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Robustezza ed adattatività per migliorare l'efficienza energetica degli edifici

Esistono normative per l’efficienza energetica degli edifici: la classe energetica è importante -> vincoli sui coefficienti di scambio termico
I materiali utilizzabili sono tutti normati e ben documentati -> informazioni anche sulle capacità termiche
Esistono anche linee guida e normativa per il dimensionamento degli impianti elettrici e termici degli edifici -> informazioni sulla potenza termica erogabile e sui vincoli operativi (ad esempio temperature min/max del fluido termovettore)
Esistono anche informazioni sulla strumentazione elettronica (ad es, errore o rumore di un sensore)

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Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
SAVE ottobre 2016 Smart Building o Building 4.0?

Pubblicato
da Alessia De Giosa
SAVE 2016Segui aziendaSegui




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Estratto del testo
Veronafiere 19-20 ottobre 2016 Gli atti dei convegni e più di 7.000 contenuti su www.verticale.net Cogenerazione Termotecnica Industriale Pompe di Calore 27 ottobre Cogenerazione Termotecnica Industriale Pompe di Calore Alimentare Alimentare Petrolchimico Alimentare 28 ottobre Alimentare Petrolchimico Alimentare Alimentare Petrolchimico Visione e Tracciabilità 28 ottobre Luce Energia Domotica LED Luce Energia Domotica LED Ferrarini L. Distributed Automatic Systems Laboratory ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI L. Ferrarini, A.Petretti, S. Rastegarpour Verona, 20 ottobre 2016 Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI Indice 2 ' Introduzione e Obiettivi ' Modello del Sistema: clusterizzazione ' Verifiche di robustezza ' Tecniche di controllo adattativo ' Conclusioni
Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI Indice 3 Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 ' Introduzione e Obiettivi ' Modello del Sistema: clusterizzazione ' Verifiche di robustezza ' Tecniche di controllo adattativo ' Conclusioni
Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 4 Introduzione '' Descrizione del contesto ' Controllo della temperatura di un edificio residenziale climatizzato con pannelli radianti a pavimento:  Edifici molto eterogenei tra loro, ampia variabilità sul valore dei parametri fisici  Difficoltà nella stima dei parametri fisici del modello  Difficoltà nel a taratura dei parametri del regolatore

Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 5 Introduzione '' Obiettivi del lavoro Introduction ' Obiettivi  Progettare un controllore unico che vada bene per ogni possibile soluzione abitativa'
 O almeno rendere più semplice la taratura e installazione di regolatori con buone prestazioni
 Valutare l''impatto delle incertezze del sistema
 Garantire il comfort ed efficienza al ''utente

Modello del Sistema Conclusioni Introduzione Adattatività Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI Indice 6 Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 ' Introduzione e Obiettivi ' Modello del Sistema: clusterizzazione ' Verifiche di robustezza ' Tecniche di controllo adattativo ' Conclusioni
Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 7 Modello del Sistema Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza  Model o del a zona scaldata Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 8  Variabili di stato: o Temperatura della zona ''''''[°𝐶𝐶] o Temperatura delle pareti ''''''[°𝐶𝐶] o Temperatura del pavimento ''''''[°𝐶𝐶] o Temperatura del circuito radiante (acqua e tubo) ''''''''[°𝐶𝐶]  Ingressi: o Temperatura esterna ''''''''''''[°𝐶𝐶] o Guadagni interni '''''''''''''' ''''''''''''''''''['''']  Variabili manipolabili: o Temperatura di mandata del circuito radiante ''''''''[°𝐶𝐶] Modello del Sistema Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 9 ' Parametri del modello delle PARETI: o 𝐶𝐶'': capacità termica delle pareti [J/K] o '''''''''''''''': coefficiente di scambio termico esterno delle pareti [W/K] o '''''''''': coefficiente di scambio termico interno delle pareti [W/K] Modello del Sistema ' Parametri del modello della TEMPERATURA di ZONA: o 𝐶𝐶'': capacità termica della zona [J/K] o '''''''''': coefficiente di scambio termico esterno delle pareti [W/K] o '''''''''''': coefficiente di scambio termico degli infissi [W/K] o '''''''''''''': coefficiente di scambio termico del pavimento [W/K] Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 10 ' Parametri del modello del PAVIMENTO: o '''''''''''''': coefficiente di scambio termico del pavimento [W/K] o 𝐶𝐶'': capacità termica del pavimento [J/K] o 𝐴𝐴'': perimetro esterno del tubo [m] o ''''1: conducibilità termica del tubo [W/mK] o 𝐴𝐴𝐴𝐴: sezione del tubo [m2] o 𝐿𝐿: lunghezza del circuito [m] o '''': velocità dell''acqua [m/s] o '''': densità dell''acqua [Kg/ m3]


Modello del Sistema ' Parametri del modello del CIRCUITO RADIANTE: o 𝐶𝐶'''''''': capacità termica dell''acqua nel circuito [J/K] o 𝐶𝐶'''''''''''': calore specifico dell''acqua [J/kgK] o '': portata d''acqua nel circuito [kg/s] o 𝐴𝐴'': perimetro esterno del tubo [m] o 𝐿𝐿: lunghezza del circuito [m]
Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 11 Modello del Sistema ' I parametri sono dunque molteplici! ' Un''attenta analisi però mostra che: o Esistono normative per l''efficienza energetica degli edifici: la classe energetica è importante -> vincoli sui coefficienti di scambio termico
o I materiali utilizzabili sono tutti normati e ben documentati -> informazioni anche sulle capacità termiche
o Esistono anche linee guida e normativa per il dimensionamento degli impianti elettrici e termici degli edifici -> informazioni sulla potenza termica erogabile e sui vincoli operativi (ad esempio temperature min/max del fluido termovettore)
o Esistono anche informazioni sulla strumentazione elettronica (ad es, errore o rumore di un sensore)


Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 12 Modello del Sistema ' Conclusioni o La variazione dei parametri fisici ed operativi è «contenuta»
o La combinazione dei parametri fisici lo è ancora di più ' Proposta o Identificazione di gruppi di edifici con caratteristiche simili dal punto di vista del controllo
o Cioè clusterizzazione delle tipologie di edifici

Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI Indice 13 Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 ' Introduzione e Obiettivi ' Modello del Sistema: clusterizzazione ' Verifiche di robustezza ' Tecniche di controllo adattativo ' Conclusioni
Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 14 Schema di controllo della stanza singola + + 𝐻𝐻('') 𝐺𝐺�('') 21 - + + + + R(s) 21 22 Schema di controllo del singolo volume '''''''''' '''''''''''' ''''''''''''_'''''''' = 1.5 ''''''_'''''''' = 21 '''''' '''''''' '''''''''''''' - + ''''('') Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 15 Prove di robustezza PID: STESSO cluster PROVE DI ROBUSTEZZA PID: PRESTAZIONI NOMINALI E CONFRONTO NEL CLUSTER Prestazioni del regolatore Cluster X applicato ad edificio ''medio' Cluster X Prestazioni del regolatore (Cluster X) per generico edificio Cluster X (Upav -50%, Cppav +20%, Cpwall +50%) Risposta della temperatura di zona ad una variazione a scalino del set-point con Temperatura esterna = 12.5°C Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 16 Prove di robustezza PID: DIVERSO cluster PROVE DI ROBUSTEZZA PID: VERIFICA DELLE PRESTAZIONI FUORI DAL CLUSTER Prestazioni del regolatore Cluster X applicato ad edificio generico Cluster Y (SCONTRO CON I LIMITI DI SATURAZIONE) Prestazioni del regolatore Cluster X applicato ad edificio generico Cluster Z (SOVRAELONGAZIONE) Risposta della temperatura di zona ad una variazione a scalino del set-point con Temperatura esterna = 12.5°C DEGRADO DELLE PRESTAZIONI, ATTENZIONE ALLA SELEZIONE DEL CLUSTER! Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 17 Prove di robustezza compensatore + + 𝐻𝐻('') 𝐺𝐺�('') 21 - + + + + R(s) 21 22 Schema di controllo del singolo volume '''''''''' '''''''''''' ''''''''''''_'''''''' = 1.5 ''''''_'''''''' = 21 '''''' '''''''' '''''''''''''' - + ''''('') Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI Prove di robustezza compensatore: STESSO cluster 15 PROVE DI ROBUSTEZZA COMPENSATORE: PRESTAZIONI NOMINALI E CONFRONTO NEL CLUSTER Prestazioni del regolatore + compensatore Cluster X applicato ad edificio ''medio' Cluster X Prestazioni del regolatore + compensatore (Cluster X) per generico edificio Cluster X (Upav -50%, Cppav +20%, Cpwall +50%) Risposta della temperatura di zona ad una variazione a scalino del set-point con Temperatura esterna sinusoidale (ampiezza 5°C, media 5°C, periodo 24h) Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI Prove di robustezza compensatore: STESSO cluster 15 PROVE DI ROBUSTEZZA COMPENSATORE: PRESTAZIONI NOMINALI E CONFRONTO NEL CLUSTER In anello aperto si notano meglio le differenze tra compensatore vecchio (1) e nuovo (2). In anello chiuso tali differenze vengono ulteriormente RIDOTTE (vedi fig. precedenti)! Risposta della temperatura di zona ad una variazione a scalino del set-point con Temperatura esterna sinusoidale (ampiezza 5°C, media 5°C, periodo 24h) Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI Prove di robustezza compensatore: DIVERSO cluster 15 PROVE DI ROBUSTEZZA COMPENSATORE: VERIFICA DELLE PRESTAZIONI FUORI DAL CLUSTER Prestazioni del regolatore + compensatore Cluster X applicato ad edificio generico Cluster Y Prestazioni del regolatore + compensatore Cluster X applicato ad edificio generico Cluster Z Risposta della temperatura di zona ad una variazione a scalino del set-point con Temperatura esterna sinusoidale (ampiezza 5°C, media 5°C, periodo 24h) DEGRADO DELLE PRESTAZIONI, ATTENZIONE ALLA SELEZIONE DEL CLUSTER! Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI Indice 21 Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 ' Introduzione e Obiettivi ' Modello del Sistema ' Verifiche di robustezza ' Tecniche di controllo adattativo ' Conclusioni
Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI CONTROLLO ADATTATIVO Stima del modello del sistema e aggiornamento dei parametri del regolatore: Edificio Regolatore PID Calcolo nuovi parametri PID '' Tm Identificazione modello Stima del modello Tempo Scelta del regolatore sulla base del Cluster Stima del modello dell''edificio applicando il regolatore scelto in base al Cluster Nuova taratura regolatore Applicazione nuovo regolatore Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Tecniche di controllo adattativo Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI CONTROLLO ADATTATIVO Risposta della temperatura di zona ad una variazione a scalino del set-point: 0 50 100 150 Time 0 5 10 15 20 25 Temperature Zone temperature before adaptation 0 50 100 150 Time 0 5 10 15 20 25 Temperature Zone temperature after adaptation Prestazioni del regolatore Cluster X su edificio (variazione casuale di dimensioni e parametri fisici) Prestazioni del nuovo regolatore dopo procedura adattativa con una raccolta dati di 24 in assenza di disturbi Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Tecniche di controllo adattativo Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI CONTROLLO ADATTATIVO Bisogna verificare l''impatto dei disturbi durante l''apprendimento, e sintetizzare la loro reiezione Risposta della temperatura di zona ad una variazione a scalino del set-point con diversi
intervalli di raccolta dati e prova con disturbo di Text: 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time 0 5 10 15 20 25 Temperature Zone temperature after adaptation 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time 0 5 10 15 20 25 Temperature Zone temperature after adaptation One day data collection 12 hours data collection 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time 0 5 10 15 20 25 Temperature Zone temperature after adaptation 6 hours data collection Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Tecniche di controllo adattativo Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI Indice 25 Hardware di base Architettura OS & Funz. Conclusioni Introduzione IEC61131 ' Introduzione e Obiettivi ' Modello del Sistema: clusterizzazione ' Verifiche di robustezza ' Tecniche di controllo adattativo ' Conclusioni
Ferrarini L. ROBUSTEZZA ED ADATTATIVIT' PER MIGLIORARE L'EFFICIENZA ENERGETICA DEGLI EDIFICI 26 ' Stabilito un framework, basato su simulazione e analisi dinamica per l''analisi di robustezza di sistemi di controllo temperatura di edifici climatizzati a pannelli radianti ' Verificate prestazioni in varie condizioni operative e incertezze
' Iniziale verifica che il controllo adattativo in presenza di notevole incertezza sui parametri e disturbi è percorribile
Da fare
' Identificare con precisione algoritmi di controllo adattativo in anel o chiuso, robusti a variazioni parametriche e a disturbi variabili nel tempo ' Taratura ottima di regolatori predittivi (MPC)




Introduction Modello del Sistema Adattatività Conclusioni Introduzione Robustezza Conclusioni Fatto

Document Outline

Diapositiva numero 1 Indice Indice Introduzione '' Descrizione del contesto Introduzione '' Obiettivi del lavoro Indice Modello del Sistema Modello del Sistema Modello del Sistema Modello del Sistema Modello del Sistema Modello del Sistema Indice Schema di controllo della stanza singola Prove di robustezza PID: STESSO cluster Prove di robustezza PID: DIVERSO cluster Prove di robustezza compensatore Prove di robustezza compensatore: STESSO cluster Prove di robustezza compensatore: STESSO cluster Prove di robustezza compensatore: DIVERSO cluster Indice Diapositiva numero 22 Diapositiva numero 23 Diapositiva numero 24 Indice Conclusioni


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