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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
Luca FERRARINI. Efficienza energetica ed efficienza produttiva, l’automazione come denominatore comune
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)
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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Il comportamento del sistema progettato
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As Is
Nuovo
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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
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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
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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.
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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$
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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