Domotica per impianti di climatizzazione residenziale e civile

La regolazione domotica per impianti di climatizzazione e riscaldamento garantisce efficienza e comfort negli edifici. Il settore edilizio è infatti uno dei più energivori, e quindi l’edilizia è un ambito di innovazione continua per il risparmio energetico. I sistemi domotici variano da regolazioni base on/off a soluzioni più sofisticate che utilizzano intelligenza artificiale per settare i corretti parametri di regolazione. Se il “ferro” che costituisce i sistemi di climatizzazione residenziale o civile è la parte preponderante (tubazioni, canali, diffusori, valvole, pompe, generatori, terminali d’impianto ecc.), la regolazione domotica è quell’aspetto che permette di armonizzare il corretto funzionamento degli impianti, in ottica di comfort e sostenibilità.

Sistemi domotici in sintesi

• I sistemi domotici hanno lo scopo di controllare e gestire tutti gli impianti tecnologici di un’abitazione o un negozio
• Il processore è l’elemento gerarchicamente più importante di un sistema di home o building automation
• L’interfaccia tra l’utente e il processore generalmente è un tablet, un touch screen, un telecomando ecc.
• In una “smart home” o in uno “smart building” si può gestire qualsiasi impianto tecnologico o dispositivo che siano predisposti per la connessione
• La gestione a distanza è estesa oggi al controllo dei parametri d’impianto e al comando da remoto dei dispostivi in campo, fino alla raccolta di un’ampia quantità di dati

Il sistema di regolazione domotica

La scelta di un sistema di regolazione per la domotica per impianti di climatizzazione dipende dalla tipologia degli impianti e dal loro utilizzo specifico. È fondamentale identificare cosa deve essere regolato, analizzando i parametri come temperatura, umidità e velocità dell’aria da monitorare e mantenere entro i valori desiderati (set point). È essenziale considerare anche gli ostacoli a questo obiettivo, in particolare la variabilità dei carichi termici interni ed esterni, influenzati dalle diverse zone climatiche. Tale analisi spetta al progettista, il quale utilizzando software avanzati può effettuare calcoli precisi. Per controllare adeguatamente i parametri della domotica per impianti di climatizzazione, è necessario disporre di dispositivi come sensori, attuatori, reti di comunicazione, servomotori e valvole. Tra questi, il processore che gestisce l’intero sistema è l’elemento di massima importanza. L’interfaccia tra l’utente e il processore può consistere in tablet, PC, touch screen o telecomandi.

La gestione domotica degli impianti di climatizzazione

In un contesto di smart home o smart building, è possibile gestire qualsiasi tipo di impianto o sistema tecnologico, inclusi i dispositivi predisposti per la connessione in rete, seguendo i principi dell’IoT. Le nuove pr oposte dei produttori in questo campo sono sempre più numerose e innovative. La gestione degli impianti di climatizzazione può avvenire attraverso l’azione diretta del proprietario, anche tramite dispositivi di comando vocale avanzati, oppure in modo automatico grazie a una serie di sensori—come quelli di movimento, presenza, luminosità e temperatura—che raccolgono e trasmettono dati. Questi dati attivano i dispositivi di controllo secondo una programmazione stabilita. Un significativo passo avanti nella gestione automatizzata è rappresentato dall’integrazione di metodologie di autoapprendimento, note come machine learning. Questa tecnologia consente a dispositivi come caldaie e sistemi di climatizzazione di apprendere e adattarsi a nuove situazioni non pre-programmate, basandosi invece sull’esperienza acquisita attraverso eventi precedenti, elaborati mediante algoritmi digitali. Ciò permette la realizzazione di sistemi di controllo complessi senza la necessità di prevedere e impostare tutte le possibili situazioni operative durante la fase di sviluppo. Anche negli contesti di applicazioni più limitate, tipiche di una singola abitazione, esistono numerosi dispositivi disponibili che ottimizzano le funzioni legate al comfort termoigrometrico.

Questi includono riscaldamento, raffrescamento e controllo della qualità dell’aria. Specifici sensori non solo monitorano le condizioni interne dei singoli ambienti, ma consentono anche la regolazione dei parametri da remoto. Inoltre, questi dispositivi possono attivare automaticamente le regolazioni necessarie e fornire dati utili per un consumo energetico ottimale, anche per singole zone o locali all’interno dell’edificio. Tale automazione è facilitata da apparecchiature d’impianto di ultima generazione, come caldaie e scaldacqua, appositamente progettate per integrarsi nella rete della domotica per impianti di climatizzazione.

Telecontrollo: potenzialità e applicazioni

Le attuali tecnologie di comunicazione hanno dato un notevole impulso alla domotica per impianti di climatizzazione, migliorando l’efficienza operativa. La gestione a distanza è diventata un obiettivo operativo centrale, consentendo il monitoraggio in tempo reale di allarmi e anomalie e permettendo il comando remoto dei dispositivi. Queste tecnologie supportano anche la raccolta e l’analisi di ampie quantità di dati, ottimizzando i processi decisionali, migliorando la qualità del servizio e l’efficienza energetica. Il telecontrollo, sviluppato negli ultimi cinquant’anni, si compone di tre livelli: dispositivi di campo, unità periferiche e centro di controllo. Questi sistemi consentono di monitorare e gestire a distanza impianti distribuiti sul territorio, adattandosi alle diverse esigenze operative. In particolare, la rete di comunicazione è essenziale per connettere le strutture periferiche con il centro di controllo, garantendo un’efficace gestione della domotica per impianti di climatizzazione.

Tipologie di regolazione domotica

• Regolazione On-Off
  La regolazione On-Off è storicamente il sistema più utilizzato per il controllo della temperatura negli ambienti. Questo approccio semplice opera su un principio binario: acceso o spento. Un termostato misura costantemente la temperatura ambiente e stabilisce un set-point, ovvero il valore di temperatura desiderato. Quando la temperatura scende al di sotto di questo valore, il termostato attiva o disattiva il sistema di climatizzazione o riscaldamento. Tuttavia, questo metodo causa frequenti cicli di marcia e arresto, soprattutto in condizioni di carichi termici variabili, comportando un consumo elettrico elevato e fluttuazioni della temperatura che possono realizzare situazioni di disagio per gli occupanti.
• Regolazione PID
  I sistemi di regolazione PID (Proporzionale, Integrale, Derivativa) rappresentano un significativo avanzamento rispetto ai tradizionali sistemi On-Off, offrendo un controllo più preciso ed efficiente della temperatura negli impianti di climatizzazione. Questi sistemi modulano continuamente l’output, adattandosi alle variazioni delle condizioni ambientali e garantendo un comfort termico ottimale. La regolazione PID funziona attraverso una combinazione di tre azioni: l’azione proporzionale, che regola l’output in base alla differenza tra il valore impostato e quello misurato; l’azione integrale, che tiene conto degli errori passati; e l’azione derivativa, che prevede le variazioni future. Questa sinergia consente di minimizzare le oscillazioni e di ottimizzare il consumo energetico, fornendo una risposta rapida e stabile del sistema.
• Regolazione Fuzzy
  I sistemi di regolazione fuzzy offrono un approccio innovativo ai metodi di controllo tradizionali come il PID, risultando particolarmente adatti per impianti complessi e non lineari, quali quelli di climatizzazione. La logica fuzzy consente di gestire l’incertezza e la vaghezza tipiche dei sistemi reali, fornendo un controllo più intuitivo e flessibile. Questi sistemi si basano sulla definizione di variabili linguistiche, come “caldo” e “freddo”, rappresentate attraverso funzioni di appartenenza. Il processo di controllo fuzzy include diverse fasi, dalla conversione delle variabili di ingresso (come temperatura e umidità) in valori fuzzy, alla definizione di regole del tipo SE-ALLORA che descrivono il comportamento del sistema. Infine, il risultato fuzzy viene tradotto in un valore numerico per attivare i componenti del circuito di climatizzazione.
• Modelli Predittivi e Intelligenza Artificiale
  I modelli predittivi utilizzati nei sistemi di controllo impiegano algoritmi matematici per descrivere il comportamento futuro dell’impianto e calcolare la sequenza di controlli ottimale. Questi sistemi sono in grado di gestire molteplici variabili e di affrontare vincoli e situazioni non convenzionali durante il funzionamento. In particolare, i sistemi basati sull’intelligenza artificiale utilizzano algoritmi di apprendimento automatico e reti neurali per affinare il controllo alle condizioni operative in evoluzione. Elaborando una vasta gamma di dati raccolti sul campo, essi possono generare autonomamente istruzioni operative, mostrando la capacità di adattarsi con precisione a situazioni in continuo cambiamento. Queste tecnologie, originariamente sviluppate per grandi impianti, stanno trovando applicazione anche in dispositivi di regolazione per impianti di climatizzazione di dimensioni medio-piccole.
• Regolazione Smart e Gestioni a Distanza
  I moderni sistemi di regolazione stanno evolvendo verso modalità di gestione a distanza, consentendo il controllo tramite PC, tablet o smartphone, oltre all’integrazione con assistenti vocali. Questi sistemi offrono un controllo immediato degli impianti, permettendo di impostare i tempi di funzionamento e di monitorare costantemente lo stato operativo. La possibilità di gestire i dispositivi tramite comandi vocali consente di accendere e spegnere le unità, di monitorare la temperatura degli ambienti e di attivare differenti funzioni. Inoltre, forniscono dati utili sui consumi energetici, rendendo la gestione degli impianti più semplice ed efficiente.

Regolazione domotica di  temperatura e pressione

L’obiettivo principale degli impianti di climatizzazione e relativi sistemi domotici è di ottenere il comfort termoigrometrico negli ambienti abitati con il minor dispendio possibile di energia e per ottenere questo risultato è necessario tenere sotto controllo diverse temperature e altri parametri. Per esempio, la temperatura di mandata dell’aria o dell’acqua, la temperatura dell’acqua calda sanitaria, la pressione di un circuito frigorifero, la pressione a valle di un riduttore, la velocità delle ventole ecc. Tutti questi parametri e numerosi altri sono monitorati e gestiti dai sistemi di regolazione. A loro volta questi possono essere integrati in sistemi domotici di controllo e regolazione di altri impianti tecnologici quali elettrici (illuminazione compresa), sicurezza (videosorveglianza, tapparelle, antincendio ecc.). Aspetto essenziale è che tutti i componenti siano in grado di “dialogare” con il sistema centrale e dunque “parlare” la stessa lingua.

Non solo climatizzazione: impianto elettrico e illuminazione

I moderni sistemi di domotica estendono le loro applicazioni e i vantaggi di gestione a quelle funzioni che storicamente furono le prime a fruire dell’evoluzione impiantistica introdotta dalla domotica stessa: illuminazione, comandi di tende, tapparelle e altre utenze elettriche (pompe di irrigazione, cancelli motorizzati ecc.), gestione dei carichi elettrici. La realizzazione di scenari applicativi risulta ancora più semplici e immediate con gli strumenti oggi disponibili. Uno scenario è un’associazione di più funzioni che si attivano in automatico, anche su impianti differenti, al semplice manifestarsi di un evento o di un comando effettuato. Per esempio un mutamento delle condizioni meteo rilevato da un sensore può far abbassare le tapparelle, chiudere le tende esterne ecc. Un altro scenario presente è quello “notte” che predispone i locali al periodo notturno effettuando in automatico una serie di operazioni: spegnere le luci, portare i termostati all’operatività notturna, chiudere serrande e tapparelle motorizzate, inserire il sistema di antintrusione, disattivare le prese di apparecchi che non devono essere in funzione durante le ore notturne.

AI – IOT – IIOT: monitoraggio e controllo intelligente

Tra i più moderni approcci a questi temi hanno un ruolo sempre più rilevante l’intelligenza artificiale (AI) per quanto riguarda le elaborazioni delle informazioni e, per quanto concerne la comunicazione, l’internet of things (IoT) o più precisamente l’IIoT (Industrial IoT) trattandosi di criteri di gestione impiantistica assimilabili a quelli dei processi industriali. Per non rimanere su concetti troppo teorici o generici, riguardo alla AI è più adeguato in questa sede mettere in evidenza l’aspetto concreto e applicativo dell’autoapprendimento delle macchine (Machine Learning), cioè la possibilità per la macchina di imparare a svolgere una determinata azione non perché programmata a priori bensì sulla base dell’esperienza degli eventi che si susseguono, rielaborati attraverso opportuni algoritmi matematici.

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