Logiche di controllo integrate

A differenza delle precedenti non si opererà sul singolo sistema o su quelli con cui interagisce direttamente ma si valuteranno il maggior numero di possibili interazioni tra tutti al fine di aumentare l’efficienza dell’impianto e ridurre i costi d’istallazione ed operativi dello stesso. Vista però l’irreversibilità del serbatoio a bassa temperatura e l’efficienza di conversione non costante con le condizioni esterne dello stesso si porranno delle condizioni basilari per effettuare sua ricarica e limiti per la sua intensità:

1. La domanda termica nelle prossime ore e le dispersioni stimate devono essere tali da giustificare la ricarica del serbatoio dalla temperatura a cui si trova fino a quella a cui almeno si possa fornire il servizio, uguale a quella entrante nei ventilconvettori, ovvero 7 °𝐶.

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2. La temperatura del serbatoio non deve essere inferiore a 𝑇 _→ , ovviamente inferiore a quella operativa dei ventilconvettori, da trovare tramite l’ottimizzatore al fine di non avere una conversione con efficienza troppo bassa, tale per cui convenga utilizzarla in altro modo. Inoltre, fissando il limite sulla temperatura non si impone solo un limite sul COP di ricarica ma anche su quanto convenga conservare altra energia considerando implicitamente quella già accumulata.

3. L’energia immessa nel serbatoio non deve essere tale da portarlo al di sotto della minima (10 °𝐶) e quindi evitare di spenderne altra dal serbatoio ad alta temperatura o peggio ancora tramite la pompa di calore o direttamente per effetto joule per riportarlo ad una T adeguata.

4. Non oltre ai consumi stimati (decurtando l’energia già conservata al suo interno) nelle prossime ore, per non tenere la temperatura al di sotto del necessario.

5. Considerare il fattore di carico della pompa di calore se impegnata in altri servizi per non andare incontro a disservizi, infatti si darà priorità al cooling diretto e solo se le condizioni lo permettono di caricare il serbatoio a bassa temperatura. Mentre quello ad alta temperatura per asservire l’ACS viene data la minima priorità visto che può essere servito anche tramite i collettori solari o ricaricato eventualmente per effetto Joule. Fatto ciò si passa alle interazioni tra i sottosistemi che sono principalmente funzione del bilancio orario della produzione e della domanda, per cui si hanno i due diversi casi:

1. Deficit energetico: la domanda supera o eguaglia la produzione. 2. Surplus energetico: la produzione supera la domanda.

Nel primo caso semplicemente l’energia prodotta dai PV viene direttamente utilizzata per soddisfare i consumi e se non necessaria si preleva la differenza prima dall’ES finché possibile, considerando non solo l’energia immagazzinata ma anche la massima potenza scambiabile, e successivamente dalla rete elettrica se l’utenza è collegata in rete o tramite l’EG/CHP per l’utenza in isola.

Nel secondo invece viste le possibilità sono maggiori e quindi si valuteranno vari modi d’interazione dei sottosistemi. Vedremo quindi prima le logiche di controllo per l’utenza collegata alla rete:

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Logica TSC X

Questa viene applicata alle soluzioni che non fanno uso del serbatoio a bassa temperatura, in tal caso il surplus energetico viene prima conservato nell’ES e successivamente dato alla rete. Logica TSC 0

Il surplus energetico viene conservato nell’ES finché possibile e se le condizioni lo permettono si carica il 𝑇𝑆 e solo dopo si immette in rete la differenza. Quindi quando presente domanda termica per il cooling prima si scarica il serbatoio e poi se non fosse sufficiente si passa al raffrescamento diretto tramite l’HP che preleva l’energia prima dall’ES e se necessario dalla rete.

Fanno eccezione i periodi di alto carico in cui si prevede che la domanda superi la massima potenza della pompa di calore, in tal caso il surplus energetico viene conservato nel serbatoio e non viene scaricato completamente, ma conservando parte dell’energia per coprire i picchi, e nel frattempo si risponde alla richiesta tramite il cooling diretto. Infatti, conservando l’energia nell’elettrochimico in queste condizioni anche se si riduce la richiesta energetica dalla rete si rimarrebbe comunque vincolati alla potenza della pompa di calore.

Ciò ci permette di sottodimensionare la pompa di calore riducendo i costi d’istallazione e in un funzionamento reale in cui l’efficienza è funzione del fattore di carico della stessa una soluzione simile ne trarrebbe vantaggio. Rispetto alla precedente ci si aspetta anche una riduzione dell’energia immessa in rete a parità di caratteristiche tecniche della batteria, o un suo sottodimensionamento.

Logica TSC 1

A differenza di prima si dà la priorità al serbatoio a bassa temperatura e dopo all’elettrochimico, mentre la restante va sempre in rete. Lo scarico del serbatoio avviene nella stessa maniera, anche nei periodi di massimo carico.

Si punta quindi ad un maggior sottodimensionamento dell’ES e ad un suo minor utilizzo cercando di allontanare il momento del rimpiazzo e risparmiare l’energia persa durante le conversioni in entrata e in uscita. Tuttavia, questo conserva il pregio della flessibilità potendo adempiere ad un maggior numero di servizi e dall’ottimizzazione si è visto che conviene dargli la priorità rispetto al serbatoio termico. Ciò era prevedibile dal fatto che la maggior parte dei consumi elettrici stimati nel capitolo precedente non sono riconducibili a quelli termici termici e quindi il serbatoio non è capace di assolverli. Per questo le seguenti logiche di controllo sono costruite a partire dalla 0.

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Logica TSC 2

Rispetto alla 0 si controllerà anche la temperatura esterna, quando questa raggiunge il minimo, ovvero quella favorevole alla ricarica del serbatoio a bassa temperatura, si preleva energia dall’elettrochimico e poi dalla rete per ricaricarlo. Mentre nel periodo di massimo carico funziona alla solita maniera dando priorità prima al serbatoio e poi all’accumulo elettrico. Questa logica di controllo farà aumentare il COP della pompa di calore in ricarica del TS, ma nel contempo sottopone l’ES ad un maggior numero di scariche, tramite l’ottimizzatore si vedrà se e fino a che punto conviene spingerci in questa direzione.

Logica TSC 3

Rispetto alla logica precedente il controllo della temperatura esterna non sarà limitato alla sola ricarica del TS attraverso l’energia precedentemente accumulata nell’ES o prelevata dalla rete ma anche durante lo scarico del serbatoio. Infatti, si aspetterà la massima temperatura esterna per procedere allo scarico che a quel punto prosegue finché possibile, mentre nel frattempo la domanda di cooling verrà asservita direttamente tramite la pompa di calore.

In tal modo non la si farà funzionare in raffrescamento diretto nei tempi più sfavorevoli ottenendo un COP maggior. Tuttavia, questa logica tenderà a sfruttare meno il serbatoio e aumenteranno le dispersioni dallo stesso restando per maggior tempo a bassa temperatura. Quindi l’ottimizzazione verificherà se l’aumento delle prestazioni è tale da giustificare il minor sfruttamento del sistema.

Dalle prime ottimizzazioni però si è visto che l’aumento del COP della pompa di calore funzionando in questo modo, e quindi la minor richiesta energetica, non giustifica il minor uso della tecnologia. Infatti, riducendo il numero di scariche non si accumula molta dell’energia proveniente dai pannelli fotovoltaici, se non utilizzando dei volumi del serbatoio maggiori e quindi più costosi, che viene quindi immessa in rete.

Logica TSC 4 e 5

In tal caso partendo dalla logica TSC 2 non ci si limita solo alla temperatura minima ma la ricarica procederà anche in quelle successive visto che non ci saranno grandi differenze. Ciò che ci si aspetta è che se la logica precedente presenta un effettivo miglioramento delle prestazioni, questa possa migliorarla.

La 5 è simile alla 4 ma tiene conto della temperatura esterna per lo scarico come avviene per la 3, soggetta quindi agli stessi problemi suddetti.

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Logiche TSC 6-9

Le logiche di controllo da 6 a 9 sono costruite sulla base delle precedenti, ciò che cambia è che una volta arrivati all’ora favorevole alla ricarica del serbatoio a bassa temperatura, l’energia viene solo prelevata dalla batteria e non dalla rete.

Ciò che si ottiene verosimilmente è un abbassamento del COP per la ricarica del serbatoio ma una riduzione degli scambi con la rete, visto che si utilizza solo l’energia precedentemente prodotta dai PV.

Dall’ottimizzazione si è visto che quest’ultime logiche funzionano bene solo se associate ad un basso numero di pannelli fotovoltaici, e prelevando solo da questo, infatti per grandi taglie a non ha senso far ciò perché nel giorno seguenti si ha comunque produzione che ricaricherebbe il serbatoio e quindi questo passaggio ha solo l’effetto di sottoporre l’accumulatore ad un maggior numero di scariche logorandolo più velocemente. Oltretutto la minor temperatura esterna è parzialmente compensata dalla minor temperatura del serbatoio quindi l’aumento del COP è limitato.

A maggior ragione il discorso vale se si spinge maggiormente la carica del serbatoio anche utilizzando l’energia proveniente dalla rete elettrica, per queste logiche oltre ad avere un logoramento veloce dell’ES si ha anche energia assorbita non necessaria visto che sarà disponibile nelle ore seguenti.

In particolar modo per questa utenza, scaricare l’elettrochimico non permette di servire gli usi elettrici notturni (quando si verifica l’ora a temperatura minore) tramite l’energia proveniente dai pannelli fotovoltaici ottenuta nel giorno precedente aumentando ulteriormente quella assorbita dalla rete.

L’unico caso in cui si presenterebbe un vantaggio da questa interazione è quindi quello in cui nel giorno seguente non si abbia abbastanza energia prodotta per soddisfare la domanda termica per cui vale la pena far lavorare la pompa di calore a COP maggiori per caricare il serbatoio nelle ore favorevoli. Tuttavia, una logica predittiva sulla produzione futura non è stata fatta perché rispetto a alla domanda in un caso reale è assai più difficile fare una sua stima per cui

Figura 24: trasposizione delle logiche di controllo che si differenziano per l'interazione dei due accumuli e la rete

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non sarebbe verosimilmente applicabile data l’aleatorietà che caratterizza la produzione proveniente da questa tecnologia.

Altre Logiche di controllo

Le logiche di controllo suddette sono state costruite dando priorità prima all’elettrochimico e successivamente al TS. Fare il contrario non risulta conveniente vista la maggior flessibilità del primo come già detto ma anche utilizzare il TS solo in logica predittiva caricandolo e scaricandolo nelle ore migliori non va altrettanto bene, perché la maggior efficienza che si ottiene non giustifica l’investimento dato il basso utilizzo che si farebbe della tecnologia, inoltre sarebbero necessari accumuli elettrochimici di alta taglia per accumulare energia durante il giorno. Queste logiche di controllo quindi presentano prestazioni rispetto alle due funzioni obiettivo, costi totali ed energia primaria utilizzata per soddisfare la domanda, peggiori rispetto a quella che fa uso delle risorse rinnovabili senza l’implementazione del 𝑇𝑆 .

Dall’analisi dinamica si è visto però che nei periodi di massimo carico conviene fare il contrario permettendo un più facile sottodimensionamento della pompa di calore, che si ripercuote in minor costi d’istallazione. Queste considerazioni non sono state trovate solo dall’ottimizzazione ma anche dall’analisi dinamica dei flussi di cui parleremo meglio in seguito.

Utenza in isola o remunerazione dell’energia nulla

In questi casi l’energia che nelle precedenti logiche di controllo veniva immessa in rete viene data al serbatoio ad alta temperatura tramite la pompa di calore se le sue condizioni di funzionamento lo permettono, o in alternativa scaricata direttamente per effetto joule.

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5.MOPSO

L’ottimizzazione è stata fatta facendo uso di un algoritmo Multi-Objective-Particle-Swarm- Optimization modificato rispetto ad uno classico [27] perché le variabili interessate (ovvero i dimensionamenti dei vari sistemi) sono discrete e quindi è possibile velocizzare i tempi dell’ottimizzazione.

Oltre alle due funzioni obiettivo che rimangono fisse per i casi analizzati, ovvero la spesa attualizzata (𝑆𝐴) e l’energia primaria assorbita (𝑃𝑟𝐸𝑛) sono stati calcolati indici economici ed energetici di interesse per il decision maker che a differenza dei primi due non sono soggetti all’ottimizzazione, ma che offrono informazioni aggiuntive alle soluzioni presenti sul fronte di Pareto.

Gli Input dell’algoritmo sono:

𝐹: richiamo della funzione in Matlab che ci fornisce le funzioni obiettivi e gli indicatori d’interesse in funzione delle variabili, nel nostro caso è l’analisi dinamica del sistema nel periodo di funzionamento;

𝑁 : numero di variabili, che nel nostro caso sono i dimensionamenti dei singoli sistemi e le temperature per cui la pompa di calore si attiva per ricaricare i due serbatoi, quindi il loro numero varia a seconda del caso e dello scenario analizzato;

𝑁 : numero di obiettivi, nel nostro caso sono la spesa attualizzata e l’energia primaria assorbita per metro quadro dell’edificio. In generale è possibile mettere più funzioni obiettivo, ad esempio aggiungendo anche i costi d’istallazione che possono essere determinanti per il decision maker, ciò che si ottiene in questo modo non è un fronte di pareto dato dall’insieme di punti in un piano, assimilabile in prima approssimazione con una linea ma una l’insieme delle soluzioni va a costituire una superficie nello spazio 3D delle funzioni obiettivo.

𝑁 _, : numero di indicatori economici, ovvero funzioni non ottimizzate ma che possono essere d’interesse per caratterizzare con più accuratezza l’investimento.

𝑁 _, : numero di indicatori energetici, per comodità divisi da quelli economici ma che per il funzionamento dell’algoritmo di ottimizzazione possono essere raggruppati alla precedente categoria. Un esempio di indicatore scelto è l’energia primaria totale scambiata con la rete, somma quindi di quella sia ricevuta che ceduta alla stessa. Può essere un modo per vedere quanto un sistema simile o meglio un insieme di questi possa comportare dei problemi alla

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stabilità della rete e quanto la soluzione possa essere sensibile a dei cambiamenti relativi al costo dell’energia venduta o acquistata.

𝑛 : numero dei valori che ogni variabile può assumere (𝑣𝑎𝑟 = 1,2, … 𝑁 ), utile per costruire la matrice delle funzioni e degli indici la cui utilità vedremo meglio in seguito. 𝑥 _, : valori che possono assumere le variabili in ordine crescente ( 𝑖 = 1,2, … 𝑛 ),, nel nostro caso infatti non si può pensare di istallare una frazione dei sistemi inoltre facendoli variare di poco non si apprezzano grandi differenze rispetto alle funzioni obiettivo con l’effetto di ottenere solo dei tempi computazionali assai più elevati senza sensibili miglioramenti dei risultati.

Questi input variano a seconda del caso analizzato e della logica di controllo del sistema, in generale possono essere cambiati per una qualsiasi tipo di ottimizzazione discreta.

𝑁 : numero massimo di iterazioni, 𝑁 : numero di particelle,

𝑁 : numero di depositi, ovvero le posizioni delle particelle che occupano le migliori posizioni nello spazio delle soluzioni.

Questi tre parametri influenzano maggiormente la velocità dell’algoritmo, un loro aumento seppur lo rallenta in genere garantisce delle miglior soluzioni, come vedremo in seguito l’uso della posizione discretizzata rende meno rilevante il loro peso sulla velocità dell’algoritmo. L’eccessivo numero di 𝑁 potrebbe essere contro produttivo perché si potrebbe ottenere un fronte di Pareto non omogeneo oltre a rallentare l’algoritmo. Mentre i prossimi influenzano la velocità delle particelle e le posizioni che andranno ad occupare nel time-step successivo: 𝑤: coefficiente d’inerzia,

𝑤 : riduzione del coefficiente d’inerzia ad ogni iterazione, 𝑐 : coefficiente cognitivo,

𝑐 : coefficiente sociale, 𝜇: coefficiente di mutazione,

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Mentre i seguenti parametri influenzano maggiormente la distribuzione del fronte di Pareto: 𝑁 : numero di divisioni della griglia,

𝛼: coefficiente d’infrazione della griglia, 𝛽: coefficiente di leader,

𝛾: coefficiente di eliminazione,

Per quest’ultimi vedremo meglio in seguito come influenzino l’algoritmo.