterminato.
  6. 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 2 a 5, in cui l'unit? di controllo ? ulteriormente configurata per: implementare (300-320) un modello matematico di tipo integrale o pseudo-integrale configurato per stimare il valore della temperatura ambiente in funzione della temperatura del fluido di riscaldamento e una temperatura esterna all'edificio, per mezzo del modello matematico di tipo integrale o pseudo-integrale, stimare un istante di tempo di spegnimento anticipato in cui la temperatura operativa raggiunger? un primo valore di una soglia, tale per cui la temperatura ambiente sar? maggiore o uguale a un secondo valore di soglia in corrispondenza di un istante di tempo di spegnimento previsto dei mezzi di riscaldamento, e fornire un comando di spegnimento ai mezzi di riscaldamento in corrispondenza di detto istante di tempo di spegnimento anticipato.
  7. 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 2 a 6, in cui l'unit? di controllo ? ulteriormente configurata per: implementare (300-320) un modello matematico di tipo integrale o pseudo-integrale configurato per stimare il valore della temperatura ambiente in funzione della temperatura del fluido di riscaldamento e una temperatura esterna all'edificio, e in cui ? previsto di per mezzo del modello matematico di tipo integrale o pseudo-integrale, stimare un intervallo di tempo stimato necessario a raggiungere un valore di soglia della temperatura ambiente o della temperatura operativa entro un orario predeterminato, e ritardare un segnale di accensione dei mezzi di riscaldamento per un intervallo di tempo di ritardo pari alla differenza tra un intervallo di tempo di riscaldamento previsto e l'intervallo di tempo stimato, laddove intervallo di tempo di riscaldamento previsto ? un intervallo di tempo necessario per raggiungere il valore di temperatura obiettivo entro detto orario predeterminato.
  8. 8. Sistema di riscaldamento (1), comprendente condotti (103,104) per trasportare un fluido di riscaldamento all?interno di una porzione di un edificio, mezzi (10) di riscaldamento del fluido di riscaldamento, almeno un organo riscaldante (106) in cui circola il fluido di riscaldamento, almeno un sensore (S1, S2, S3) configurato per trasmettere misure di temperatura ambiente all?interno della porzione di un edificio, un?unit? di controllo (20) operativamente connessa al sensore per ricevere le misure di temperatura e operativamente connessa ai mezzi di riscaldamento (10) per controllare la temperatura del fluido di riscaldamento, caratterizzata dal fatto che l?unit? di controllo (20) ? configurata per implementare il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  9. 9. Sistema di riscaldamento (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui i mezzi di riscaldamento comprendono una caldaia del tipo a condensazione, e in cui l'almeno un organo di riscaldamento comprende uno tra un radiatore a parete, un pannello radiante a pavimento, un pannello radiante a parete e un pannello radiante a soffitto.
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