COSTER T.E. S.p.A.

• REGOLAZIONE AUTOMATICA DEGLI IMPIANTI TERMICI

  • Introduzione

Durante il periodo di riscaldamento, la media aritmetica delle temperature dell'aria dei singoli ambienti degli edifici, non deve superare i seguenti valori:

a.           18° C + 2° C di tolleranza per gli edifici adibiti ad attività industriali ed artigianali ed assimilabili;

b.          20° C + 2° C di tolleranza per tutti gli altri edifici.
Esempio:
soggiorno = + 23°C
camera da letto = + 17°C
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
media aritmetica = + 20°C

Un ingiustificato aumento di temperatura comporta sprechi di energia e rilevanti costi economici, per ogni grado centigrado oltre i 20°C si ha un aumento dei consumi di circa il 7%.
Per conseguire sensibili risparmi energetici e' opportuno dotare l'impianto di riscaldamento di un sistema di termoregolazione pilotato da sonde di misura della temperatura ambiente dell'alloggio e dotato di programmatore che consenta la regolazione di questa temperatura almeno su due livelli nell'arco delle 24 ore. Inoltre per gli edifici o le porzioni di edificio che sono soggetti ad una occupazione discontinua nel corso della settimana o del mese, un programmatore settimanale o mensile che consenta lo spegnimento o il funzionamento a temperature inferiori del sistema di riscaldamento nei periodi di non occupazione offre la possibilità di notevoli risparmi.
Tali interventi, obbligatori nel caso di nuovi edifici o di ristrutturazioni di edifici e/o di impianti esistenti sono comunque un interessante investimento, poiché a fronte di una spesa contenuta si possono ottenere significativi risparmi di combustibile.
Al fine poi di non determinare il sovrariscaldamento nei singoli locali di un appartamento per effetto dell'irraggiamento solare o degli apporti aggiuntivi interni (stufa, cucina, ecc.), e' opportuna l'installazione di dispositivi per la regolazione automatica della temperatura ambiente nei singoli locali come le valvole termostatiche sui radiatori. Anche tale intervento consente di conseguire risparmi di combustibile, evitando gli sprechi conseguenti ai classici sistemi di "regolazione" della temperatura (apertura delle finestre).
   Per adeguare le prestazioni dell’impianto al fabbisogno effettivo, quindi per evitare gli sprechi,  il DPR 412/93 impone l’uso di sistemi di regolazione automatica per modulare la potenza termica erogata dagli scambiatori in funzione del carico termico come parte integrante dell’impianto.

   Il sistema fisico si sposta dal suo stato di equilibrio se vi sono dei flussi di energia in ingresso o in uscita.

EVENTI SPONTANEI:

1)

2)

   Il sistema tende a raggiungere l’equilibrio: nel primo caso il sistema si riscalda, nel secondo si raffredda. Di conseguenza l’impianto termico viene installato per rendere le condizioni ambientali tali da garantire il benessere degli utenti.

EVENTO FORZATO:

La regolazione consiste nell’agire su alcuni ingressi, detti controlli, quando una azione dovuta ad altri ingressi, detti perturbazioni, tende a squilibrare il sistema e ciò con lo scopo di opporsi alla variazione di alcune delle uscite, dette variabili controllate. La conoscenza dei valori desiderati per le uscite e avendo a disposizione informazioni sullo stato attuale del sistema, determina l’azione del regolatore sui controlli.

    L’impianto deve quindi modificare la quantità di energia prodotta (controllo) in funzione delle dispersioni.

 La regolazione si può riferire a due diversi schemi d’impianto, quello ad anello aperto e quello ad anello chiuso. Il primo si verifica quando la regolazione si basa su misure esterne di temperatura (regolazione climatica); in questo caso non si misura la variabile controllata, cioe' non c’e' la verifica del risultato raggiunto e tale sistema e' insensibile alle perturbazioni indotte dalle variazioni dei carichi interni. Se la variabile controllata viene invece misurata, siamo nel caso di schema ad anello chiuso, e detta variabile viene confrontata col valore prescritto (set-point); si valuta cioe' lo scarto tra la temperatura ambiente e quella prescritta, questo dato viene considerato dall’apparecchiatura di gestione che comanda il bruciatore di erogare la quantità di energia adatta alla situazione corrente (regolazione termostatica) per raggiungere le condizioni programmate.

• Generalità

   L’effetto che si ottiene, a seguito di una modifica del valore voluto (esempio: la temperatura ambiente = grandezza regolata), non e' mai immediato.

Questo comportamento e' determinato dalla “Costante di tempo”, cioe' dal tempo necessario per recuperare i 2/3 della variazione totale, (es. della temperatura ambiente). Lo stesso tempo (un’altra “Costante di tempo”) sarà necessario per recuperare i 2/3 del rimanente terzo della variazione totale e così via.

La Costante di tempo dipende dal materiale, dalla massa e dall’elemento usato per la misura di conseguenza essa e' specifica del modello di quel costruttore ed e' diversa, in genere, per i modelli di altri costruttori.

Ci sono sonde con Costante di tempo diverse e la loro scelta dipende dalla destinazione; per esempio sonde con Costante di tempo da 10...25 minuti per la misura della temperatura esterna dei regolatori climatici e simili sono usate perché tempi minori non servono (anzi possono essere fonti di instabilità di regolazione) in quanto le variazioni della temperatura esterna non influiscono immediatamente su quella degli ambienti.

Invece sonde con Costante di tempo da 5...10 secondi sono necessarie per la misura della temperatura dell’acqua sanitaria delle utenze perché  il sistema di regolazione e' critico poiché agiscono contemporaneamente variazioni di temperatura e di portata.

Per “tempo morto” si intende invece il tempo che intercorre dal momento in cui si verifica la variazione a quello dell’inizio della misura (intervento del sistema di regolazione).

Il sistema di regolazione in un impianto deve garantire che la risposta ad una variazione della grandezza controllata abbia, durante il transitorio, delle minime oscillazioni di valori e che successivamente venga ripristinato il valore voluto (W).

Poiché le difficoltà degli impianti da controllare sono fisse (costante di tempo “ts”, grado di difficoltà ”l“ e rapporto di trasmissione“Ks”) non rimane altro che adottare regolatori con comportamento di regolazione adatto, scegliere sonde di misura con costanti di tempo idonee all’impianto in esame e ubicarle in modo da misurare esattamente la grandezza da controllare.

I comportamenti di regolazione tradizionali sono:

– comportamento proporzionale (P)

– comportamento integrale (I)

– comportamento proporzionale/integrale (PI)

– comportamento derivativo (D)

– comportamento proporzionale/derivativo (PD)

– comportamento proporzionale/integrale/derivativo (PID)

Tra questi quelli che trovano impiego nella regolazione degli impianti tecnologici sono : P - PI.

Comportamento proporzionale (P):

L’attuatore (valvola motorizzata, servomotore per serrande, ecc.) assume posizioni proporzionali allo scostamento della grandezza dal valore voluto (W).

Di conseguenza il segnale di comando (Y) di un regolatore proporzionale dipende, nel campo della banda proporzionale, solo dal valore dello scostamento (Wx) della grandezza regolata dal valore voluto (W), equivale a dire che il comando e' direttamente proporzionale all'ampiezza dello scostamento.

    La Banda Proporzionale (Bp) rappresenta il campo di variazione della grandezza regolata affinche' l’attuatore effettui l’intera corsa da aperto a chiuso e viceversa.

Nel campo della banda proporzionale (campo di reazione del regolatore) ad ogni posizione dell'attuatore corrisponde un solo valore, quindi facilmente individuabile, della grandezza regolata (temperatura, umidità, ecc.)

  In figura c’e' la rappresentazione di un regolatore con banda proporzionale di ±1 °C (Bp = 2 °C totali). Il valore voluto (W= 20 °C) corrisponde solo alla posizione del 50% (metà corsa) dell’attuatore, a 21°C l’impianto si spegne.

Bisogna sempre considerare un DW_x (DW_x=X-W, cioe' valore misurato - valore voluto) che rappresenta lo “scostamento permanente di regolazione”. Minore e' il DW_x, migliore e' la risposta del regolatore perché lo spostamento del W e' minore. Inoltre la risposta del regolatore non avviene per ogni minima variazione della grandezza regolata, ma esso ha una certa sensibilità detta appunto “sensibilità” del regolatore (K) che e' la variazione minima affinché l’otturatore dia una risposta.

Il regolatore proporzionale:

– e' sollecito nel rispondere alle modifiche delle grandezze controllate o del valore voluto

– e' di semplice impiego, l’unico parametro da impostare infatti e' la Bp

– regola ai diversi valori della Bp impostata = scostamento permanente, solo in una condizione di funzionamento (posizione della valvola) corrisponde al valore voluto

– per ridurre l’entità dello scostamento permanente si deve diminuire la Bp, tuttavia Bp eccessivamente piccole possono trasformare, al limite, la regolazione modulante proporzionale in una a 2 posizioni (On-Off).

    Per le sue peculiarità il regolatore proporzionale e' utilizzato:

– in impianti in cui la grandezza regolata non e' soggetta a continue e repentine variazioni (carico instabile nel tempo)

– in impianti in cui e' accettabile un funzionamento, in certe condizioni, a valori diversi da quello voluto (scostamento permanente).

– in impianti con volumi importanti (accumulatori) o a portate costanti.

Comportamento integrale (I):

L’azione integrale agisce sull’attuatore con velocità proporzionale all’entità dello scostamento della grandezza dal valore voluto, non esiste un rapporto diretto tra lo scostamento e la posizione dell’attuatore, come nel caso dell’azione proporzionale.

Il rapporto tra la velocità dell’attuatore e lo scostamento (es. 1 mm/ minuto per 0,1 °C) e' definito rapporto di integrazione Ki.

Il comportamento integrale dà luogo ad un segnale di comando (Y) per il tempo che esiste lo scostamento e diminuisce progressivamente fino ad annullarsi quando viene raggiunto il valore voluto. L’attuatore, se non viene annullato lo scostamento, continua nel tempo a funzionare fino a uno degli estremi della sua corsa.

Nel nostro campo di attività il regolatore esclusivamente integrale non trova impiego, essendo destinato alla regolazione di impianti a risposta rapida e senza inerzia e con variazioni lente del carico.

Viceversa l’azione integrale unita alla proporzionale dà luogo ad un regolatore di comune impiego.

Regolatori proporzionali integrali (PI):

I regolatori (PI) utilizzano i vantaggi rappresentati dalla pronta risposta del regolatore proporzionale, in funzione del valore dello scostamento, con l’indipendenza dal carico del regolatore integrale.

In presenza di una variazione della grandezza regolata:

– interviene subito l’azione proporzionale, il cui segnale di comando modifica la posizione dell’attuatore in base al valore dello scostamento e della banda proporzionale impostata.

– terminata l’azione proporzionale, agisce quella integrale la quale produce un segnale di comando, ripetendo nel tempo (Tn) la correzione effettuata dal proporzionale per annullare lo scostamento permanente dal valore voluto lasciato dall’azione proporzionale. L'azione integrale termina al raggiungimento del valore voluto (prescritto).

Il tempo integrale Tn e' il tempo che necessita all’azione integrale per ripetere un segnale di comando dello stesso valore di quello effettuato immediatamente dall’azione proporzionale.

    Sull’impianto il comportamento del regolatore PI ad una variazione della grandezza regolata e' riconoscibile dal primo segnale di comando continuo nel tempo (azione proporzionale) e da successivi impulsi di comando di durata progressivamente in diminuzione intervallati da pause di durata progressivamente in aumento (azione integrale) con il diminuire dello scostamento residuo dal valore voluto.

Quindi nei regolatori PI due sono i parametri che interessano il funzionamento : Bp (banda proporzionale) e Tn (tempo integrale).

Questi parametri possono essere a valori fissi o regolabili.

– fissi: definiti dal costruttore come in genere e' per i regolatori climatici del riscaldamento

– regolabili: nei regolatori destinati agli impianti di condizionamento, termoventilazione, ecc.

• Considerazioni

– con Bp e Tn minori di quelle ottimali si ha una regolazione instabile: segnale di comando a seguito di uno scostamento di durata eccessiva

– con Bp piccola, il regolatore opera come fosse a solo comportamento integrale, cioe' diventa lungo il tempo necessario per annullare lo scostamento permanente tipico della componente proporzionale (manca in pratica il segnale iniziale di comando continuo corrispondente alla P)

– con Tn grande, il regolatore tende a comportarsi solo come proporzionale (lo scostamento permanente viene corretto in un tempo eccessivamente lungo)

Comportamento derivativo (D):

La componente derivativa produce un segnale di comando in base alla velocità e solo nel momento in cui si verifica uno scostamento della grandezza regolata dal valore voluto. Di conseguenza l’azione derivativa non e' attiva quando non esiste una variazione della misura indipendentemente che la stessa sia costante nel tempo ad un valore diverso da quello voluto.

In definitiva la sua azione si può intendere come un anticipo del segnale di comando utile a neutralizzare il tempo morto ma non in grado di annullare lo scostamento della misura.

Vantaggio: quando il tempo morto e' minore di quello di risposta del sistema controllato, costante di tempo che recupera il 63,2% della totale variazione della grandezza.

E’ inutile con tempo morto ≥ a quello della risposta del sistema e se la grandezza subisce variazioni modeste nel tempo.

Il tempo derivativo (Tv), espresso in °C / s, e' il tempo in cui in pratica dura  l’azione.

    Poiché nelle situazioni di “equilibrio” dell’impianto l’azione derivativa e' inattiva (non essendo presenti variazioni) risulta che i regolatori a comportamento derivativo non sono impiegabili nella regolazione degli impianti. Viceversa la funzione derivativa in aggiunta al comportamento P e PI e' determinante nella regolazione degli impianti con lunghi tempi morti.

Nota : Il comportamento PD non viene esaminato in quanto non ha alcuna applicazione nella regolazione degli impianti tecnologici.

Comportamento proporzionale/integrale/derivativo (PID):

I regolatori PID utilizzano tutte e tre le azioni formando un segnale di comando in base alla velocità (D) dello scostamento, della sua ampiezza (P) che continua nel tempo (I) fino all'annullamento dello scostamento.