Energy Efficient Control and Fault Detection for HVAC Systems

Negli ultimi anni l’interesse per la tecnologia HVAC (Heating, Ventilation and Air-Conditioning) è rapidamente cresciuto. I sistemi HVAC sono diventati importanti nella progettazione di edifici medio-grandi al fine di assicurare comfort termico negli ambienti rispetto alla temperatura e umidità dell’aria. Procedure di controllo, ottimizzazione e manutenzione sono fondamentali nei sistemi HVAC al fine di garantire il comfort delle persone e soluzioni energeticamente efficienti nella loro gestione. In questa tesi vengono trattati due diversi argomenti. Controllo Energeticamente Efficiente di Sistemi ad Accumulo di Energia Termica a Ghiaccio Recentemente si è cominciato ad abbinare impianti HVAC con sistemi ad accumulo di energia termica. Se adeguatamente progettati, installati e mantenuti, questi sistemi possono essere usati per accumulare energia quando il suo costo è basso e sfruttandola quando il prezzo aumenta. In particolare, nei sistemi HVAC per raffreddamento, un mezzo diffuso per accumulo termico è il ghiaccio. Da un punto di vista di controllo e ottimizzazione, un impianto per raffreddamento con accumulo a ghiaccio si dimostra essere un sistema complesso. Strategie di controllo standard non sembrano essere capaci di ottenere il giusto compromesso tra efficienza energetica e soddisfacimento della domanda. In questa tesi, al fine di progettare strategie di controllo efficiente per sistemi con accumulo, si sviluppa in un ambiente di simulazione un modello HVAC con accumulo a ghiaccio. Il comportamento termico del sistema HVAC viene derivato dalle equazioni di conservazione di massa e energia; in particolare l’accumulo a ghiaccio viene considerato un sistema ibrido, tenendo così in considerazione sia il calore sensibile sia quello latente. Tre metodi di controllo standard vengono confrontati con una strategia di controllo predittivo non-lineare. I risultati delle simulazioni mostrano che la strategia di controllo predittivo non-lineare implementata fornisce il migliore controllo per una gestione energeticamente efficiente di sistemi con accumulo a ghiaccio. Rilevamento Guasti in Sistemi HVAC Problemi di funzionamento associati ad apparati degradati, scarsa manutenzione, e controlli erroneamente implementati, affliggono molti sistemi HVAC. Metodi di rilevamento guasti possono dunque giocare un ruolo chiave nel monitorare impianti HVAC complessi, rilevando comportamenti anomali in modo da mantenere i sistemi nelle loro migliori condizioni operative a costo minimo. In questa tesi vengono dapprima progettati metodi di rilevamento e diagnosi guasti su sistemi a tutta aria a portata variabile (VAV-Variable Air Volume). A questo scopo, viene sviluppato un modello di un sistema VAV con due zone; il controllo del sistema viene ottenuto con una tecnica di direct feedback linearisation. Metodi di classificazione supervisionati vengono usati per rilevare e diagnosticare i guasti simulati nel modello. I risultati delle simulazioni mostrano le buone performance della classificazione nel rilevamento e diagnosi dei guasti più diffusi nei sistemi VAV. Vengono successivamente sviluppati metodi di rilevamento per i guasti più rilevanti che affliggono i refrigeratori di liquido (chiller). A questo scopo, vengono utilizzati i dati raccolti nel progetto di ricerca 1043-RP promosso da ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). In questo progetto sono stati condotti studi sperimentali su un chiller centrifugo raffreddato ad acqua al fine di raccogliere dati sia in situazioni normali sia in situazioni in presenza di guasto. La tecnica sviluppata si basa su metodi di classificazione a una classe con un approccio di novelty detection, dove solamente dati normali vengono utilizzati per caratterizzare il comportamento corretto del sistema. I risultati di classificazione confermano l’efficacia del metodo proposto per il rilevamento dei guasti più diffusi nei chiller.