Gio, 7 Novembre 2019

Gestione di un impianto di ventilazione con controllo carichi per un business center

Il Contesto Applicativo

Il Warsaw Business Center, situato nel centro storico di Varsavia, in Polonia, sorge sul recupero di un edificio di metà novecento precedentemente adibito ad uffici amministrativi statali. Composto da più blocchi, è oggi sede di start up e distaccamenti di aziende internazionali.

Le Richieste della Committenza

L’edificio costruito tra gli anni ‘40 e ‘50 è stato recentemente oggetto di un ammodernamento degli impianti tra cui quello di ventilazione. L’esigenza era di poter gestire ogni ala dell’edificio in maniera autonoma, monitorando i livelli di qualità dell’aria e prevenire dei picchi di consumo elettrico dovuto al funzionamento contemporaneo della ventilazione in più zone.

Le Soluzioni Ekinex
Il controllo e monitoraggio dell’impianto di ventilazione e dei carichi energetici è stato affidato al PLC EK-IA1-TP di Ekinex.
Ogni zona dell’edificio è stata dotata di un estrattore/aspiratore comandato da inverter, e di un rilevatore di CO2 che misura la qualità dell'aria; se la concentrazione di CO2 supera un valore di soglia S1, l'impianto di ventilazione deve essere attivato. Per prevenire quanto possibile il picco di consumo elettrico dovuto al funzionamento contemporaneo della ventilazione di più zone, si è stabilito - se il consumo complessivo è inferiore ad un determinato livello di potenza - di anticipare l'intervento del ventilatore a una pre-soglia S2 (per cui la qualità dell'aria è però considerata ancora adeguata). In questo modo, si evita di raggiungere la condizione in cui l'intervento della ventilazione è indispensabile, sfruttando i periodi di minore consumo per abbassare preventivamente il livello di CO2. In aggiunta, se la richiesta di "pre-ventilazione" non è soddisfatta entro un periodo di 30 minuti (o la concentrazione di CO2 raggiunge la soglia limite superiore), la ventilazione viene comunque avviata rinunciando alla limitazione dei consumi.
 
In pratica, lo schema di attivazione si può riassumere con queste regole (detta C la concentrazione di CO2):
 
  • se C è inferiore a S2, il ventilatore è spento;
  • se C supera S2, e la potenza complessiva è inferiore a Pmax, la ventilazione viene avviata;
  • se C si mantiene sopra S2, ma la potenza complessiva continua ad essere superiore a Pmax, passati 30 minuti la ventilazione viene comunque avviata;
  • in ogni caso, a prescindere dai consumi, se C supera S1 la ventilazione viene avviata.
Per il calcolo del consumo complessivo, ad ogni ventilatore è associato un valore corrispondente di potenza elettrica, che per semplicità consideriamo fisso; in realtà tale valore viene rilevato da un analizzatore di carico. Per aggiungere un grado di complessità al meccanismo, supponiamo che ciascuna delle zone sia dotata di un sensore di temperatura interna , e di avere a disposizione un sensore di temperatura esterna: vorremmo fare sì che, se il differenziale di temperatura interna/esterna fosse troppo elevato (maggiore ad es. di 20°C), il ventilatore funzionasse a regime ridotto, per evitare il sovraccarico degli impianti di riscaldamento (o raffrescamento).
 
Di seguito viene esposta in maniera semplificata l’implementazione del sistema per la sola gestione della ventilazione sulla base dei livelli di CO2 rilevati e del controllo dei carichi. Nella realtà l’impianto ha considerato altri fattori quali quelli normativi che prevedono di adeguare la ventilazione al numero di persone presenti nell’edificio e altre variabili. Iniziamo col formulare il calcolo della potenza impiegata dai ventilatori attualmente in funzione (ipotizziamo 3 zone per non appesantire le figure):


 
 

Consideriamo ora una zona campione (nell'esempio la zona n.1). Verifichiamo il primo criterio, ossia se la concentrazione nella zona superi la soglia preventiva:
 
 
 

Se l'intervento del ventilatore è richiesto, calcoliamo il consumo previsto attivando anche la ventilazione di quella zona:

 
 

Notare come, nel calcolo precedente, vada considerato se la zona è già attiva. In questo caso, il consumo totale include già quello della zona stessa, e quindi il consumo "previsto" è già quello attuale e quello della zona non va aggiunto una seconda volta.
Completiamo quindi la verifica di tutti i criteri, ossia:
 
  • se il consumo, attivando la ventilazione della zona, non superi il livello desiderato;
  • se non vi sia una richiesta pendente da più di 30 minuti;
  • soprattutto, se non sia superata la soglia massima tollerabile di CO2.

 

Il verificarsi di una qualsiasi delle condizioni sopra forza l'entrata in funzione del ventilatore:

 
 

Esaminiamo ora le ulteriori condizioni dell'impianto. Innanzitutto calcoliamo il differenziale di temperatura interno / esterno, e verifichiamo che non sia superiore al limite prescelto (nel qual caso limiteremo il regime del ventilatore):

 
 

Da notare che il meccanismo deve funzionare nello stesso modo in caso di aria esterna sia più fredda, che più calda.
Generiamo quindi il riferimento di pilotaggio del ventilatore in funzione della condizione precedente:


 

L'implementazione del nostro modello è così completa. Ovviamente, pur rimanendo nell'ambito della semplificazione, avremmo potuto rendere la logica ancora più completa (ad esempio considerando che, quando un ventilatore funziona a regime ridotto, il valore del suo consumo previsto deve essere diverso, oppure modulando il regime di funzionamento in maniera proporzionale alla differenza di temperatura). Questi raffinamenti sono senz'altro possibili con relativa facilità, ma sarebbero stati superflui rispetto allo scopo principale di questa trattazione, che è quello di dimostrare come l'utilizzo del PLC permette di implementare facilmente anche meccanismi apparentemente complessi o articolati, molto difficili da realizzare con le sole funzioni integrate nei singoli dispositivi.

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