Implementare un convertitore time-to-digital negli impianti di riscaldamento a radiatori

Poiché i prezzi dell'energia sono aumentati nel corso degli ultimi decenni, il risparmio energetico è diventato un problema sempre più preoccupante. Il riscaldamento (e raffreddamento) è spesso il più grande contributore al consumo di energia in ambienti commerciali e residenziali. Per questo motivo molti sforzi di conservazione si concentrano sull'aggiunta d’isolamento e di tenuta a perdite di aria in vecchi edifici, e la sponsorizzazione di campagne di informazione per ricordare ai clienti l’utilità di impostare i loro termostati in maniera adeguata. Gli impianti di riscaldamento a radiatori (termosifoni) rappresentano una soluzione tecnica affermata per fornire calore, riscaldando e facendo circolare una grande quantità di acqua all’interno di un circuito idraulico composto da più radiatori disposti all'interno dell'ambiente. L'acqua è un fluido con elevata capacità di trasportare il calore, e la tecnologia per la costruzione di radiatori ad acqua è molto matura. In questo articolo analizzeremo una possibile implementazione del chip MAX35101 (convertitore time-to-digital) della Maxim Integrated per misurare il consumo energetico negli impianti di riscaldamento a radiatori.

Introduzione

In un tipico sistema calorifero una fonte di calore entra nel radiatore attraverso una valvola azionabile dall'utente, ed esce dal radiatore stesso per tornare alla fonte di calore al fine di essere successivamente riscaldata prima di effettuare nuovamente il viaggio all’interno del circuito idraulico, passando ovviamente in altri radiatori situati nell’ambiente. L'utente può aprire la valvola per ridurre il flusso, e di conseguenza, ridurre il calore emesso.
La fisica, o meglio la termodinamica, si occupa di studiare le relazioni dei fenomeni legati allo scambio di calore (e dunque di energia) tra i vari sistemi. Una delle grandezze fisiche che bisogna prendere in considerazione è l’entalpia, ovvero la quantità di energia interna che un sistema termodinamico riesce a scambiare con l’ambiente circostante. In generale durante la sua trasformazione termodinamica è possibile misurare la grandezza in termini di variazione e non assoluti. L'entalpia può essere calcolata con la seguente formula:

formula1Nell'equazione, T è la temperatura assoluta del fluido, m è la massa e C è la capacità termica specifica del fluido stesso. Nella nostra analisi, il fluido di lavoro è acqua. L'acqua ha una capacità termica di circa 4,18 J/gr * K a temperatura ambiente e varia leggermente in un intervallo di temperatura. Nominalmente, l'acqua ha una densità di circa 1 gr/cm3, ma questo varia fortemente con la temperatura. L'acqua è più densa a 4 °C (0,99997/cc) e meno densa appena sotto il punto di ebollizione (0,9584/cc).
Con queste informazioni si vede che per misurare l'energia termica fornita allo spazio circostante (vedi Figura 1 per un diagramma a blocchi), bisogna misurare periodicamente la temperatura di ingresso, la temperatura di uscita e il volume di acqua che si muove attraverso il sistema.

figura1

Figura 1: Schema a blocchi di un sistema di riscaldamento a radiatore con un misuratore di calore

Se stiamo misurando il flusso attraverso un corpo/bobina di diametro noto (spola), il volume di acqua sarà proporzionale alla velocità dell'acqua che lo attraversa. Possiamo quindi convertire il volume di acqua in massa, moltiplicare la massa per la capacità termica dell'acqua alla temperatura di esercizio e, quindi, moltiplicare il risultato per la caduta di temperatura (la differenza tra la temperatura di ingresso e quella di uscita) attraverso il radiatore. Il risultato è la quantità di energia dissipata dal radiatore nell'ambiente circostante. [...]

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2 Commenti

  1. psantoro 18 marzo 2016

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