Tecniche di controllo centralizzate e distribuite Università degli studi di Padova Facoltà di ingegneria Corso di laurea in Ingegneria informatica, v.o. Tecniche di controllo centralizzate e distribuite Per il comfort ambientale di Edifici civili laureando: Tosin Nora relatore: prof. LucaSchenato 19 10 2009

Motivazioni ed Applicazioni onerosità crescente approvigionamenti energetici necessità riduzione consumi 40% spreco energetico dal settore dell’edilizia civile tendenze attuali: contenimento dei disperdimenti termici ottimizzazione delle risorse

Sistemi adottati negli edifici civili di piccole dimensioni: Sistema di termostatizzazione semplice: controllo di tipo bang-bang; cronotermostato per la programmazione oraria; comparatore ad isteresi per il segnale di retroazione. Stato dell’arte in letteratura tecniche di linearizzazione via feedback con controllo: di tipo predittivo; di tipo P.I.D. Contributo del lavoro modellizazione dell’edificio e delle dispersioni termiche; applicazione di tre tipi controllo centralizzato locale regionale

Modello dell’edificio Ipotesi regime stazionario: tempearura interna costante (ambiente termostatizzato), ma condizioni esterne variabili. Temperatura: equazione differenziale del primo ordine non lineare bilancio energetico variazione dell’energia termica differenziata nel tempo come sommatoria degli scambi energetici Umidità : equazione differenziale del primo ordine non lineare basata sull’equilibrio di massa. Flusso termico attraverso involucro edilizio, (murature ed infissi): U= trasmittanza termica h= coefficienti liminari per convezione k= conduttività termica

Temperatura Aria-sole: temperatura fittizia per tener conto della radiazione solare α assorbanza, I intensità radiazione solare Effetto serra: radiazione entrante tra 0.2 e 0.55μm, radiazione da oggetti e pareti interni lunghezza d’onda di massima emissione cira 10μm (legge di Wien)

Tasso di ricambio d’aria differenza di pressione: vento differenza di temperatura dove: Rs costante dei gas ideali per l’aria 287.1 in J/(kgK) pm pressione media atmosferica 100 kPa Fonti interne: Produzione media di vapore acqueo g/h Persone attività leggera 30-60 Bagno doccia 2600 Bagno vasca da bagno 700 Cucina 600-1500 fiori 5-10 Pianta da vaso 7-15 apparecchio elettrico carico [Watt] televisore 300 frigorifero 320 congelatore 540 lavapiatti 50 lavatrice computer da 90 a 530 singola persona 64 luce artificiale

Transitorio termico Le equazioni precedenti sono valide in regime stazionario. Prima approssimazione del transitorio termico: h= cofficiente diconvezione; ρ = densità c = calore specifico

Equazioni di stato: temperatura bilancio energetico Disturbi: v1 intensità radiazione solare [W]; Ingressi: u1 riscaldamento [W] v2 temperatura esterna [K]; u2 deumidificazione [gr/min] v3 umidità esterna percentuale [grH2O/gr aria]; v4 velocità del vento in [m/min]; tterreno temperatura suolo [K]. Equazioni di stato: temperatura bilancio energetico Termini non lineari

Equazioni di stato: umidità equilibrio della massa Uscite: temperatura e umidità di ogni stanza, con ritardo di misura Termini non lineari

Il controllo ottimo LQ La teoria del controllo ottimo con indice di costo quadratico permette di risolvere in modo efficiente il problema di sintesi del regolatore in sistemi multivariabili lineari, ma esso si presta anche al progetto di un sistema di retroazione per sistemi non lineari, come in questo caso, attorno ad un punto di equilibrio con lo scopo di garantire che le deviazioni da tale punto ideale restino piccole. Dato il sistema non lineare Calcolo del punto di equilibrio: Linearizzazione attorno al punto di equilibrio: con Minimizzare l’indice di costo:

Date R e Q il controllo ottimo si ottiene tramite la soluzione della equazione di Riccati ad orrizzzonte infinito: Scelta di Q ed R: αi , βi coefficienti di importanza relativa xi max . ui max campi di variabilità (ammissibili o prevedibili) Correzione feed-forward: misurati disturbi esterni di umidità e temperatura usato per compensare gli effetti dei disturbi a catena aperta:

Tipi di controllo applicati: ipotesi attuatore e sensore per ogni ambiente centralizzato controllore unico, riceve misure di tutti i sensori e calcola gli ingressi per gli attuatori; decentralizzato un controllore per ogni ambiente, temperatura e umidità delle stanze adiacenti non note; regionale edificio diviso in zone a cui si applica un controllore. Controllo centralizzato Deve essere disponibile intero modello, elevate dimensioni del modello; Sono disponibili tutte le misure; Controllori di dimensioni elevate; Difficile e costoso portare tutte le misure dei sensori in un unico punto di elaborazione; Problemi di affidabilità; Controllo decentralizzato Modello ridotto, più semplice; Controllori di struttura semplificata; Controllori indipendenti, meno sensibile ai guasti;

Controllo centralizzato Controllo decentralizzato Controllo regionale min W Gr H2O Gr/min min

Conclusioni Difficoltà nel trovare adeguati R e Q per il controllo regionale e decentralizzato; Maggiore sensibilità ai disturbi per i controlli regionale e decentralizzato, a causa del modello semplificato; Sviluppi futuri: applicazione di tecniche di controllo più avanzate, ad esempio controllo predittivo; simulazione su edifici di più grandi dimensioni.