La finalità dello studio è quella di quantificare il consumo energetico, le emissioni di CO2 e le
prestazioni ottenute dal medesimo impianto di riscaldamento, per l’edificio in esame, al variare del sistema di automazione che lo controlla.
Le funzioni di controllo che permettono di classificare un sistema di automazione corrispondono a quelle definite dalla norma UNI EN 15232, secondo quanto descritto al par. 2.3.2 della presente tesi.
La norma specifica che un sistema di automazione è di classe D, C, B o A se tutte le funzioni che implementa sono rispettivamente almeno di classe D, C, B o A, ciononostante anche implementazioni parziali possono consentire risparmi energetici.
Per tale motivo sono stati modellati differenti sistemi di automazione in Simulink, che implementano funzioni di controllo del riscaldamento sempre più evolute, in accordo con la norma UNI EN 15232.
Il sistema di automazione assunto come riferimento per le comparazioni e le valutazioni, corrisponde alla classe di efficienza BACS D.
Verrà valutato in primo luogo l’impatto sulle prestazioni energetiche del sistema di riscaldamento, dovuto all’implementazione delle funzioni parziali SE9C e SE11C riportate nella norma, che non rappresentano tuttavia un salto di classe di efficienza BACS.
In seguito, si valuterà il risparmio energetico ottenuto implementando tutte le funzioni proprie delle classi di efficienza C BACS e B BACS.
4.4.1 Sistema BACS 1: Classe D
Il sistema BACS 1 corrisponde alla classe di efficienza BACS D, e ne implementa tutte le funzioni di controllo corrispondenti. Un sistema di automazione avente classe di efficienza BACS pari alla D, rappresenta la condizione alla quale si trovano la maggior parte degli edifici facenti parte del panorama edilizio italiano e per tale motivo è stato assunto come riferimento per le valutazioni sul risparmio energetico potenzialmente ottenibile.
Il sistema di automazione di classe BACS D è caratterizzato da funzioni di controllo elementari, basate su logiche molto semplici, come mostrato in tab. 16. In particolare le funzioni di controllo si limitano a valori di set point costanti per il controllo dei generatori di calore e a delle priorità, nella gestione di differenti generatori, basate esclusivamente sul tempo di funzionamento. Si noti, inoltre, come un controllo automatico centralizzato (funzione 1 del controllo di emissione) corrisponda ancora ad una classe di efficienza BACS D.
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141 Le temperature di set point e gli intervalli temporali di funzionamento sono stati impostati in accordo con i parametri utilizzati nella procedura di determinazione dei fattori BACS (descritta al par. 2.2.4.4 della presente tesi), riportata nella norma UNI EN 15232, relativamente alla destinazione d’uso uffici.
La classe di efficienza D, prevede lo stesso set point di temperatura per riscaldamento e raffrescamento (nessuna banda neutra) e l’impianto HVAC funziona senza interruzione 24 ore al giorno, sebbene gli ambienti siano occupati per sole 11 ore.
Figura 65. Profilo di riscaldamento del Sistema in classe D adottato per il calcolo dei fattori BACS dalla norma UNI EN 15232
Il modello Simulink di questo sistema di automazione e controllo può essere suddiviso in due parti: la prima relativa al controllo dei generatori di calore, la seconda relativa al controllo della temperatura all’interno dell’ambiente da riscaldare.
Il sistema di controllo dei generatori ha il compito di gestire le priorità di funzionamento dei generatori al fine di garantire un determinato valore della temperatura dell’acqua all’interno dell’unità di accumulo termico.
Esso di compone di un controllore avente in ingresso due differenti temperature: Thot: Temperatura di set point dell’acqua all’interno dell’accumulo termico Tcold: Temperatura effettiva registrata all’interno dell’accumulo termico.
La Temperatura effettiva all’interno dell’accumulo termico proviene da un sensore posto all’uscita “T nodes” dell’accumulo, che legge la temperatura nel nodo selezionato per mandarla in ingresso al controllore.
142 Il set point di temperatura è un valore fisso nel tempo, secondo le specifiche di un sistema in classe D, posto pari a 45°C.
Il controller si limita ad inviare un comando “on” (corrispondente ad 1) quando la differenza di temperatura tra il valore di set point impostato e la temperatura effettiva nell’accumulo, è inferiore a Δ𝑇 = 2,5°𝐶.
Questo comando di controllo viene “splittato” per essere inviato ai due differenti generatori. La priorità di funzionamento dei due generatori è basata solo sul tempo di funzionamento (funzione 0 alla voce “controllo sequenziale di differenti generatori” di tab.16): ciascuno dei due segnali ottenuti viene moltiplicato per un blocco Simulink contenente gli intervalli di funzionamento di ciascun generatore.
Il controllo dei tempi di funzionamento dei generatori per la classe D avviene, come riportato nella funzione 0 di tab.16 alla voce “Controllo sequenziale di differenti generatori”, secondo logiche di priorità assegnate su base temporale: ogni generatore sarà azionato soltanto nell’intervallo di tempo impostato.
L’intervallo di funzionamento di un generatore corrisponde ad una struttura MATLAB, formata da un vettore tempo ed un vettore segnale. Quest’ultimo ha dimensioni di 1x24, e contiene una serie di 0 e 1 corrispondenti al comando di accensione o spegnimento del generatore, stabiliti su base oraria.
L’intervallo di funzionamento scelto per la pompa di calore va dalle 6:00 di mattina alle 20:00 di sera. Questo perché quando la temperatura esterna si abbassa, durante la notte, la pompa di calore ha un rendimento minore, in quanto sfrutta l’aria esterna come sorgente per la produzione di energia termica. Nelle ore notturne l’impianto è alimentato dalla caldaia a condensazione, il cui intervallo di funzionamento va dalle 20:00 di sera alle 6:00 di mattina. Il prodotto tra il comando proveniente dal controllore ed il comando relativo al tempo di funzionamento rappresenta il comando effettivo per il generatore di calore.
Si riporta un esempio per comprendere meglio: se alle 17:00 del pomeriggio il controllore emettente un segnale 1, vuol dire che la temperatura all’interno del volume di accumulo è inferiore di quella impostata; questo segnale viene moltiplicato per il valore 1 dell’intervallo di funzionamento della pompa di calore, alla quale arriva il segnale 1 ∙ 1 = 1 che la fa accendere, lo stesso segnale, moltiplicato per il valore 0 dell’intervallo di funzionamento della caldaia, corrisponde ad un “off” per la caldaia.
In questo modo l’alternanza di funzionamento dei due generatori viene gestita secondo logiche basate solo su degli intervalli temporali, secondo quando richiesto dalla classe D di efficienza BACS.
143 Il controllo della temperatura all’interno dell’ambiente è affidata ad un secondo controllore, il quale presenta due ingressi:
Thot: Temperatura ambiente desiderata, posta pari a 22°C;
Tcold: Temperatura effettiva registrata, selezionata dall’uscita “Hdat” del blocco “House” tramite un “Bus selector”.
Questo controller gestisce la circolazione del fluido vettore del circuito accumulo-edificio ed è essenziale per l’avvio del sistema di riscaldamento: rappresenta l’implementazione del “Controllo automatico centralizzato” corrispondente alla funzione 1 alla voce “Controllo di emissione” di tab.16.
Il controller invia il comando “on” quando la differenza di temperatura tra il valore di set point impostato e la temperatura effettiva nell’ambiente, è superiore a Δ𝑇 = 0,5°𝐶, invia il comando “off” quando tale differenza è inferiore a Δ𝑇 = 0,5°𝐶.
Figura 66. Parametri del controllore per la temperatura ambiente
Le pompe di distribuzione del fluido vettore del circuito generatori-accumulo, nel sistema di automazione in classe D, non sono gestite dal controllo automatico, ma il loro funzionamento dipende da logiche esterne al sistema di controllo dell’intero impianto di riscaldamento.
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4.4.2 Sistema BACS 2: Implementazione parziale SE9C, SE11C
Il Sistema di automazione BACS 2 corrisponde alla classe D di efficienza BACS, ma presenta due funzioni di controllo proprie della classe C di efficienza BACS. Tale sistema di controllo, pur non rappresentando un salto di classe, può portare ad un risparmio energetico maggiore rispetto alla classe D.
Le funzioni aggiuntive rispetto alla classe D sono le seguenti:
SE9C: Controllo On-Off delle pompe di distribuzione del fluido vettore;
SE11C: Controllo automatico dell’emissione e/o distribuzione con un programma ad orario fisso.
Nelle caldaie compatte la pompa di circolazione è normalmente incorporata. Il controllo on/off avviene in base alla temperatura impostata su un termostato d’ambiente o zona riscaldata, che attiva o interrompe la mandata del fluido termovettore. Il funzionamento è analogo anche per la pompa di calore. Con un controllo di questo tipo, il risparmio di energia elettrica ausiliaria è proporzionale al tempo di arresto delle pompe che entrano in funzione solo quando necessario, l’inserzione delle quali è comandata da un semplice termostato ambiente. La funzione SE9C è implementata in Simulink estendendo il segnale di controllo in ingresso ai generatori di calore, programmato secondo logiche di funzionamento basate soltanto sul tempo di funzionamento, all’ingresso di controllo delle pompe di distribuzione “Ctrl”.
Il controllo dell’emissione tramite programma ad orario fisso (funzione SE11C), è stato invece modellato in Simulink mediante una struttura MATLAB, formata da un vettore tempo ed un vettore segnale. Quest’ultimo ha dimensioni di 1x24, e contiene la temperatura di set point desiderata, variabile nel corso delle 24 ore. Il valore di set point della temperatura all’interno degli uffici è stata impostata pari a 22°C in accordo ai parametri utilizzati nella procedura di determinazione dei fattori BACS (descritta al par. 2.2.4.4 della presente tesi), riportata nella norma UNI EN 15232.
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Figura 68. Profilo di riscaldamento del Sistema in classe C adottato per il calcolo dei fattori BACS dalla norma UNI EN 15232
In particolare, nel caso della classe di efficienza C, è prevista una leggera differenza (1 °C) fra il set point di temperatura di riscaldamento e di raffrescamento che introduce una banda ad energia zero. L’impianto HVAC comincia a funzionare 2 ore prima che gli ambienti siano occupati e termina 3 ore dopo che il periodo di occupazione è terminato.
Considerando che il profilo di occupazione medio di un ambiente ad uso uffici va dalle 7:00 di mattina alle 18:00 di sera, il valore di set point è stato impostato pari a
22°C dalle 5:00 alle 21:00; 19°C dalle 21:00 alle 5:00.
Tale programma di accensione e spegnimento ad orario fisso, in forma di struttura MATLAB, viene caricato dallo spazio di lavoro Simulink tramite il blocco “From Workspace” e mandato in ingresso a controllore che regola la circolazione del fluido vettore proveniente dall’accumulo.
NOTA: Il controllore che gestisce il funzionamento dei due generatori di calore, è rimasto immutato rispetto al sistema BACS 1. Gli intervalli temporali all’interno di quali possono accendersi i due generatori, per mantenere la temperatura di 45°C impostata per il termo-accumulo, sono ancora gestiti su base oraria: la pompa di calore funziona dalle 06:00 alle 20:00, la caldaia funziona dalle 20:00 alle 05:00.
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Tabella 17. Funzioni di controllo implementate nel Sistema BACS 2: Classe D con implementazioni parziali SE9C ed SE11C
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4.4.3 Sistema BACS 3: Classe C
Le funzioni implementate rispetto al sistema di automazione precedente, per raggiungere la classe C di efficienza BACS, sono le seguenti:
SE1C: Controllo automatico di emissione in ogni ambiente;
SE7C: Controllo della temperatura dell’acqua nella rete di distribuzione secondo logiche di compensazione con la temperatura esterna;
SE14A: Controllo della caldaia a condensazione con temperatura variabile in dipendenza da quella esterna;
SE16B: Controllo della pompa di calore con temperatura variabile in dipendenza da quella esterna;
SE18C: Controllo sequenziale dei differenti generatori mediante priorità basate sui carichi termici.
Si noti che le funzioni SE14A ed SE16B corrispondono già a delle specifiche proprie rispettivamente delle classi A e B. Nonostante ciò, il sistema di automazione che implementa le funzioni sopra elencate, è assegnato alla classe di efficienza C e le funzioni SE14A ed SE16B possono considerarsi, a tutti gli effetti, delle implementazioni parziali già valevoli per le altre classi.
La prima funzione elencata, SE1C, non ha influenza sul modello Simulink, in quanto l’intero edificio è stato già modellato come un unico ambiente, in cui le condizioni non variano all’interno del suo volume.
La modellazione dell’implementazione SE7C è stata effettuata inserendo un valore di set point della temperatura nell’accumulo variabile in funzione della temperatura esterna, da mandare in ingresso al controllore dei generatori di calore, al posto del valore costante di 45°C del sistema precedente.
La temperatura di set point impostata è una funzione lineare decrescente della temperatura esterna. In particolare il suo andamento è rappresentato da una retta passante per due punti (4,4; 45) e (20; 20), dove il valore di 4,4 °C corrisponde alla temperatura minima esterna registrata per la città di Pisa, alla quale corrisponde un valore della temperatura di set point pari a 45° (vedi fig. 70).
Il valore della temperatura variabile, è costituito in Simulink da una struttura MATLAB formata da un vettore tempo e da un vettore di segnale, che riporta tutti i valori dell’andamento sopra descritto. Questa struttura è richiamata in Simulink tramite un blocco “From Workspace”.
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Figura 70. Andamento della temperatura di set point dell’accumulo termico
Per implementare le funzioni SE14A, SE16B, SE18C, è necessario aggiungere al set point di temperatura variabile del termo-accumulo, una logica di gestione sequenziale dei generatori di calore basata sulla temperatura esterna in risposta ai carichi termici dell’edificio, anch’essi variabili in funzione della temperatura esterna.
Nel modello Simulink questa gestione avviene mediante due blocchi “Switch” posti a monte dei due generatori. Lo Switch presenta tre ingressi: fa passare il segnale dell’ingresso 1 quando il valore dell’ingresso 2 è al di sopra di un determinato valore di soglia, se ciò non accade fa passare il segnale relativo all’ingresso 3.
Lo Switch che gestisce il funzionamento della pompa di calore ha i seguenti ingressi:
Ingresso 1. Comando di accensione o spegnimento (0 o 1) proveniente dal controllore dei generatori.
Ingresso 2. Valore della temperatura esterna proveniente dal sensore collegato ai dati meteo.
Ingresso 3. Valore costante 0.
Il valore di soglia dello Switch è impostato su 5,5, in tal modo lo Switch deputato al controllo della pompa di calore fa proseguire il segnale proveniente dal controllore dei generatori (sia esso 0 oppure 1) quando il valore della temperatura esterna è maggiore di 5,5°C, altrimenti invia il segnale 0.
In questo modo la pompa di calore viene accesa solo quando il controllore dei generatori lo richiede, in base alla temperatura all’interno dell’accumulo, e la temperatura esterna rilevata è maggiore di 5,5 °C. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 TE M PE RA TU A D I S ET P O IN T (° C) TEMPERATURA ESTERNA (°C)
151 Il funzionamento dello Switch di controllo della caldaia a condensazione è analogo a quello appena descritto, ma con una logica inversa: l’ingresso 2 presenta ancora il valore della temperatura esterna, ma gli ingressi 1 e 3 sono invertiti rispetto a prima.
In tal modo la caldaia a condensazione viene accesa solo quando il controllore dei generatori lo richiede, in base alla temperatura all’interno dell’accumulo, e la temperatura esterna rilevata è inferiore a 5,5 °C.
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4.4.4 Sistema BACS 4: Classe B
Le funzioni SE12B, SE14A ed SE16B, implementate per la classe C di efficienza BACS, rappresentano già delle funzioni proprie delle classi superiori. Per raggiungere la classe B di efficienza BACS è sufficiente, dunque, implementare le seguenti funzioni in aggiunta al sistema precedente:
SE2B: Controllo automatico dell’emissione in ogni ambiente con comunicazione; SE8A: Controllo della temperatura dell’acqua nella rete di distribuzione basato sulla
richiesta termica;
SE9C-2: Controllo delle pompe di distribuzione multistadio;
SE19B: Controllo sequenziale dei differenti generatori mediante priorità basate sui carichi e sulla richiesta termica.
La funzione SE2B prevede che la temperatura di ogni singolo locale possa essere regolata per mezzo di un regolatore elettronico dotato di comunicazione seriale per il coordinamento con regolatori in altri locali. Nel modello Simulink relativo al caso studio, avendo modellato l’edificio come un unico locale, l’implementazione di questa funzione è stata effettuata ottimizzando il set point di temperatura all’interno del locale, secondo quando previsto dalla norma UNI EN 15232, relativamente ai parametri adottati per calcolo dei fattori BACS per la classe di efficienza B.
Figura 72. Profilo di riscaldamento del Sistema in classe B adottato per il calcolo dei fattori BACS dalla norma UNI EN 15232
155 In particolare, la classe di efficienza B permette un migliore adattamento del tempo di
funzionamento dell’impianto HVAC ottimizzando i tempi di accensione e spegnimento. I set point di temperatura per il riscaldamento e il raffrescamento sono controllati da un sistema di gestione che permette una banda neutra maggiore di quella in classe C.
Il set point di temperatura ottimizzato sul profilo di occupazione dei locali è il seguente: 21°C dalle ore 05:00 alle 19:00
19°C dalle ore 01:00 alle 05:00 e dalle ore 19:00 alle 21:00 18°C dalle ore 21:00 alle 01:00.
La funzione SE9C-2 è caratterizzata dalle medesime logiche già viste per la classe C di efficienza BACS, ed il livello prestazionale n°2 consiste nell’utilizzo di pompe di distribuzione multistadio. L’incidenza sui parametri che verranno valutati (consumo di energia primaria, emissioni di CO2, temperature del locale e dell’acqua nell’accumulo termico, tempi di
funzionamento dei generatori di calore) dell’adozione di pompe multistadio in luogo di comuni pompe centrifughe monostadio, risulta marginale e del tutto trascurabile.
Per il raggiungimento della classe B di efficienza BACS è necessario implementare una logica di controllo della temperatura dell’acqua nella rete di distribuzione e dei generatori di calore basata sulla richiesta termica dell’edificio (funzioni SE8A ed SE19B).
La richiesta termica dell’edificio, corrispondente all’energia richiesta per mantenere negli ambienti riscaldati la temperatura di set point, è rappresentata dalla somma del carico termico invernale (ovvero la massima potenza termica che l’edificio disperde verso l’ambiente esterno) e degli apporti positivi (rappresentati dall’apporto termico degli occupanti e delle apparecchiature, e dalla radiazione solare), escludendo opportunamente la potenza termica fornita dall’impianto di riscaldamento.
La richiesta termica coincide, inoltre, con la potenza termica che il sistema di riscaldamento deve fornire al locale per mantenere la temperatura al suo interno pari a quella di set point e può essere calcolata come:
𝑄̇ = 𝑄̇ + 𝑄̇ + 𝑄̇ + 𝑄̇ + 𝑄̇ + 𝑄̇
+ 𝑄̇
Tutti i termini di questa equazione (il cui significato è già stato esplicitato al par. 4.2.4) sono delle grandezze in uscita dalla porta “Hdat” del blocco “House Simple”. Questi output vengono filtrati tramite un “bus selector”, omettendo il termine relativo alla potenza termica fornita dall’impianto di riscaldamento, e sommati con segno mediate un blocco “add” della libreria Simulink. Ottenuta la sommatoria di tutti i termini al secondo membro dell’equazione di cui sopra, se ne estrae il valore assoluto tramite un blocco “Abs” della libreria Simulink.
156 La grandezza così ricavata, ovvero la richiesta termica dell’edificio, rappresenta il parametro sul quale sviluppare la logica di controllo della classe B di efficienza BACS. Essa risulta funzione di un gran numero di fattori, tra cui le condizioni meteorologiche esterne, ed in base ad essa il sistema di riscaldamento deve modulare la propria potenza termica in uscita. La modulazione della potenza termica fornita dall’impianto di riscaldamento è ottenuta nel modello Simulink, limitatamente alla pompa di calore, suddividendo quest’ultima in tre unità distinte, ciascuna caratterizzata da una potenza termica ed elettrica pari ad un terzo di quella iniziale. Le potenze termiche fornite da ciascun elemento della pompa di calore, che ne rappresenta uno step di modulazione, devono tutte confluire in ingresso all’accumulo termico. Per fare ciò sono state adoperate delle valvole a tre vie, modellate tramite il blocco CARNOT “flow mixer” presente nella libreria alla voce “Hydraulics”.
Il sistema di controllo è stato modellato con gli stessi blocchi Simulink della classe precedente, aggiugendo di due moduli Switch per il controllo delle pompe di calore aggiuntive, che rappresentano la parzializzazione ad un terzo della pompa di calore effettiva.
La grandezza in ingresso gli Switch aggiuntivi è rappresentata dalla richiesta termica dell’edificio, ricavata come descritto sopra. Lo Switch della seconda pompa di calore attiva il generatore quando la richiesta termica dell’edificio supera il valore di 5,5 kW, lo Switch della terza pompa di calore attiva il generatore quando la richiesta termica dell’edificio supera il valore di 8 kW.
Riassumendo, per valori della richiesta termica dell’edificio inferiori a 5,5 kW la pompa di calore lavora ad un regime parzializzato pari ad un terzo della propria potenza, per valori compresi