Migliorare l’efficienza dei sistemi HVAC

di Phil Luu, Product Marketing Engineer, Texas Instruments

 

Quando si progetta con l’obiettivo di una maggiore efficienza degli impianti di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC), la precisione e la coerenza dei sensori hanno una notevole importanza. La capacità di un sistema di rilevare e misurare con precisione i livelli di temperatura e umidità dei sensori dell’aria interna ed esterna, dei controlli delle serrande, dei termostati e dei ventilatori riduce al minimo il tempo di funzionamento del sistema perché il sistema può utilizzare più dati per prendere decisioni migliori. Insieme ad una corretta implementazione e manutenzione HVAC, la scelta del sensore giusto può far risparmiare ai consumatori fino al 25%.

Nel progettare sistemi HVAC come quello mostrato nella Figura 1, la precisione del sensore, la ripetibilità e l’affidabilità complessiva sono estremamente importanti.

 

Figura 1: Sistema HVAC commerciale o residenziale

 

Funzionamento ed efficienza HVAC

Un sistema HVAC comprende sensori in tutta la struttura, situati nei condotti dell’aria miscelata e di alimentazione e nei condotti dell’aria esterna e di ritorno, nonché nel termostato. Questi sensori forniscono i dati grezzi con cui il controller gestisce le prestazioni del sistema. I sistemi HVAC primitivi potrebbero avere solo sensori di temperatura situati in alcune delle posizioni mostrate nella Figura 1 e potrebbero contenere la tecnologia più vecchia disponibile (termistori a coefficiente di temperatura negativo [NTC] e rilevatori di temperatura resistivi). I sistemi moderni potrebbero invece essere dotati di due sensori per economizzatore entalpico, uno situato sul percorso dell’aria di ritorno e uno sul percorso dell’aria esterna. Quando si regola il termostato o quando la temperatura dell’aria miscelata supera un valore di riferimento, l’aria con l’entalpia minore (proveniente dall’aria esterna o di ritorno) viene portata nella sezione di condizionamento del trattamento dell’aria. Questo è un metodo per controllare l’utilizzo dell’aria esterna. Può sembrare uno spreco raffreddare l’aria esterna a temperature più elevate rispetto all’aria di ritorno, ma l’entità di raffreddamento meccanico richiesta per deumidificare l’aria spesso supera quella necessaria per ridurre la temperatura di bulbo secco.

Negli edifici con notevole generazione di umidità, che può provenire da una cucina o da una doccia, questo tipo di sequenza di controllo può permettere risparmi notevoli rispetto ai metodi con utilizzo del solo limite superiore del sensore di temperatura di bulbo secco. L’utilizzo di moduli entalpici è importante, in quanto circa il 50% della capacità di raffreddamento di un sistema di condizionamento viene utilizzato per deumidificare l’aria condizionata, rimuovendo il calore latente prima che la temperatura del calore sensibile inizi a scendere.

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I sistemi HVAC senza sensori di umidità non offrono il raffreddamento necessario per deumidificare l’aria prima che entri nell’edificio. L’utilizzo di un singolo economizzatore entalpico al posto della temperatura di bulbo secco riduce i costi di raffreddamento nella maggior parte dei climi. Inoltre, mentre questi sistemi sono efficaci e offrono miglioramenti rispetto ai sistemi a sola temperatura, un secondo modulo sensore combinato nel sistema aggiunge un’ulteriore posizione di misurazione per i dati e, quindi, l’opportunità di aumentare l’efficienza del sistema.

Miglioramento dei costi operativi e dell’efficienza del sistema

Scoprite il sensore integrato HDC2022 e il termistore lineare TMP61.

Perché la precisione e la coerenza sono importanti

Poiché un sistema HVAC comprende termostati e bulbi umidi che contengono sensori di temperatura e umidità, i quali mandano segnali a un sistema di controllo centrale, se i sensori sono imprecisi possono attivare prematuramente o erroneamente il sistema di controllo in caso di errori di precisione. Un errore di sistema di appena ±1 °C o del 5% di umidità relativa equivale a notevoli costi aggiuntivi o potenziali risparmi e incide anche sulla durata delle apparecchiature elettromeccaniche.

Ad esempio, un sensore di umidità con una tipica precisione per umidità relativa del 5% rileva un valore di lettura in tempo zero. Con il passare del tempo, a causa delle sollecitazioni sul sistema, come temperature elevate o contaminazione, il sensore inizierà a subire una deriva. Capire la deriva è fondamentale per comprendere l’efficienza del sistema con il passare del tempo: ridurre al minimo la deriva può permettere di raggiungere prestazioni migliori.

I progressi tecnologici hanno permesso di integrare elementi di rilevamento a deriva ridotta e alta precisione. L’HDC2022 è un sensore di umidità e temperatura integrato e calibrato in fabbrica con un’umidità relativa tipica del 2%, una deriva dello 0,25% per umidità relativa a lungo termine e un filtro IP67 idrofobo che protegge da acqua e polvere ed è meno soggetto a condensa rispetto ad un dispositivo senza filtro. Questi sensori di umidità sono dotati di un sensore di temperatura integrato con una precisione migliore di 1 °C.

Anche con tali sensori ad alte prestazioni, è tuttavia necessario considerare gli impatti sulla precisione che esulano dal sensore. Il posizionamento di circuiti stampati in una custodia di protezione impone una compensazione per tenere conto delle differenze tra tale ambiente chiuso e le condizioni che l’utente potrebbe trovarsi di fronte.

Questi stessi concetti si applicano alle misurazioni indipendenti della temperatura. La temperatura di scarico di un compressore potrebbe essere di 110 °C e salire fino a 135 °C o 140 °C in caso di malfunzionamento. Un tipico sensore di temperatura con una precisione da ±3 °C a ±5 °C e una deriva sul lungo termine da ±5 °C a ±10 °C lascerebbe 15 °C di margine di progettazione per il compressore. Con l’invecchiamento del compressore, questa deriva del sensore limiterebbe l’efficienza del compressore obbligando a un suo spegnimento anticipato.

Un termistore lineare come il TMP61 offre una deriva a lungo termine intrinsecamente bassa ed è in grado di raggiungere 150 °C ad un costo simile ai termistori NTC. La sua linearità consente una maggiore precisione con tecniche software come il sovracampionamento analogico-digitale per aumentare la risoluzione e ridurre l’effetto del rumore. La sua elevata precisione e la deriva a lungo termine ridotta consentono al compressore di ridurre i margini di protezione e permettono al sistema di spegnersi meno spesso per evitare il surriscaldamento, il che porta a sua volta ad una maggiore efficienza.

Conclusione

Nel progettare sistemi HVAC è necessario tenere conto dei costi dei componenti e dei circuiti, dell’accuratezza, della ripetibilità, della deriva ridotta nel tempo e dell’affidabilità generale al fine di soddisfare i requisiti di progettazione. La scelta dei sensori giusti per un’implementazione HVAC non soltanto migliora i progetti, ma può anche ridurre drasticamente il consumo di energia e i costi di manutenzione rispetto ai sistemi più vecchi.

Risorse supplementari:

Leggete il rapporto applicativo «Compensazione dei sensori di temperatura e umidità nei sistemi HVAC».

Leggete il rapporto applicativo «Sovracampionamento TMP6x»

 

 

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