ITCA20120008A1 - Sistema di building automation diffuso a componenti concentrati e non invasivo, per l'ottenimento di comfort ambientale, risparmio ed efficienza energetica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

TITOLO:

Sistema di building automation diffuso a componenti concentrati e non invasivo, per l’ottenimento di comfort ambientale, risparmio ed efficienza energetica.

La presente invenzione recepisce le normative comunitarie (Unione Europea) per l'efficienza energetica degli edifici e lo standard UNI EN 15232:2012 per la gestione impiantistica dell'edificio.

Il sistema in oggetto unisce le funzioni domotiche alle tecnologie per il risparmio ed efficienza energetica di tipo avanzato. Il brevettando è un sistema distribuito a componenti concentrati programmabili di building automation e domotica per l’efficienza energetica in edilizia.

Per prassi consolidata i sistemi di monitoraggio e controllo della qualità ambientale e delle condizioni climatiche interne degli edifici si basano sulla UNI EN ISO 7730:2006 che implementa la metodologia proposta da Fanger (1970).

Me Cartney e Nicol in<1>svilupparono un approccio che è alla base del mantenimento della qualità ambientale maggiormente efficace ed efficiente dei precedenti studiati ed adottati.

G. Desogus in<2>propone un ulteriore sviluppo del metodo di Me Cartney e Nicol analogo a quanto riportato nella norma ASHRAE 55:2010 basata invece sugli studi di De Dear-Brager.

<1>Kathryn J McCartney, J Fergus Nicol “Developing an adaptive control algorithm for Europe” Energy and Buildings Volume 34, Issue 6, July 2002, Pages 623-635

<2>Giuseppe Desogus “Adaptive thermal comfort in Mediterranean buildings”, atti del congressi Sustainable environment in the Mediterranean regioni tram housing to urban and land scale construction, Napoli Italy, 2012

I sistemi esistenti sono composti da due impianti: l'impianto elettrico tradizionale e il bus di comunicazione. Questi due apparati sono separati e realizzati in modo tale da consentire il funzionamento delle apparecchiature anche in caso di guasto sul bus. Entrambi richiedono per la realizzazione in edifici esistenti opere murarie per formazione di tracce o fissaggio di canali a parete al fine di inserire bus, centraline di comando e controllo.

Il sistema brevettando, attraverso:

• il monitoraggio della temperatura del'aria (Te) e dell’umidità relativa (RHe) dell’ambente esterno, la sua memorizzazione ed elaborazione;

• la misura dei consumi energetici istantanei, la memorizzazione e l’elaborazione degli stessi deirimpianto di condizionamento/riscaldamento;

• la misura delle grandezze temperatura del'aria T, e umidità relativa RH, interne all’ambiente;

fornisce all'utente o a chi gestisce l'edificio avvisi e suggerimenti sul rispetto delle condizioni interne di comfort termo-igrometrico, attraverso gli algoritmi descritti da Desogus in<2>, e possono essere controllate le variabili ambientali T, e RH,

Gli avvisi e i suggerimenti di cui sopra sono comunicate all’utente attraverso grafici di temperature esterne, di temperature e umidità relative e dei parametri ottimali di comfort adattativo, calcolati secondo la<2>. Tali informazioni possono essere visualizzate su un apparato video come televisore, smartphone o tablet.

L’apparato video comunica eventuali differenze dalle condizioni di comfort adattativo previsto in<2>e propone delle soluzioni attraverso messaggi scritti o quando possibile, agendo attraverso attuatori sugli impianti di condizionamento della temperatura dell’aria e dell’umidità relativa ambientale.

Sempre attraverso video il sistema riporta i consumi energetici e idrici (anche separati per ambiente).

Il sistema brevettando è costituito dai componenti hardware che assolvono alle funzioni descritte sopra, di cui in figura 1: (i) sensori di misurazione dei consumi energetici (contatori gas, contatori consumi elettrici, etc); (Tij RHy) sensori interni di misura temperatura aria e umidità relativa; (Te, RHe) sensori esterni per misura di temperatura e umidità relativa; (ii) modulo di interfaccia televisione; ( ) Webserver per la gestione sistema, acquisizione e memorizzazione dati; (iv)

interfaccia internet per controllo in remoto del sistema; (v) attuatori.

Questi comunicano sia tra loro che con gli impianti utilizzatori attraverso:

• onde convogliate, utilizzando l'impianto elettrico esistente come vettore delle informazioni,

• wi-fi, consentendo ai terminali delle utenze di collegarsi tra loro attraverso una rete locale in modalità wireless - WLAN - basandosi sulle specifiche dello standard IEEE 802.11.

Il sistema è gestito attraverso apposito software originali e compilati dai depositanti. In figura 1 è schematizzato un ambiente confinato di parametri misurati Tj e RHj ( ; j=jesimo ambiente confinato) racchiuso da un involucro che lo separa dall’ambiente esterno caratterizzato dalle grandezze misurate Tee RHee da eventuali altri ambienti. Nell’ambiente confinato sono presenti, oltre agli elementi descritti sopra da i a v, anche un impianto per il condizionamento dellaria o altro impianto di riscaldamento e/o raffrescamento e un elemento di comunicazione a video. Le linee tratteggiate tra i vari componenti rappresentano le vie di comunicazione tra i vari apparati.

Per lo schema generale e per la sequenza di esecuzione delle operazioni di INPUT ed ELABORAZIONE DATI si vedano le figure 2, 3 e 4.

La figura 2 descrive la procedura generale di funzionamento del sistema. La figura 3 descrive nel dettaglio i parametri di input. La figura 4 descrive nel dettaglio le variabili del sistema e le relazioni funzionali fra di esse ed il riferimento alla normativa tecnica. Il sistema elabora i dati sulla base di modelli fisici così sintetizzati.

(*) Il calcolo della Tsiviene effettuato dal sistema secondo le formule seguenti, supponendo una temperatura esterna pari alla media del giorno precedente e trascurando i parametri dinamici di trasferimento di calore delle pareti esterne ed interne. ;; ;; Dove Rsint è la resistenza superficiale interna (pari a 0,10 m<2>K/W per le coperture, 0,13 m<2>K/W per le pareti e 0,17 m<2>K/W per i pavimenti secondo la UNI 6946:1999), U è la trasmittanza delle pareti e Te-1, è la temperatura media del giorno precedente, co è un coefficiente che tiene conto deN’orientamento della superficie esterna, valutato come riportato nel seguito, lSOiè l’irradianza solare globale (in W/m<2>) media giornaliera su superficie orizzontale, a è il coefficiente di assorbimento della radiazione solare da parte della superficie esterna, assunto pari a 0,6 secondo quanto riportato dalla specifica tecnica UNI 11300-TS e Rseè la resistenza superficiale esterna pari a 0,04 m<2>k/W secondo la norma UNI 6946:1999. ;Da Ottobre a Maggio il valore di Isolè impostato pari a 0. ;Tab.1. Valori del coefficiente di riduzione dell’irradianza globale media giornaliera per superfici verticali con diversi orientamenti. ;;;N 0,3 ;;NE 0,45 ;;E 0,6 ;;SE 0,55 ;;S 0,5 ;;SO 0,55 ;;O 0,6 ;;NO 0,45 ;;(*) Il calcolo dei fattori di vista si basa su quanto riportato nella norma UNI EN ISO 7726:2002 con le seguenti ipotesi:

• le emissività delle superfici sono pari a 1 ;

• l’ambiente monitorato ha pianta quadrata;

• l’utente è seduto al centro della stanza senza un orientamento predefinito;

• le superfici vetrate sono baricentriche rispetto alle superfici esterne.

La fase di ANALISI (di cui alla figura 2) consiste nella verifica delle seguenti condizioni:

Con Xhtitolo della miscela vapore / aria umida, funzione di RHie Ti.

3

Gagge A. et al., "A standard predictive index of human response to thè thermal environment", ASHRAE Trans. 92 (2), 709-731 (1986).

L'OUTPUT del sistema (di cui alla figura 2) si articola nelle modalità di seguito descritte:

MANUALE

Se la (A) è vera la temperatura operativa ambiente è troppo bassa, per cui il sistema suggerisce di adeguare la T di set-up dellimpianto ed eventualmente di utilizzare l'irraggiamento solare diretto (solo per l'inverno e per esposizioni a Sud).

Se la (B) è vera la temperatura operativa ambiente Tophè entro i limiti di comfort. La condizione viene segnalata e nessun suggerimento viene indicato.

Se la (C) è vera le condizioni di Tophsono all'interno del range di comfort, ma l'umidità è superiore al limite di cui alla UNI EN 15251:2007. Se all'esterno sono presenti condizioni di comfort viene suggerita la ventilazione naturale, altrimenti viene consigliato di ricorrere all'accensione degli impianti.

Se la (D) è vera la Tophè troppo alta. Se all'esterno sono presenti condizioni di comfort viene suggerita la ventilazione naturale ed la riduzione dell'irraggiamento solare diretto (solo durante l'estate), altrimenti viene suggerito l'adeguamento della temperatura tramite l'impianto.

AUTOMATICA

Oltre agli avvisi ed ai suggerimenti sopra elencati il sistema interviene dove possibile sull'impianto per riportare le condizioni ambientali all'interno dei limiti di comfort di cui alla condizione (C).

Un esempio di applicazione può essere ottenuto con componenti aventi le seguenti caratteristiche.

I sensori sono costituiti da trasduttori a semiconduttore e le cui prestazioni della catena di misura sono caratterizzate da una risoluzione di almeno 0,1 °C e una precisione di almeno ±0,5°C per le T e una risoluzione di almeno 1% e precisione di almeno ±5% per RH.

Il sistema ad onde convogliate è di tipo X-10.

Il Webserver comprende un processore Arm 11 a 800 MHz, 2 GB di NAND e 512 Mbit per la memorizzazione dei dati; porte di comunicazione VGA, HDMI, 4 porte USB, LAN ingressi audio, SO Android. Questo fungerà anche da modulo di interfaccia televisione.

L’interfaccia internet per controllo in remoto del sistema e costituito dal microcontrollore ATmega 328 a 16 MHz e ha le seguenti caratteristiche:

Flash Memory 32 KB (ATmega328) di cui 0.5 KB utilizzati per il bootloader

SRAM 2 KB (ATmega328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

L'impianto di condizionamento è del tipo a pompa di calore con unità interne radiocontrollate e conseguentemente gli attuatori sono costituiti da telecomandi/radio comandi di tipo radio/infrarosso.

Il ridotto costo del sistema per l’utilizzo di componenti a basso costo e di tecnologie non proprietarie; la facilità e velocità di installazione dovuta all’assenza di interventi di muratura nell’edificio favorisce l’applicazione su qualunque edificio esistente con impianto elettrico tradizionale.

L’utilizzo in edifici pubblici, anche a destinazione residenziale, uffici, grandi aziende, ecc. permette il controllo delle condizioni ambientali e dei consumi energetici in linea con le ultime ricerche e norme del settore domotico.

Il sistema risponde alle necessità ambientali di riduzione dei consumi energetici mantenendo inalterati gli standard di comfort ambientale e abitativo che sono stati raggiunti negli ultimi decenni con una attenzione particolare alle classi meno abbienti e alle categorie della popolazione interessate da limitate condizioni di abilità fisica.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI TITOLO: Sistema di building automation diffuso a componenti concentrati e non invasivo, per l’ottenimento di comfort ambientale, risparmio ed efficienza energetica. 1) Il dispositivo è caratterizzato dall’essere un sistema distribuito a componenti concentrati intelligenti di building automation e domotica per l’efficienza energetica degli edifici. Integra le funzioni di controllo, automazione e comfort ambientale di tipo adattativo. Il sistema misura e controlla consumi e condizioni ambientali secondo il modello di cui alla descrizione allegata. Realizza un sistema domotico contenendo i costi di installazione attraverso l'adeguamento degli impianti esistenti mediante l'uso combinato delle tecnologie wi-fi e onde convogliate sulla rete elettrica domestica. Il sistema di interfaccia con l’utente preferenziale è il televisore domestico, grazie ad un software user-friendly in grado di essere gestito anche da individui con ridotta familiarità verso le moderne tecnologie. Il sistema comunica anche con i più diffusi sistemi operativi per smartphone e tablet (Google-Android, Apple iOS, Windows Mobile, BlackBerry OS fusion, Symbian, etc.). Il sistema è modulare. Può essere realizzato per parti, e cioè limitatamente ad alcuni ambienti di una unità immobiliare, per essere poi esteso anche ad altri ambienti e/o piani di uno stesso edificio. Il sistema è implementabile, potendo essere aggiunti ulteriori componenti con ulteriori funzionalità, ad esempio con attuatori di regolazione delle schermature solari, etc.
2. 2) Il sistema secondo la rivendicazione 1 è caratterizzato dalla possibilità di monitorare i consumi di energia primaria (elettricità, gas, gasolio, ecc. ) e/o idrici dell’immobile o di sue parti e mostrare all’utente le eventuali anomalie nei consumi (per esempio impianti accesi in assenza di personale) e sulle condizioni di benessere. Il sistema è monitorabile dall’interno o da remoto attraverso l’interfaccia descritta nella rivendicazione 1.
3. 3) Il sistema secondo la rivendicazione 1 è caratterizzato dal fornire all’utente dell’edificio i dati numerici e grafici per gestire al meglio le condizioni ambientali interne del luogo dove abita e/o lavora. Questi dati sono: a) Assorbimenti istantanei (kW) degli utilizzatori elettrici sotto controllo; b) L’energia consumata in kWh da ogni singolo utilizzatore elettrico o alimentato da altre forme di energia (gas, gasolio, etc..) sotto controllo. A questo corrisponderà il costo dell’energia consumata da ogni singolo utilizzatore sotto controllo; c) I consumi idrici in m<3>. A questo corrisponderà il costo dell’acqua consumata.
4. 4) Il sistema secondo la rivendicazione 1 è caratterizzato da componenti hardware che sono univocamente determinati nelle loro funzioni e possono essere sostituiti o integrati da/in analoghi componenti tecnologicamente più evoluti e/o maggiormente compatibili con i restanti del sistema.