La Logica di Funzionamento
Una costruzione ad alta efficienza energetica che utilizzi una strategia che integra dispositivi passivi ed attivi per ottimizzare i livelli di comfort e minimizzare i consumi deve necessariamente avere una gestione molto attenta.
Gli aspetti da controllare per assicurarsi le condizioni di comfort all’interno dell’edificio sono molteplici, li possiamo suddividere in questo modo:
-Temperatura
- Luce
- Umidità dell’aria
- Purezza dell’aria
Inoltre, c’è la necessità di tenere sotto costante monitoraggio la produzione ed il consumo di energia. Questo avviene misurando i consumi dei sistemi di climatizzazione e ventilazione, degli elettrodomestici e della luce artificiale, nonché la produzione di energia che deriva dal sistema fotovoltaico.
Questa prima suddivisione concettuale fra “comfort” e “consumi” evidenzia un aspetto importante di distinzione fra due parti del sistema automatico. Da un lato infatti, nel caso dei livelli di comfort, immaginiamo di avere un cerchio chiuso che facciamo partire dai sensori, che leggono le condizioni presenti; i sensori passano questi dati al “cervello”, che legge le informazioni, le traduce, le interpreta sulla base di algoritmi; manda dunque un comando agli attuatori, ultimo anello, che intervengono direttamente e automaticamente su quegli elementi fisici che producono il cambiamento nelle condizioni iniziali; a quel punto, i sensori leggeranno le nuove condizioni, e così ricomincia il giro.
Dall’altro lato invece, per quanto riguarda il monitoraggio dei consumi, il discorso è un po’ diverso. I dati raccolti dai sensori infatti vengono semplicemente resi leggibili attraverso un’interfaccia, per creare consapevolezza. Non ci sono attuatori che spengono i macchinari se consumano troppo, in questo caso è l’utente che, sulla base delle informazioni che legge per mezzo dell’inferfaccia, può scegliere con maggiore consapevolezza come comportarsi.
Per avere un'idea iniziale di tutti gli elementi che sono coinvolti, ecco uno schema che raccoglie questi elementi in tre tipologie diverse.
Al centro, di colori diversi, ci sono gli aspetti che abbiamo scelto di controllare, ognuno dei quali è influenzato, e controllato, da fattori differenti.
In arancione abbiamo tutto ciò che dobbiamo misurare all'interno della casa.
In verde invece ciò su cui interveniamo per assicurarci i livelli di comfort che ci interessano.
Le frecce colorate mettono in relazione i diversi aspetti fra loro, evidenziando le potenziali incompatibilità.
Approfondendo di più la questione, andiamo a vedere nello specifico come ci aspettiamo di intervenire sui diversi aspetti.
Temperatura
Durante il contest ci viene richiesto di mantenere la temperatura interna costantemente compresa nell’intervallo 23-25 gradi. Viene monitorata costantemente, eccetto durante le visite, e fino ad un’ora dopo la fine delle visite.
I componenti attraverso cui controlliamo la temperatura sono i seguenti:
- Il sistema di climatizzazione, composto da un sistema a pompa di calore reversibile ad alta efficienza con scambiatore acqua aria per la produzione del fluido caldo e freddo e per la deumidificazione dell’aria, il quale alimenta dei pannelli radianti a soffitto. A seconda delle condizioni, posso variare temperatura e velocità di circolazione del fluido nei pannelli radianti per modificare la temperatura negli ambienti.
- Il sistema di ventilazione. Poiché l’aria immessa negli ambienti viene post – riscaldata / raffreddata attraverso dei radiatori sulle bocchette di ventilazione, posso variare la temperatura dei radiatori e di conseguenza quella dell’aria.
Questo sistema dev’essere prediletto nel momento in cui c’è l’esigenza di un cambiamento repentino delle condizioni di temperatura interne.
- Il sistema di ombreggiamento. Attraverso gli schermi a soffietto presenti in facciata posso scegliere se bloccare o meno l’irraggiamento diretto del sole, che genera dei guadagni termici all’interno dell’edificio.
Naturalmente mi interessa gestire questo sistema solo nei momenti dell’anno in cui effettivamente i raggi del sole entrerebbero direttamente all’interno della casa.
Luce
Ci viene richiesto di assicurare minimo 500 lux su alcune postazioni di lavoro, in vicinanza delle quali non possono essere posti corpi illuminanti artificali (min45 cm di distanza). Le misurazioni verranno fatte in determinati intervalli di tempo.
Le carenze di luce naturale verranno compensate nei seguenti modi:
- accensione graduale della Luce artificiale
- Apertura schermature per l’ombreggiamento.
Naturalmente qui è presente un possibile conflitto con il controllo della temperatura
Questi accorgimenti verranno però presi esclusivamente se viene rilevata la presenza di persone all’interno della casa, dal momento che qualsiasi sistema di compensazione della luce naturale porta ad un aumento di consumi.
Umidità dell’aria
L’umidità relativa misurata durante il contest all’interno degli ambienti dovrà essere compresa fra il 40 e il 55%. Anche questa verrà misurata nelle stesse modalità della temperatura.
Per controllarla possiamo agire essenzialmente sul sistema di ventilazione, dal momento che attraverso il sistema di radiatori sul sistema di ventilazione posso gestire la quantità di umidità presente nell’aria che immetto. Di conseguenza aumentando i ricambi d’aria posso riportare il livello di umidità più rapidamente a quello atteso.
Purezza dell’aria
La CO2 presente nell’aria non deve superare il valore di 800 ppm.
Anche questa viene controllata attraverso il sistema di ventilazione e dunque modulando i ricambi d’aria, anche in funzione della presenza di persone negli ambienti.
Tutte queste variazioni saranno gestite da una logica capace di valutare i dati provenienti dai sensori installati all’interno ed all’esterno della costruzione e di inviare comandi agli attuatori elettromeccanici.
È necessario però che gli utenti possano avere il controllo delle principali funzioni di gestione del
comfort temoigrometrico visivo ed acustico.
Tutte queste funzioni automatizzate infatti devono avere la possibilità di essere “sovrascritte” da un intervento manuale dell’utente, prendendolo in considerazione e agendo di conseguenza.
Per questo il progetto prevede la messa a punto di una interfaccia grafica che consenta all’utente di
poter dialogare in maniera trasparente con il sistema di automazione e controllo.
Nell’ottica di una maggiore consapevolezza nell’abitare, l’interfaccia sarà anche strumento per monitorare i consumi e la produzione di energia.
Immaginiamo un sistema interattivo, che mettendo insieme tutti i dati sia in grado, accanto all’automazione, di “suggerire” dei comportamenti positivi all’utente, o di proiettare sul futuro, sulla base di simulazioni, quali saranno i consumi ed i livelli di comfort se le condizioni si mantengono uguali, o se vengono cambiate.
Ci saranno dunque alcuni elementi non controllati automaticamente, ma comunque monitorati, che concorreranno ad avere un quadro più completo del funzionamento globale dell’edificio.
Sistema fotovoltaico
Devo sapere quanto sto producendo.
potenza istantanea generata
picco massimo raggiunto durante la giornata in corso
produzione giornaliera giorni passati
conversione in € in rapporto alla tipologia di incentivazione
indicazione della CO2 non emessa
produzione mensile
(stessi parametri della produzione giornaliera)
Sulla base dell’inclinazione del sole e dei dati dei pannelli posso simulare quanto potrei produrre in futuro?
Elettrodomestici
Devo sapere quanto sto consumando per singolo elettrodomestico
Il sistema può dirmi se spengo qualcosa quanto risparmio, etc.
Finestre
So se sono aperte e chiuse.
In alcune condizioni esterne favorevoli so di poter aprire le finestre, so quando tenerle aperte/chiuse migliora/peggiora le condizioni interne. (temperatura, umidità, purezza)
Il Sistema Domotico
Componenti di un sistema domotico
Prima di passare alla definizione di come funzionerà il nostro sistema nello specifico, almeno a livello schematico, è bene soffermarsi sugli elementi base che compongono un qualsiasi sistema domotico, così da avere chiaro il ruolo di ogni soggetto.
Un sistema domotico si compone di:
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Sensori: trasduttori in grado di convertire in dati differenti grandezze fisiche (temperatura, umidità, luminosità, onde sonore, campi magnetici, presenza di particolari particelle chimiche ecc.). Seguendo una analogia con un essere umano, i sensori possono essere considerati gli “occhi”, le “orecchie”, il “naso” e l’”epidermide” del sistema. Forniscono i dati la cui interpretazione permette di creare una percezione della realtà.
-
Attuatori: dispositivi in grado di tradurre in azioni sul modo fisico comandi logici trasmessi sotto forma di segnali elettrici (aprire o chiudere valvole o porte, accendere o spegnere luci o circuiti in genere, regolare intensità luminose o il passaggio d’aria o di luce ecc.). Sono le “mani” del sistema. Gli strumenti tramite i quali è possibile operare degli interventi sull’ambiente controllato modificando lo stato del sistema.
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Interfaccia uomo-macchina: qualsiasi mezzo tramite il quale gli utenti finali interagiscono con il sistema (touch-screen, monitor, tastiere, pulsanti, interruttori, interfacce vocali, segnalatori acustici o luminosi ecc.). Costituiscono il sistema di comunicazione ad alto livello tra il sistema e l’utente. Possono essere considerati come degli interpreti in grado di trasferire comandi dall’utente al sistema ed inviare informazioni dal sistema all’utente.
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Sistema connettivo: tutte le tecnologie in grado di collegare sensori, attuatori ed interfaccia utente tra loro e/o ad unità di elaborazione. Possono essere costituiti da fili elettrici o segnali radio ed in alcuni casi, oltre alle informazioni, permettono di distribuire anche l’alimentazione agli apparati. Sono a tutti gli effetti il “sistema nervoso, sanguigno e linfatico” del sistema domotico.
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Standard di comunicazione del sistema connettivo: tutti i protocolli e gli standard utilizzabili per far comunicare i vari dispositivi. Ne esistono innumerevoli di tipo proprietario e di tipo aperto, di tipo wired e di tipo wireless, ognuno con le sue caratteristiche peculiari. Possono essere considerati come il protocollo sottostante alla trasmissione degli impulsi elettro-chimici del sistema nervoso umano.
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Unità di elaborazione: sono circuiti elettronici in grado di interpretare i segnali dei sensori, di interpretare la realtà contingente, prendere decisioni ed operare degli interventi sull’ambiente tramite gli attuatori. Nei casi più evoluti permettono di creare una percezione della realtà nel tempo e di mettere in relazione informazioni provenienti da più fonti. Sono il “cervello” del sistema.
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Algoritmi: qualsiasi forma di logica implementativa in senso lato del sistema. Sono realizzati tramite semplici circuiti logici e nei casi più evoluti da firmware e software. Sono la “mente” del sistema e ne implementano l’intelligenza.
Il nostro sistema
Per quanto riguarda il sistema che utilizzeremo per Med in Italy, possiamo fare riferimento allo schema a blocchi qui rappresentato. Il suo funzionamento è il seguente:
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Catena di sensori: I sensori che raccolgono le informazioni sono collegati fra loro con un sistema a catena, che fa “rimbalzare” i dati da un sensore all’altro. E’ un sistema distribuito, composto di elementi a basso costo e bassissimi consumi. Sono collegati fra loro in maniera wireless, attraverso una rete a bassa potenza.Sono collegati fra loro in maniera wireless, attraverso una rete a bassa potenza.
Ci saranno probabilmente anche sensori che comunicano in maniera wired.
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Sensor Network Gateway: E’ una sorta di router, raccoglie i dati provenienti da tutti i sensori wired e wireless per inoltrarli ai passaggi successivi. Ha un unico indirizzo IP, ma c’è sempre la possibilità di risalire al singolo sensore, alla sua posizione e ai dati che sta raccogliendo. Le informazioni vengono mandate allo Switch, un nodo del sistema che fondamentalmente associa un ramo d'ingresso ad uno d'uscita, inviando ciò che arriva dal gateway al Server Google e all’Unità di elaborazione.
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Embedded Controller: Di fatto è la nostra Unità di eleborazione. Sopra c’è il software di controllo, basato su degli algoritmi. La sua funzione è centrale, legge le informazioni provenienti dai sensori, le elabora attraverso il software, e conseguentemente produce dei segnali da inviare agli attuatori. In particolare, dal Controller, attraverso dei BUS, partono dei segnali digitali, che quindi agiscono direttamente su tutto ciò che controlliamo elettronicamente. Ad esempio, il nostro sistema di climatizzazione dovrebbe avere la possibilità, attraverso uno standard di comunicazione aperto, di entrare direttamente in contatto col nostro sistema. In questo modo, il segnale che gli comunica come comportarsi gli arriverà direttamente, sotto forma di dati, dal Controller.
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Power Control Board: Alcuni attuatori, come ad esempio il motore che aziona le schermature, non sono controllati digitalmente, ma elettricamente, perciò il segnale da inviare loro è un segnale elettrico. Per rendere questa cosa possibile c’è bisogno della power control board.
