Regolazione delle temperature degli ambienti, il complicato ruolo del termostato

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La regolazione della temperatura interna dell’ ambiente serve a gestire la temperatura desiderata, ma i termostati hanno capacita’ diverse di funzionamento, andiamo a conoscerli:

Esistono 3 tipi di TERMOSTATO AMBIENTE ovvero REGOLATORE e/o DISPOSITIVO

  1. TERMOSTATO AMBIENTE PROPORZIONALE – P
  2. TERMOSTATO AMBIENTE PROPORZIONALE INTEGRALE – PI
  3. TERMOSTATO AMBIENTE PROPORZIONALE INTEGRALE DERIVATA – PID

Prima di chiarire quali sono i relativi funzionamenti è importante capire perché servono questi terostati e soprattutto quali sono i fattori che li influenzano.

Tutti pensiamo di conoscere i termostati ambiente: semplicemente servono a mantenere una certa temperatura invernale e/o estiva. Il dispositivo attiva o disattiva l’impianto della nostra casa che riscalda o raffredda in funzione della stagione.

Il tipo di impianto – radiatori, riscaldamento a pavimento a parete o a soffitto, ventil convettori splyt, travi fredde o altro – ha una grandissima importanza: ogni tipologia ha una certa inerzia e anche la nostra casa, per come è stata costruita, ha una certa inerzia.

Quindi il dispositivo di regolazione della temperatura è influenzato da diversi fattori, e non dimentichiamo gli apporti solari e i carichi interni, tutta energia che si aggiunge a quella offerta dagli impianti.

Immaginate 2 grandi vasche piene d’acqua, una posta in alto e l’altra ad un livello inferiore,  collegate tra loro da una tubazione con una valvola a volantino per gestire il flusso d’acqua tra la vasca alta e quella bassa.
La vasca in alto è il nostro impianto che fornisce calore al nostro edificio mentre la vasca posta più in basso è il nostro edificio che perde calore nel periodo invernale. La dimensione della tubazione identifica invece la capacità del nostro sistema di emissione (radiatori, pavimento etc) di portare più o meno acqua.
Il nostro obiettivo è proprio gestire la valvola di regolazione posta sulla tubazione in modo tale da mantenere ad un determinato livello la vasca più in basso (l’edificio), per esempio mantenerla sempre carica a metà… come se volessimo mantenere il nostro edificio a 20 °C costanti in tutto il periodo invernale.
Possiamo mantenere in equilibrio la quota definita caricando e scaricando la vasca.

La quantità d’acqua che possiamo somministrare o scaricare dalla vasca simula la tipologia d’impianto e quindi l’inerzia dell’impianto abbinato all’inerzia del nostro edificio e gli apporti solari.

Ci sono quindi 3 giocatori:

A questo punto vediamo di spiegare i 3 tipi di regolazione in modo davvero semplice:

LA REGOLAZIONE PROPORZIONALE – P :
La regolazione ha lo scopo di correggere l’errore della perdita d’acqua variabile nel tempo della vasca posta più in basso e la REGOLAZIONE PROPORZIONALE apre o chiude in maniera più o meno importante la valvola in funzione all’errore o alla mancanza d’acqua della seconda vasca.
Quindi maggiore è l’errore della vasca più in basso maggiore sarà la reazione di apertura della stessa valvola. E’ chiaro che possiamo regolare o gestire la reazione in funzione all’errore.
In formula matematica P  = K x Psi
Dove :
P : è il valore di correzione che vogliamo dare al sistema ‘’valvola’’
K : è la grandezza dell’errore che dipende dalla grandezza che vogliamo controllare e il valore che vogliamo dare.
Psi : è una costante che dobbiamo impostare per regolare la risposta

Esempio :
In pratica, maggiore è la grandezza dell’errore K maggiore sarà “l’intensità” della correzione della nostra valvola ovvero se aspettiamo del tempo lasciando che la vasca più in basso si scarichi, tanto maggiore sarà l’intensità di ripristino dell’acqua ma allo stesso momento, prima di fermare la somministrazione d’acqua, avremo uguale errore.
Questa tipologia di regolazione PROPORZIONALE solo in alcune e isolate condizioni funziona, ma nella maggior parte dei casi  non riesce a dare stabilità al sistema e nemmeno a prevenire l’errore.

LA REGOLAZIONE PROPORZIONALE INTEGRALE – PI :
La regolazione proporzionale integrale invece somma gli errori e ricorda gli errori per gestire e intervenire meglio. Tale regolazione vuole dare più stabilità al sistema di regolazione evitando pendolamenti.
Sarà molto importante ‘’impostare’’ molo bene il ritardo nel tempo dell’errore K, costante che dovremo scegliere e bilanciare affinché l’accoppiata P e I sia efficace  ma attenzione anche che allo stesso tempo questo ritardo di azionamento ha un prezzo: rende il sistema meno reattivo e veloce.
Ritornando al nostro esempio la regolazione PI apre la valvola presente sulla tubazione di collegamento tra le due vasche appena la vasca più in basso perde acqua, in maniera proporzionale e in funzione all’errore che abbiamo impostato nel tempo agisce rispettivamente sulla valvola e se la vasca più in basso perde più velocemente l’acqua la valvola aumenta l’intensità (tempo di regolazione da impostare) questo sia in fase di apertura che di chiusura. Praticamente andiamo a smorzare il pendolamento della stessa valvola.

LA REGOLAZIONE PROPORZIONALE INTEGRALE DERIVATA– PID :
La regolazione proporzionale integrale derivata, nel tempo, ha un comportamento che dà un segnale di comando in base alla velocità della propagazione dell’errore dal valore voluto.
L’azione derivativa non è attiva quando non esiste una variazione della misura, ovvero un errore. In definitiva la sua azione si può intendere come un anticipo del segnale di comando utile a neutralizzare il tempo morto.
Tale regolazione, più evoluta, permette un tempestivo intervento e di breve durata che permette di recuperare i tempi di ritardo nell’ acquisizione della misura. Questo intervento alleggerisce il lavoro della regolazione proporzionale e integrale che agiscono dopo di lui come descritto sopra.

Gli esperti-lettori che non hanno deciso ancora per l’impianto e sono ancora alle prese con le decisioni base relative all’involucro edilizio, si staranno domandando:

  1. ma a proposito di inerzia, come devo costruire o ristrutturare la mia casa?
  2. sempre a proposito di inerzia, come dovrei scegliere l’impianto?
  3. a proposito di regolazione temperatura ambiente è un bene l’inerzia o una complicazione per la regolazione?
  4. un edificio “leggero” è gestibile più facilmente dagli impianti? oppure non è adatto al clima mediterraneo e alle estati “bollenti” che sempre più spesso si presenteranno?
  5. le regolazioni, sono una parte progettuale importante solo per edifici con scarsa inerzia? o al contrario sono gli edifici tradizionali ad esigere una regolazione proporzionale integrale?

nei prossimi articoli affronteremo ognuno di questi importanti argomenti!

autore: Marco De Pinto
revisione: Federico Sampaoli


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articolo ideato, scritto e diretto da Marco De Pinto e Federico Sampaoli, impegnati a favore delle persone, del comfort e dell’open information. Marco titolare dello Studio di progettazione degli impianti PH Studio.  Federico titolare dello Studio di consulenza tecnica per una migliore efficienza energetica e caporedattore di espertocasaclima.com – blog di formazione e comunicazione online dal 2009. 

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