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Efficienza energetica ed efficienza produttiva, l’automazione come denominatore comune

Politecnico di Milano Dipartimento di Elettronica e Informazione

Milano, 29 novembre 2011

LUCA FERRARINI

Luca FERRARINI. Efficienza energetica ed efficienza produttiva, l’automazione come denominatore comune

Sommario

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•  Introduzione

•  Automazione ed efficienza energetica

•  Il caso di un condominio (progetto Energetica Mente)

•  Il caso di un agriturismo (progetto Enertec)

•  Azioni concrete per il prossimo futuro

•  Conclusioni


Automazione & Efficienza energetica

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Efficienza energetica: •  sostituzione componenti obsoleti o inefficienti •  modifica dei comportamenti umani •  acquisto energia a prezzi vantaggiosi •  auto-produzione energia con sistemi innovativi e/o efficienti •  modifica dei processi o impianti produttivi

Automazione: •  realizza sistemi per la conduzione automatica di impianti e macchine attraverso:

•  Misura •  Decisione (controllo) •  Attuazione

•  abilita manutenzione e diagnostica •  finalità aggiuntive:

•  flessibilità (es: produzione) •  adattamento (es: disponibilità

di risorse) •  sicurezza (es: funzionale) •  ottimizzazione (es: tempi)


Automazione & Efficienza energetica Il caso degli edifici

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Tecniche “passive”: •  Isolamento termico •  Sostituzione serramenti •  Schermature solari •  Installazione generatori ad alta efficienza

Tecniche “attive”: •  Controllo differenziato delle temperature •  Monitoraggio dei consumi energetici •  Gestione integrata dell’energia (generazione e consumo) •  Ottimizzazione del consumo dei generatori

Fonti

Rinnovabili

•  Il risparmio energetico si raggiunge tramite una combinazioni di tecniche complementari

•  Il controllo dei flussi energetici permette una razionalizzazione del consumo e un aumento del risparmio.

Automazione & Efficienza energetica Il caso degli edifici


Il progetto Energetica Mente

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►  Obiettivo:

realizzare un sistema automatizzato per il monitoraggio, la gestione e il controllo efficiente di impianti di climatizzazione centralizzati negli edifici ad uso commerciale e abitativo


Approccio sistemico integrato

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Per aumentare l’efficienza di un sistema di climatizzazione è necessario un approccio sistemico che integri: desideri degli utenti, condizioni climatiche esterne, capacità del sistema edificio-impianto.

Richieste degli utenti

Condizioni climatiche

Conoscenza del sistema “edificio-impianto”

Efficienza energetica


Modelli di simulazione di sistemi edificio – impianto

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Gli strumenti di simulazione dinamica consentono di verificare il comportamento del sistema edificio-impianto a fronte di differenti azioni di controllo.


Il progetto pilota

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►  Edificio sito ad Ivrea (TO)   Due numeri civici   sei piani climatizzati   21 unità immobiliari   Volume lordo 7.081 m3

  Superficie disperdente lorda 2.804 m2   Superficie utile 1.879 m2

►  Analisi effettuate   Analisi preliminari   Modellizzazione del sistema   Progettazione degli interventi di efficientamento   Implementazione del sistema di controllo

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  Caldaia a condensazione da 240 kW   Sistema di distribuzione a colonne montanti   Separatore idraulico   Pompe di ricircolo   Radiatori a colonne

Il sistema termico considerato

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►  Variabili esogene   Profili di temperatura richiesta dagli utenti   Temperatura esterna

►  Fenomeni principali   Generazione e distribuzione del calore   Edificio con corpi opachi e trasparenti   Accumulo calore nelle singole stanze   Scambi di calore stanza-stanza e stanza-esterno

Variabili esogene e fenomeni principali


Centrale termica e pompe di circolazione

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Caldaia a Condensazione (Riello Alu Pro 240)

Separatore Idraulico

Pompa Primario (Wilo TOP-S)

Pompa Secondario (Wilo Stratos 65/1-12)

Montanti distribuzione

Sonda Temperatura esterna

wprim=costante Wsec=variabile


Il comportamento del sistema progettato

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As Is

Nuovo


Il comportamento del sistema progettato

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Gennaio +12,85% Novembre +14,54% Marzo +14,83%

►  Risparmio ottenibile compreso tra 12 e 15%

Novembre Gennaio

Premiato da Legambiente e Regione Lombardia col “Premio innovazione amica dell’ambiente 2006”

Bioagriturismo Vojon – Ponti sul Mincio (MN)

PdC

Idroniche

PdC

Geotermica

Caldaia a Biomassa

Solare termico

Sonde

Geotermiche

Falda

Fan-coil

Pannelli radianti a pavimento

Accumulatore Termico

Separatore Idraulico

Hotel Energy System

House Energy System

Il sistema energetico dell’agriturismo

Hotel Energy System

House Energy System

Il sistema energetico dell’agriturismo

MATLAB/Simulink®

Ambiente di sviluppo

device controllers

plant controller

User Plant

Il sistema di controllo

45

40

35

30

25

50

45

40

35

30

25

50 Prelievo di energia termica

da parte del carico di durata 1h

Cattiva gestione dell’impianto: impossibile

asservire eventuali nuovi prelievi di

energia No Ctrl Comfort ECO

No Ctrl Comfort ECO

Sistema NON CONTROLLATO

Sistema CONTROLLATO Modalità COMFORT

Sistema CONTROLLATO Modalità ECO

Consumo: +2% Totale reiezione dei disturbi

Possibili perdite di Comfort

Consumo: -3% Totale reiezione dei disturbi

Reiezione dei disturbi dal carico termico – caso reale

02:00 05:00 08:00 11:00 14:00 17:00 20:00 23:00

Controllo in temperatura dell’accumulatore

Consumi = - 32.7% (worst case)

Decremento set-point temperatura in periodo di basso prelievo Incremento set-point temperatura in caso di prelievo

02:00 05:00 08:00 11:00 14:00 17:00 20:00 23:00

Controllo in temperatura dell’accumulatore

Il punto di partenza è l’informazione

La roadmap di riferimento

Audit / Diagnosi

Energetica

Realizzazione Monitoraggio

Definizione Baseline

Interventi miglioramento energetico

Misura e verifica

  Audit energetico: Raccolta dati di consumo, sopralluoghi, analisi situazione energetica e identificazione aree di miglioramento

  Realizzazione monitoraggio: Definizione EPI energetici, realizzazione infrastruttura di monitoraggio, attivazione “Virtual Energy Manager” per la presentazione sintetica delle informazioni energetiche

  Definizione baseline: Analisi dei dati per definire la situazione di consumo “ex-ante”, analisi di dettaglio delle opportunità di risparmio

  Interventi di miglioramento energetico: Vengono effettuati gli interventi di miglioramento secondo l’ordine pianificato

  Misura e verifica: Misura delle prestazioni “ex-post” e confronto con la baseline per valutare i miglioramenti ottenuti

Gli interventi di miglioramento devono essere mirati

Investimento

Ris

parm

io

Acquisto dell’energia Auto generazione

Processi e comportamenti Apparecchiature e impianti

Payback lunghi: 4-8 anni co-tri-generazione 6-11 anni rinnovabili Risparmi contenuti: 10-20% Leve: Co-Tri-generazione, Fotovoltaico, Solare, Eolico

Payback medi: 2-4 anni Risparmi elevati: anche >30% Leve: interventi involucro edilizio, impianti energia ad elevata efficienza, tecnologie a basso consumo nelle apparecchiature

Payback brevi: max 2 anni Risparmi medio-alti: 20-25% Leve: Sensibilizzazione personale, ottimizzazione processi, sensoristica e automazione

Payback immediato Risparmi contenuti: <10% Leve: Profilazione consumi, negoziazione sul libero mercato, gruppi di acquisto

Il sistema di gestione energia UNI-EN 16001

►  Standard per migliorare l’efficienza energetica in azienda;

►  Consente di definire politiche, processi, strumenti, metodologie, procedure per la gestione ottimale dell’energia;

►  Basato sull’approccio plan-do-check-act;

►  La corretta adozione di tale standard viene certificato da ente terzo;

►  Vantaggi   risultati migliori e verificabili;   comunicazione al mercato;   maggiore valore aziendale.

Politica energetica

Pianificazione

Realizzazione ed esercizio

Verifica

Monito-raggio

e misura

Audit interno

Mana-gement review


Conclusioni

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  L’efficienza energetica si ottiene attraverso numerose strade e tecnologie differenti

  L’automazione può contribuire significativamente all’efficienza energetica, tramite:  L’adozione di tecnologie mature e componenti adeguati  Un approccio sistemico al problema  Soluzioni integrate (ad es, controllo termico ed elettrico,

ottimizzazione produzione/consumo/accumulo, ecc.)   Integrazione con altre funzioni (sicurezza, affidabilità, ecc.)

  Le tecniche dell’Automazione Industriale sono direttamente applicabili in ambito domestico (singola casa, condomini, quartieri), terziario (centri commerciali, uffici, banche, ospedali), industriale.


Conclusioni

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Lʼautomazione industriale ha dato una mano significativa a fare un passo verso un futuro un po' più sostenibile, $almeno energeticamente...$

… ma la strada da percorrere è ancora un poʼ in salita$


Contatti

Prof. Luca Ferrarini [email protected]

02 2399 3672

Grazie per l’attenzione

Politecnico di Milano Dipartimento di Elettronica e Informazione

www.polimi.it, www.dei.polimi.it

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