ITMI981552A1 - Strategia di controllo di un volume d'aria variabile dipendente dalla temperatura - Google Patents
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Description
Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo
"Strategia di controllo di un volume d'aria variabile dipendente dalla pressione "
Ambito tecnico
La presente invenzione si riferisce, in generale, ai controlli HVAC e concerne, in modo più specifico, un metodo e un sistema per minimizzare i disturbi nella temperatura dell'aria di alimentazione in sistemi a volume d'aria variabile, del tipo multizona, utilizzanti un raffreddamento DX a stadi.
Ambito dell'invenzione
I sistemi di condizionamento dell'aria a volume d'aria variabile VAV vengono comunemente utilizzati per applicazioni commerciali di entità da piccola a media. In un sistema VAV multizone, a carattere di prototipo, l'aria esterna viene miscelata con l'aria di ritorno, prima di venire assoggettata all'azione esercitata da elementi di riscaldamento o di raffreddamento del sistema. Dopo essere stata condizionata da parte degli elementi di raffreddamento o di riscaldamento del sistema, l'aria viene alimentata in una delle zone regolate dal sistema, attraverso un box, a volume d'aria variabile VAV. Il box VAV, che include un termostato ed una valvola di tiraggio dell'aria, di tipo regolabile, controllata da una unità di controllo del box VAV, regola il flusso d'aria nella zona, in modo tale che possa venire mantenuto un punto di riferimento di temperatura in corrispondenza, o in prossimità di una zona.
In classici sistemi di condizionamento dell'aria VAV, viene utilizzata una bobina di espansione della direzione (DX), allo scopo di rimuovere il calore e l'umidità dalla miscela di aria di ritorno e di aria esterna. La capacità di raffreddamento della bobina DX risulta direttamente correlata al numero di compressori operativi del sistema e/o allo stato delle valvole di by-pass del compressore, come pure alla velocità di flusso dell'aria attraverso la bobina. Tuttavia, la capacità della bobina può essere soltanto aggiunta o rimossa secondo incrementi, o stadi discreti, di valore relativamente elevato. Come risultato, è difficoltoso poter regolare, dolcemente, la capacità della bobina in funzione dell'uscita dell'unità di controllo. Poiché la costante di tempo di una bobina risulta piccola, tipicamente nella gamma compresa fra 1 e 3 minuti, e poiché la variazione minima nella capacità relativa della bobina, per stadi, risulta elevata pari, tipicamente, al venticinque percento {25%) della capacità totale, si verificano fluttuazioni notevoli e spesso rapide della temperatura dell'aria di alimentazione.
Le notevoli fluttuazioni nella temperatura dell'aria di alimentazione, rappresentano una sorgente significativa di disturbi nelle zone termodinamiche, come advezione di energia della zona, definita come energia termica e cinetica associata ad un movimento massivo di fluidi attraverso una superficie di un volume di controllo o la velocità di trasferimento di calore della zona viene alterata. L'advezione di energia può influire, negativamente, sull'accuratezza del controllo della temperatura della zona e sulla stabilità. Poiché l'instabilità di una zona può contribuire ad una usara meccanica eccessiva sui componenti del box VAV rappresentati, ad esempio, dall'azionatore del box, dagli elementi di collegamento e dallo smorzatore, è desiderabile minimizzare questo parametro.
Conseguentemente, esiste la necessità di impiego di un metodo per minimizzare i disturbi dell'aria di una zona, provocati da aria alimentata dal sistema VAV, vale a dire a volume d'aria variabile, mantenendo, nel contempo, e in modo efficace, il controllo della temperatura della zona in corrispondenza o in prossimità di un punto di riferimento di temperatura della zona.
Sommario dell'invenzione
Conseguentemente, la presente invenzione fornisce una strategia di controllo per minimizzare i disturbi nella temperatura dell'aria di alimentazione, in sistemi VAV, utilizzando un raffreddamento DX del tipo a stadi. La strategia della presente invenzione comporta la stima della quantità di calore trasferita per advezione, o velocità di trasferimento del calore associati ad una zona a temperatura controllata. Un sistema di controllo della temperatura, del tipo ad anello chiuso, regola, in continuo, il valore della velocità di trasferimento del calore stimata, per controllare le valvole di tiraggio dell'aria nel box VAV e controllare quindi il fusso dell'aria nella zona, allo scopo di mantenere la temperatura della zona, in corrispondenza o in prossimità di un punto di riferimento di temperatura della zona.
In modo più specifico, la presente invenzione fornisce un metodo e un sistema corrispondente, in grado di minimizzare i disturbi nei flussi d'aria in un sistema di condizionamento dell'aria a più zone. Il metodo include le fasi di impostazione di una velocità di flusso dell'aria per l'aria condizionata alimentata ad una zona controllata come clima, allo scopo di mantenere la temperatura della zona in corrispondenza di un punto di riferimento o "set point" della zona; di misura della deviazione del punto di riferimento della zona in corrispondenza di un primo e di un secondo istante di campionamento, entro un periodo di campionamento; di stima di un tasso di trasferimento del calore della zona in corrispondenza del secondo istante di campionamento, sulla base della fase di misura della deviazione del punto di riferimento della zona, secondo quanto misurato in corrispondenza del primo e del secondo istante di campionamento; e, in risposta, regolazione della portata in corrispondenza del secondo istante di campionamento, allo scopo di minimizzare i disturbi nel flusso d'aria dalla zona.
Questi e vari altri vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno più evidenti dall'analisi della seguente descrizione dettagliata e delle rivendicazioni, il tutto considerato congiuntamente ai disegni allegati.
Breve descrizione dei disegni
La Figura 1 è un diagramma schematico a blocchi di un sistema tradizionale di condizionamento di un volume d'aria variabile incorporante la strategia di controllo proposta dalla presente invenzione;
la Figura 2 un diagramma schematico a blocchi della strategia di controllo proposta dalla presente invenzione;
la Figura 3 è un grafico del coefficiente frazionario di flusso, xcv in funzione della posizione dello smorzatore frazionario xa;
la Figura 4 è un diagramma di flusso illustrante la metodologia di controllo dello smorzamento associata ad una versione preferita della presente invenzione;
la Figura 5 è un grafico rappresentativo della capacità della bobina DX e della temperatura dell'aria di alimentazione, toa come funzione della portata dell'aria;
la Figura 6 è un automa a numero finito di stati per il disaccoppiamento dell'anello di controllo in accordo con la versione preferita della presente invenzione;
la Figura 7 è un automa a numero finito di stati in accordo con la metodologia associata all'identificazione dei disturbi nell'alimentazione dell'aria, attraverso una informazione di rete; e
la Figura 8 è un automa a numero finito di stati della metodologia associata all'identificazione dei disturbi nell'alimentazione dell'aria all'interno di una unità di controllo di un terminale VAV.
Descrizione dettagliata delle versioni preferite Facendo ora riferimento alla Figura 1, può essere rilevato che un sistema prototipo, di condizionamento dell'aria, del tipo DX VAV è stato rappresentato genericamente in 10. Il sistema 10 include un complesso di condotti rappresentati da un condotto di ritorno dell'aria 14 e da un condotto esterno per l'aria 16, in comunicazione con il condotto di ritorno dell'aria. I condotti 14, 16 combinano l'aria di ritorno, presentante una temperatura tra, con l'aria ambiente presentante una temperaura toa. La risultante miscela d’aria viene trasferita, in uscita, attraverso il condotto per l'aria miscelata 18, tale miscela comportando una temperatura risultante tma. Una ventola 20 alimenta la miscela d'aria in una unità di condizionamento dell'aria 22 comportante un elemento di raffreddamento 24 e un elemento di riscaldamento 26, per il condizionamento dell'aria miscelata. L'unità di raffreddamento 24 include i serpentini di raffreddamento ad espansione diretta (DX) i quali consentono il raffreddamento e la deumidificazione della miscela d'aria, in risposta ai parametri relativi al raffreddamento dell'aria. L'unità di condizionamento dell'aria 22 fornisce, in uscita, l'aria condizionata alla quale si associa una temperatura tsa, tale aria venendo alimentata in un condotto di alimentazione dell'aria 28, per il raffreddamento di una o più zone di raffreddamento del sistema rappresentate, ad esempio, dalla zona 1, dalla zona 2 o dalla zona 3, come illustrato.
Ognuna delle zone include un box VAV 30, 32, 34 che controlla il flusso dell'aria di alimentazione dal condotto di alimentazione dell'aria 28 nelle zone corrispondenti. Ogni box VAV 30, 32, 34 include il rispettivo termostato 36, 38, 40, in combinazione con le rispettive unità di controllo VAV 42, 44, 46 in cascata. Ognuno dei termostati 36, 38, 40 rileva la temperatura della zona corrispondente e genera un segnale rappresentativo della temperatura che viene ritornato alla rispettiva unità di controllo 42, 44 o 46. L'unità di controllo, a sua volta, controlla la posizione del corrispondente smorzatore del box VAV 50, 52 o 54. Lo smorzatore del box VAV controlla, a sua volta, il flusso d'aria di alimentazione nelle zone corrispondenti in modo tale da mantenere le rispettive temperature delle zone in corrispondenza, o in prossimità del punto di riferimento di temperatura della zona. I combinatori, o controller esercitano il controllo della temperatura della zona con una fluttuazione minima della temperatura della zona, tali fluttuazioni essendo tipicamente provocate da disturbi che si riscontrano, nella zona, derivanti dall'energia alimentata, per advezione, nella zona, da parte dei sistemi di condizionamento dell'aria, secondo quanto provocato da variazioni tipicamente contenute, nella capacità relativa del serpentino.
Facendo ora riferimento alla Figura 2 può essere rilevato che un modello schematico dettagliato del sistema, per la strategia di controllo della temperatura, basata sull'unità di controllo VAV, associata a ciascuna delle zone, è stato rappresentato genericamente in 60. La strategia di controllo viene realizzata attraverso la programmazione delle unità di controllo 42, 44, 46, per il tramite di classiche tecniche di programmazione software. In modo piu specifico, un blocco software di istruzioni 62, programmate in ciascuna delle unità di controllo, rappresentate, ad esempio, dall'unità di controllo 42, calcola Qzn, che rappresenta il valore stimato del calore alimentato, per advezione, nella zona e che viene considerato comunemente come tasso di trasferimento di calore della zona. Il valore stimato, per il tasso di trasferimento di calore della zona, viene l l t tt l t i
secondo quanto imposto da:
in cui Qzn,n rappresenta una stima del calore alimentato, per advezione, nella zona, in corrispondenza dell<1>n-esimo istante di campionamento, Qzn,n-1 rappresenta una stima del calore alimentato, per advezione, nella zona, per l'n-l istante di campionamento, QMAX rappresenta il guadagno termico massimo per lo spazio, QMIN rappresenta il guadagno termico minimo per lo spazio, Kc rappresenta il guadagno proporzionale dell'unità di controllo, Yi rappresenta il tempo integrale dell'unità di controllo, ΔΘ rappresenta il periodo di campionamento mentre θη rappresenta l'errore in corrispondenza dell'n-esimo istante di campionamento.
Con riferimento al tasso di trasferimento del calore precedentemente indicato, l'errore di controllo è definito da:
in cui rappresenta il punto di riferimento
della temperatura della zona mentre tznfmess rappresenta la temperatura misurata della zona.
Un vantaggio dell'utilizzo del concetto di velocità dell'algoritmo PI è rappresentato dal fatto che non viene richiesta alcuna inizializzazione dell'uscita Qzn per l'inizio dell'algoritmo, se lo stesso è stato arrestato. La limitazione primaria dell'algoritmo di velocità è costituita dal fatto che deve venire incluso il modo integrale. Altrimenti, il punto di riferimento viene annullato nell'espressione proporzionale, salvo momentaneamente dopo una variazione nel punto di riferimento. Nel tempo, questo provocherà la deriva del processo rispetto al punto di riferimento. I valori per QMIN <e >QMAX possono venire ottenuti da schemi di progetto, tali valori potendo venire facilmente calcolati conoscendo i valori delle portate di progetto e delle temperature, oppure i valori possono essere introdotti come semplici valori euristici.
Il blocco software 62 fornisce, in uscita, il valore stimato Qzn in un blocco software di controllo lineare 64. Il blocco di controllo Qzn 64 di tipo lineare, genera un segnale che viene fornito, in uscita, all'associato smorzatore della zona, per il controllo della posizione di smorzamento e, pertanto, del flusso dell'area di alimentazione nella zona particolare. Il blocco software di controllo lineare viene realizzato attraverso una equazione di bilanciamento di energia a regime costante che viene combinata con una mappa di smorzamento secondo quanto rappresentato dall'equazione 3 sotto riportata:
in cui ωsa rappresenta la portata dell'aria di alimentazione,
Pair rappresenta la densità dell'aria della zona, mentre Cp.air rappresenta il calore specifico dell'aria della zona.
Una mappa di smorzamento si riferisce alla portata di smorzamento rispetto alla posizione di smorzamento. Un esempio di una funzione di mappatura è dato dalla seguente equazione (equazione 4) che si riferisce alla portata di flusso nei confronti della posizione di smorzamento frazionario Xd in funzione dell'autorità N di smorzamento e della pressione statica Pstatic- Il valore di N potrebbe venire specificato come un valore compreso fra 0 e 1, oppure lo stesso potrebbe essere considerato come: basso, normale, o elevato, per utilizzatori meno sofisticati:
Il blocco software di controllo lineare 64 fornisce, in uscita, il segnale della posizione di smorzamento a carattere frazionario Xd dall'unità di controllo 42, attraverso un convertitore da digitale ad analogico 66. Il segnale analogico di uscita viene quindi utilizzato per regolare la posizione dello smorzatore a box VAV, rappresentato dal modello Gd in corrispondenza di 70. La posizione reale dello smorzatore viene regolata in accordo con la posizione calcolata dal blocco di controllo lineare 64. Lo smorzatore Gd 70 regola, successivamente, la portata del flusso d'aria di alimentazione ωga che risulta associata alla zona a temperatura controllata. La portata di alimentazione del flusso d'aria ωasa, unitamente alla temperatura tsa dell'aria di alimentazione e alla portata di trasferimento di calore Qzn vengono combinati, in modo tale da stabilire la temperatura tzn, della zona, secondo quanto indicato dal modello matematico Gzn in 74.
La temperatura tzn della zona viene rilevata con 1'ausilio di un termostato o di un trasmettitore della temperatura, secondo quanto rappresentato dal modello G* in corrispondenza di 76. Il termostato 76 genera un segnale che viene alimentato, attraverso un filtro anti-aliasing AAF in corrispondenza di 78, ad un convertitore da analogico a digitale 70. Il risultante segnale digitale corrisponde alla temperatura misurata della zona tzn.meas in corrispondenza di 82. Il segnale 82 viene quindi multiplato con un segnale tzn 84 rappresentativo del punto di riferimento di temperatura della zona secondo quanto impostato dall'unità di controllo 42. I segnali multiplati 82, 84, vengono alimentati all'ingresso del blocco software 62, e viene quindi calcolata una nuova stima del tasso di trasferimento di calore.
La portata frazionaria della caratteristica intrinseca dello smorzatore <x>d,inherent viene tipicamente correlata a Xd per mezzo di una relazione empirica, con coefficienti che sono caratteristici per la costruzione dello smorzatore e il collegamento. Vengono comunemente utilizzati i polinomi del secondo ordine e del terzo ordine, quantunque risultino pure appropriate altre forme lineari o non lineari empiriche. Per scopi di notazione, Pn(Xd) denoterà un polinomio di grado "n" che correla xd,inherent a xd· Per un polinomio del terzo ordine, la mappatura fornita dall'equazione 4 potrebbe venire riscritta in accordo con quanto rappresentato nell'equazione 5:
Il bilanciamento energetico {equazione 3) e la mappa di smorzamento dell'esempio indicato (equazione 5, o qualsiasi altra mappatura), possono quindi venire combinati in modo tale da correlare la stima di QZn <ad >una posizione di smorzamento Xd secondo quanto rappresentato nell'equazione 6
Il valore di Pstatic può essere assunto come un valore costante predeterminato, oppure lo stesso potrebbe venire aggiornato entro una rete, se il punto di riferimento di pressione venisse variato. L'equazione 6 potrebbe venire risolta, analiticamente, in modo tale da dare:
in cui Qzn rappresenta il tasso di trasferimento del calore della zona, di valore stimato, N rappresenta l'autorità di smorzamento, Pstatic rappresenta la pressione della zona statica r Tsa rappresenta la temperatura dell'aria di alimentazione, Tzn rappresenta la temperatura della zona rilevata, pair rappresenta la densità dell'aria della zona, mentre CP/air rappresenta il calore specifico dell'aria della zona.
Il risultato precedentemente indicato, è difficile da implementare a causa della corrispondente dimensione e delle radici multiple. Metodi numerici impliciti potrebbero pure venire utilizzati per risolvere, efficacemente, per poiché tutte le variabili indipendenti nell'equazione 7 sono note, possono venire stimate o possono essere assunte come costanti. Una lista parziale di metodi numerici impliciti potrebbe includere:
il metodo di Newton, il metodo quasi-Newton, il metodo della secante, i metodi di ricerca diretta, il metodo di Brent, e così via.
Nell'approccio preferito che minimizza i requisiti di memoria e i requisiti del microprocessore, il coefficiente frazionario di flusso, in funzione della posizione dello smorzatore frazionario, viene adattato al polinomio del primo grado e del secondo grado per tre valori di autorità enumerati (basso, medio, alto). Le curve risultanti sono state indicate in 90, 92 e 94, rispettivamente, nella Figura 3.
Le soluzioni analitiche verranno in seguito riportate per ciascuno dei tre casi enumerati.
Per tutte le enumerazioni (equazioni 8-10), il valore di viene forzato a livelli compresi fra 0,0 e 1,0, secondo quanto sotto indicato:
Il comando di uscita percentuale per lo smorzatore viene ottenuto per mezzo della seguente equazione:
La strategia di controllo della temperatura della zona ad anello chiuso precedentemente identificata, minimizza quindi i disturbi per il flusso d'aria nella zona a temperatura controllata. Se il valore di qualsiasi variabile indipendente (tsa, Qzn, tzn) viene calcolata una nuova posizione del damper. Pertanto, i disturbi attribuiti a rapide variazioni nel valore di tsa possono venire rapidamente scartati con una alterazione minima dell'equilibrio termodinamico della zona.
Facendo riferimento alla Figura 4 può essere rilevato che nella stessa è stato riportato un diagramma di flusso illustrante la metodologia associata alla presente invenzione secondo quanto indicato, in generale, in 100. In corrispondenza del punto 102, l'unità di controllo VAV calcola l'errore della zona (equazione 2). In corrispondenza del passo 104, l'unità di controllo stima il carico termico della zona, attraverso una metodologia incrementale, proporzionale, integrale (PI) (equazione 1). In corrispondenza del passo 106, l'unità di controllo delimita il carico termico della zona, QZn,n (equazione 1A). Dopo la stima del limite nel carico termico della zona, 1'unità di controllo determina se la enumerazione dell'autorizzazione è bassa, media o elevata, secondo quanto indicato nei passi di interrogazione 108, 110 e 112, rispettivamente. Se l'unità di controllo determina che la enumerazione di autorizzazione risulta BASSA, la posizione Xd del damper viene calcolata per il tramite dell'equazione 8, in corrispondenza del passo 114. Se l'unità di controllo determina che l'enumerazione dell'autorizzazione è MEDIA, la posizione del damper Xd viene calcolata per il tramite dell'equazione 9 nel passo 116. Se l'unità di controllo determina che l'enumerazione dell'autorizzazione risulta ALTA, la posizione Xd del damper viene calcolata per il tramite dell'equazione 10 in corrispondenza del passo 118.
Deve essere sottolineato il fatto che per tutte le enumerazioni, secondo quanto calcolato in corrispondenza dei passi 114, 116 e 118, il parametro Xd viene forzato verso valori compresi fra 0,0 e 1,0, secondo quanto indicato nel passo 120. Il comando di uscita percentuale alimentato al damper viene quindi calcolato in accordo con quanto indicato in 122.
Deve essere sottolineato il fatto che la strategia di controllo della presente invenzione deve venire implementata, in modo accurato, a causa della presenza di interazioni di processo. In questo caso, la variabile manipolata della nuova unità di controllo in cascata, influenza le variabili controllate o altri loop di controllo, vale a dire i controlli della pressione statica e i controlli della capacità dell'evaporatore. Questo si verifica poiché il controllo in cascata rimuove, effettivamente, la costante di tempo della zona, dal sistema che, normalmente, dal punto di vista funzionale, disaccoppia i loop di controllo della pressione statica e il serpentino dell'evaporatore a "singolo ingresso, singola uscita, SISO".
L'instabilità attribuita alle interazioni del processo, può essere facilmente illustrata per mezzo di un esempio. Un grafico della capacità del serpentino DX e di tas, in funzione della portata, è stato rappresentato in 130 nella Figura 5, con l'assunzione che i carichi delle zone siano stati incrementati in modo tale da aggiungere un evaporatore (stadio) addizionale. Questo provoca la caduta del valore di tsa anche dell'ordine di 5-10°F. Le unità di controllo dell'unità terminale VAV, in cascata, elimineranno immediatamente il disturbo tsa mediante riduzione della portata dell'aria in corrispondenza di ogni zona. Questa rapida riduzione nella portata di flusso del sistema costituirà un disturbo di notevole ampiezza per l'unità di controllo della pressione statica del condotto di alimentazione della ventola. Si verificheranno delle oscillazioni persistenti non controllate sino a quando l'anello di controllo della pressione statica risulterà ottimamente sintonizzato. Nello stesso tempo, la portata di flusso attraverso la bobina dell'evaporatore, verrà ridotta, il che provocherà una ulteriore riduzione del valore di tsa.
Senza l'impiego di un mezzo che consenta di impedire ulteriori correzioni, le unità di controllo, collegate in cascata, in corrispondenza dei box VAV, risponderanno nuovamente mediante una ulteriore riduzione della portata di flusso del sistema. Questo ciclo può continuare finché la capacità del sistema e la portata risultano inadeguate a soddisfare i requisiti termici della zona mentre le temperature della zona devieranno dal punto di riferimento. L'aumento delle temperature nella zona corrispondente provocherà, infine, un aumento di Qzn (e, conseguentemente, di ω sa) per cui, nel tempo, le temperature della zona ritorneranno al corrispondente punto di riferimento. Ovviamente, le dinamiche di questo processo non sono desiderabili.
Per impedire queste dinamiche indesiderabili, esistono quattro soluzioni possibili. La più semplice comporterebbe la limitazione del numero di zone utilizzando l'unità di controllo di reiezione dei disturbi tsa, ad una percentuale relativamente piccola del numero totale di zone. Successivamente, la capacità delle altre zone fornirebbe un disaccoppiamento sufficiente a garantire l'ottenimento di una condizione di stabilità. Tuttavia, le persone incaricate spesso non posseggono l'esperienza necessaria per operare in modo appropriato.
Una seconda opzione potrebbe comportare il filtraggio dell'uscita del blocco funzionale di trasferimento GFFW 64 utilizzando, ad esempio, un filtro passa-basso, del primo ordine. I parametri del filtro potrebbero venire regolati con l'ausilio di mezzi manuali o con l'ausilio di mezzi automatici, in modo tale da ottenere la soluzione desiderata di compromesso fra la stabilità del sistema e la reiezione del disturbo.
La terza opzione potrebbe comportare il filtraggio nella misura di tsa. Il peso del filtro verrebbe regolato sino a quando viene ottenuta una soluzione accettabile di compromesso fra le capacità di reiezione dei disturbi e la stabilità dell'intero sistema.
Il quarto metodo per migliorare la stabilità del sistema comporta la reiezione selettiva dei disturbi concernenti la temperatura dell'aria di alimentazione. In altre parole, la sorgente del disturbo tsa deve venire identificata e soltanto i disturbi attribuiti alle variazioni nel numero di stadi operativi, dovrebbero venire eliminati.
Altrimenti, può verificarsi lo scenario di una retroazione positiva, secondo quanto precedentemente descritto.
L'approccio preferito consente di combinare la terza opzione ,e la quarta opzione. Il diagramma a stati finiti, rappresentato in 140 nella Figura 6, illustra la logica digitale necessaria per questo scopo. Secondo questo approccio, il valore di tga adottato nelle equazioni 7-10, viene filtrato per mezzo di un filtro digitale del primo ordine, con una costante di tempo Ysa. In valore di Ysa viene regolato in risposta ad un disturbo in corrispondenza di 142.
In 142, la booleana variabile "disturbo Tsa" viene impostata ad un valore VERO dopo che si è verificata una rapida variazione nella temperatura dell'area di alimentazione. E' possibile utilizzare una informazione locale o una informazione di rete per determinare il valore di Disturbo di Tsa. Se è presente una rete, qualsiasi variazione nel numero di stadi attivi di capacità potrebbe venire trasmesso ad ogni unità di controllo del terminale. Le informazioni in questione potrebbero venire utilizzate per determinare il valore di Disturbo di Tsa secondo quanto indicato in 150 nella Figura 7.
Nella Figura 7, il valore di TIME2MIN rappresenta una funzione della costante di tempo del serpentino dell'evaporatore e del ritardo di trasporto del condotto. Un valore di 15 minuti potrebbe venire utilizzato, ad esempio, come una convenzione implicita o per "default". Alternativamente, se l'informazione di rete non è disponibile, il Disturbo Tsa potrebbe venire identificato, localmente, in corrispondenza delle unità terminali VAV, con riferimento allo stato finito indicato in 160 nella Figura 8.
La variabile di Disturbo Tsa viene impostata ad un valore VERO in corrispondenza di 162 se una approssimazione a differenza finita FDA (finite difference approximation) della derivata di tsa, secondo quanto misurato in corrispondenza dell'unità terminale, supera un limite predeterminato in corrispondenza di 164. Deve essere rilevato che esistono numerosi metodi disponibili per l'ottenimento di FDA per le derivate. Per questa applicazione, viene preferita la seguente FDA:
in cui tsa rappresenta una approssimazione della derivata della temperatura dell'aria di alimentazione rispetto al tempo, T rappresenta l'intervallo di tempo fra ogni calcolo mentre i pedici, o deponenti n=1...3 rappresentano indici campioni diretti o inversi. L'equazione 13 è basata su di un adattamento quadratico attraverso sette punti di dati. Lo stesso garantisce, intrinsecamente, un livellamento che viene richiesto per impedire l'amplificazione del rumore nella FDA. Deve essere sottolineato il fatto che i valori di tsa, nell’equazione precedentemente riportata, non sono stati filtrati. Gli stessi rappresentano le temperature reali registrate dal sensore della temperatura dell’aria, collocato in corrispondenza dell'unità terminale.
Deve essere sottolineato il fatto che, dalla descrizione precedentemente riportata, la strategia di controllo proposta dalla presente invenzione, minimizza i disturbi dell'aria introdotti in una zona controllata dalla temperatura, mediante minimizzazione del tasso di trasferimento del calore di condizionamento. Quando implementata, la strategia di controllo della presente invenzione, minimizza la presenza di escursioni di temperatura di valore notevole dovute al raffreddamento o al riscaldamento dell'aria che viene alimentata, nella zona a temperatura controllata, attraverso un box VAM minimizzando, nel contempo, ih modo efficace, l'usura meccanica sugli associati componenti del box VAV minimizzando, nel contempo, in modo efficace, l'usura meccanica sugli associati componenti del box VAV e minimizzando pure le fluttuazioni nella temperatura dell'aria di alimentazione allo scopo di massimizzare il corrispondente livello di confort associato alla zona a temperatura controllata.
Quantunque la descrizione precedentemente riportata riguardi la versione preferita della presente invenzione, deve essere sottolineato il fatto che l'invenzione in oggetto può venire modificata senza scostarsi dallo scopo o dal vero significato delle rivendicazioni riportate in appendice. Vari altri vantaggi della presente invenzione risulteranno più evidenti, agli esperti del settore, dai benefici dell'analisi del testo precedentemente riportato e dai disegni, quando considerati congiuntamente alla rivendicazioni riportate in appendice.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per minimizzare i disturbi nel flusso d'aria in un sistema di condizionamento dell'aria del tipo multizona, comprendente le seguenti fasi di: impostazione di una portata di flusso dell'aria condizionata alimentata ad una zona a clima controllato, per mantenere una temperatura della zona in corrispondenza di un punto di riferimento della stessa; misura della deviazione dal punto di riferimento della zona in corrispondenza del primo e del secondo istante di campionamento, entro un periodo di campionamento ; stima di un tasso di trasferimento del calore della zona in corrispondenza del secondo istante di campionamento, sulla base della deviazione del punto di riferimento; e regolazione della portata di flusso dell'aria in risposta alla fase di stima di una portata di trasferimento termico della zona, allo scopo di minimizzare i disturbi nel flusso d'aria della zona.
- 2. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di regolazione della portata di flusso d'aria della zona comprende la regolazione di uno smorzatore di zona (zone damper) attraverso il controllo di una variabile della zona, in modo tale da influenzare la portata dell'aria condizionata nella zona.
- 3. Il metodo secondo la rivendicazione 2, in cui la fase di regolazione dello "zone damper" viene controllata attraverso la fase di calcolo della funzione di smorzamento della zona mediante mappatura della portata d'aria rispetto ad una posizione dello smorzatore della zona.
- 4. Il metodo secondo la rivendicazione 3, in cui la fase di mappatura della portata di flusso dell'aria viene controllata attraverso la fase di controllo della pressione dell'aria di alimentazione.
- 5. Il metodo secondo la rivendicazione 3, comprendente pure la fase di minimizzazione dell'instabilità del sistema dovuta ad interazioni del processo, mediante le fasi di: 1) controllo selettivo della funzione di smorzamento della zona in ciascuna di un certo numero prestabilito di zone; 2) filtraggio di una uscita di una funzione di controllo dello smorzatore della zona; 3) filtraggio di una misura della temperatura dell'aria di alimentazione; e 4) eliminazione dei disturbi della temperatura dell'aria di alimentazione dovuti a variazioni negli stadi di raffreddamento del sistema operativo.
- 6. Il metodo secondo la rivendicazione 2, in cui una variabile utilizzata nella fase di regolazione dello smorzatore della zona viene selezionata dal gruppo consistente essenzialmente della velocità di trasferimento del calore della zona, della pressione statica della zona, della temperatura dell'aria di alimentazione, temperatura di riferimento della zona, velocità dell'aria e guadagno dell'unità di controllo.
- 7. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di misura della deviazione dal punto di riferimento della zona comprende la misura di una differenza fra il punto di riferimento di temperatura della zona ed una temperatura misurata della zona.
- 8. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di stima del tasso di trasferimento del calore della zona, in corrispondenza del secondo istante di campionamento, sulla base della deviazione del punto di riferimento, dipende dal periodo di campionamento e dal tempo integrale dell'unità di controllo.
- 9. Una unità di condizionamento dell'aria comprendente: un condizionatore dell'aria, un regolatore accoppiato al condizionatore dell’aria che regola la quantità di aria condizionata introdotta in una zona; e una unità di controllo operativamente collegata sia al condizionatore dell'aria, sia al regolatore, programmata in modo tale da controllare il funzionamento del condizionatore d'aria e del regolatore; e un sensore operativamente collegato al regolatore e all'unità di controllo, attraverso un anello chiuso a retroazione che rileva la temperatura della zona e trasmette, all'unità di controllo, un segnale rappresentativo della temperatura rilevata della zona; l'unità di controllo calcolando una stima della quantità di trasferimento di calore della zona sulla base della temperatura rilevata e del punto di riferimento di temperatura della zona e controllando l'operazione del regolatore sulla base della velocità di trasferimento del calore della zona stimata in modo tale da minimizzare i disturbi dell'aria di alimentazione.
- 10. L'apparato secondo la rivendicazione 9, in cui il regolatore comprende un condotto di alimentazione dell'aria che incanala il flusso d'aria dal condizionatore d'aria alla zona, attraverso una uscita del condotto; e uno smorzatore d'aria di tipo regolabile, collegato all'uscita del condotto, in prossimità della zona regolata in grado di controllare il flusso di aria condizionata nella zona, in risposta a comandi di controllo nello smorzatore d'aria, provenienti dall'unità di controllo.
- 11. L'apparato secondo la rivendicazione 10, in cui l'unità di controllo è costituita da una unità di controllo di tipo anticipativo, che mappa una relazione fra la velocità di trasferimento di calore nella zona stimata ed una posizione dello smorzatore d'aria di tipo regolabile.
- 12. L'apparato secondo la rivendicazione 11, in cui l’unità di controllo anticipativa combina un bilanciamento dell'energia a regime costante con una mappa dello smorzatore, per scopi di controllo dello smorzatore.
- 13. L'apparato secondo la rivendicazione 12, in cui la mappa dello smorzatore si riferisce ad una portata di flusso dell'aria condizionata nello smorzatore, sino alla posizione di smorzamento.
- 14. L'apparato secondo la rivendicazione 9, in cui il tasso di trasferimento di calore nella zona stimata rappresenta pure una funzione del guadagno dell'unità di controllo, di tipo proporzionale e della velocità di trasferimento del calore della zona, come precedentemente stimata.
- 15. L'apparato secondo la rivendicazione 14, in cui il tasso di trasferimento di calore nella zona stimata viene calcolato dalla seguente equazione:in cui Q2n,n rappresenta una stima del calore trasferito, per advezione termica nella zona in corrispondenza dell'ennesimo istante di campionamento, Qzn,n-1 una stima del calore trasferito per advezione, nella zona, per l'n-l-esimo istante di campionamento, Kc rappresenta il guadagno proporzionale dell'unità di controllo, t1 rappresenta il tempo integrale dell'unità di controllo, Da rappresenta il periodo di campionamento, en rappresenta l'errore in corrispondenza dell'n-esimo istante di campionamento, mentre en-1 rappresenta l ' errore in corrispondenza dell ' (n-1 ) -esimo istante di campionamento.
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