Sensori e relè per l’efficienza energetica nella Building Automation

Se fino a pochi anni fa il miglioramento dell’efficienza energetica verteva quasi esclusivamente sulla struttura costruttiva dell’edificio, oggi i progettisti affrontano uno scenario totalmente nuovo. La crescente consapevolezza dell’impatto che hanno gli sprechi energetici negli edifici sul pianeta (e sul portafoglio) è stata seguita di pari passo da un’evoluzione normativa che ha portato progettisti e costruttori ad adeguare i loro sviluppi, indirizzando un insieme totalmente inedito di aspetti e di esigenze. Uno degli elementi di discontinuità è stata sicuramente la Direttiva Europea sulle prestazioni energetiche degli edifici, varata nel 2018 ed entrata in vigore quest’anno. Di fatto, l’edilizia “passiva” è ormai un ricordo del passato, lasciando spazio a edifici intelligenti e building automation.

Tuttavia, è innegabile come migliorare l’efficienza energetica comporti un investimento iniziale più elevato e come, nonostante gli edifici intelligenti di nuova generazione offrano un ROI eccellente, convincere i vari attori della filiera a sostenere gli oneri di partenza supplementari sia ancora difficile. Il consolidamento del quadro normativo contribuisce sicuramente a ottimizzare questo processo, delineando una serie di vincoli normativi che rendono praticamente doverosa un’evoluzione all’insegna dell’efficienza energetica in cui l’impiantistica gioca un ruolo fondamentale.

I nuovi impianti di automazione degli edifici sono basati su tecnologie elettroniche e informatiche sempre più sofisticate, concepite per tenere sotto controllo tutti i parametri fisici e ambientali che possono contribuire a migliorare l’efficienza energetica e non solo. In tale contesto sensori e relè rappresentano degli elementi indispensabili per ridurre costi ed emissioni di CO2.

Ambiente sotto controllo

I trasduttori presenti nei sistemi controllano costantemente il proprio ambiente, spesso secondo modalità di cui l’utente non si avvede. Così come gli esseri umani rispondono ai minimi stimoli ambientali (per esempio ai piccoli cambiamenti di luce e temperatura) per trovare un punto di equilibrio perfetto, così fa un edificio intelligente. La risposta in questo caso mira a trovare un compromesso tra efficienza e comfort. L’evoluzione tecnologica ha portato allo sviluppo di dispositivi integrati miniaturizzati e polivalenti che offrono una vasta gamma di funzioni di misurazione adattabili alle esigenze dell’utente.

I parametri fondamentali che ogni sensore ambientale per sistemi di building e industrial automation dovrebbe essere in grado di monitorare sono fondamentalmente sette: temperatura, umidità, qualità dell’aria (VOC Volatile Organic Compounds), luce, pressione barometrica, rumore e accelerazione. Prodotti come il sensore Omron 2JCIE offrono la possibilità di monitorare tutti questi elementi e di trasmettere i dati tramite comuni interfacce wireless o cablate, come USB oppure Bluetooth. Che si tratti semplicemente di mantenere l’ambiente di lavoro alla temperatura ottimale o di garantire i corretti livelli di umidità e illuminazione in un museo, questi sensori consentono di interpretare facilmente i dati e di utilizzarli per impostare e apportare le regolazioni necessarie in tempo reale.

Qualità dell’aria

In un edificio, la ventilazione e l’erogazione di aria di qualità e in quantità adeguate rappresentano un grosso problema. Le normative edilizie di molti paesi prevedono disposizioni dettagliate sui livelli obbligatori di ventilazione meccanica nei vari locali delle abitazioni domestiche o delle strutture di tipo commerciale e industriale. Gli ingegneri edili prevedono per tali spazi ventilatori e altri elementi di ricambio dell’aria conformi alle normative. Tuttavia, sono gli amministratori degli edifici che hanno il compito di mantenere l’efficienza degli impianti e di assicurarsi che le prestazioni non scendano mai al di sotto del livello richiesto a causa dell’usura o dell’accumulo di sporcizia nelle condutture. A tale scopo sono disponibili dei sensori specifici.

I sensori digitali D6F-PH di Omron rilevano la portata nei recuperatori di calore, monitorando la pressione differenziale a monte e a valle della ventola o del filtro stesso. Ciò permette di determinare il degrado delle prestazioni man mano che i filtri accumulano sporcizia, generando un avviso quando è richiesto un intervento di pulizia o di sostituzione. Un’alternativa più compatta è l’utilizzo di due sensori di pressione barometrica Omron 2SMPB. Infine, il dispositivo Omron D-6FV per la misura della velocità dell’aria può migliorare l’efficienza monitorando l’esatta portata dei ventilatori.

Controllo delle uscite

Oltre a “occhi e orecchie”, un sistema di automazione degli edifici necessita anche di “mani” in grado di reagire in risposta a determinate condizioni. L’esigenza principale riguarda il controllo delle utenze: riscaldatori, luci, ventilatori e altri elementi simili. I relè rappresentano tutt’ora una soluzione ottimale per gestire questo tipo di carichi. Se si esamina un qualsiasi sistema di building automation, probabilmente le uscite saranno gestite da relè elettromeccanici. Data la numerosità delle tecnologie di commutazione alternative disponibili, questo può sorprendere. Le principali ragioni che portano a privilegiare i relè elettromeccanici sono quattro:

• la presenza di uno o più contatti di uscita
• la flessibilità di configurazione dei contatti
• la possibilità di commutare tensioni in CA e in CC
• le elevate specifiche di isolamento e resistenza all’infiammabilità (Glow Wire Test).

Poiché le applicazioni all’interno degli edifici variano enormemente e le ultime tecnologie impongono ai relè una serie di nuove esigenze, Omron ha sviluppato delle piattaforme in grado di soddisfare i più diversi requisiti di carico. Ad esempio, la famiglia G5Q offre specifiche differenti a fronte degli stessi ingombri e piedinatura, indirizzando così varie necessità di commutazione.

Come nel caso di altre classi di prodotto, i costruttori di relè devono affrontare una serie di sfide per rendere i propri componenti sempre più compatti. Relè lunghi quasi 30 mm un tempo erano perfettamente accettabili, ora non lo sono più. Il G5Q, ad esempio, è un relè industriale con specifiche di alto livello, ma è lungo solo 20 mm, alto 15 mm e profondo 10,3 mm.

Anche le specifiche applicazioni dei sistemi di building automation impongono delle sfide. Ad esempio, l’illuminazione a LED, i carichi motore e i sistemi di rifasamento producono elevate correnti di spunto. Ciò può causare l’incollaggio dei contatti del relè, rendendo inutilizzabile il sistema. La versione G5Q-1A-EL2 di Omron è stata sviluppata per correnti di spunto capacitive che hanno durata nell’intervallo dei µs. Tali relè possono commutare correnti di spunto di 40 A/100 µs e correnti nominali di 1 A/250VCA fino a 100.000 operazioni.

Lo stesso design è disponibile per gestire i carichi motore (ad es. quelli delle ventole o controllo pompe) che generano correnti di spunto di vari ms. Il relè G5Q-1A-EL3 è progettato di conseguenza e può gestire circa 300.000 operazioni con correnti di picco di 250VCA/30A per 500 ms (carico induttivo) e correnti di interruzione di 3A.
Il G5Q-1A-EL è in grado di gestire livelli di commutazione simili garantendo una lunga durata (100.000 operazioni): questo dispositivo è ideale per applicazioni con carichi resistivi, che possono comportare aumenti di temperatura significativi, e dispone di contatto con portata elevata di 10A/250VCA.

Per risparmiare energia, infine, sono disponibili relè bistabili come il G5RL-U e il G5RL-K di Omron, che possono commutare 16A con correnti di spunto fino a 150A.

Verso l’integrazione: sensori per la sicurezza

I sistemi dedicati agli edifici intelligenti non si limitano all’aspetto puramente energetico ma solitamente si estendono a funzioni afferenti all’area della sicurezza e del comfort le quali, in ultima analisi, rappresentano solo un’altra faccia dell’evoluzione verso la massima efficienza. Per migliorare i sistemi di smart building e ridurre i costi associati stanno emergendo nuove tecnologie elettroniche che fanno della raccolta e della gestione dei dati il proprio punto di forza.

Utilizzando la tecnologia di riconoscimento delle immagini originariamente creata per i telefoni cellulari, i sistemi di building automation possono interpretare i dati raccolti dagli impianti di videosorveglianza. Grazie a questi sensori, i sistemi di sicurezza e i sistemi di building automation sono integrabili tra loro, dando vita a una sinergia virtuosa che contribuisce ad aumentare l’efficienza sotto tutti i punti di vista. Per esempio, in un ufficio è possibile riconoscere un individuo quando arriva al lavoro e attivare riscaldamento e illuminazione in base alle sue preferenze.

Il modulo Omron HVC è il primo prodotto di visione rivolto in modo specifico ad applicazioni quali l’automazione degli edifici. Disponibile anche in volumi ridotti, questo prodotto è facilmente integrabile da qualsiasi progettista senza richiedere particolari competenze in termini di algoritmi necessari per riconoscere volti ed espressioni o di strutture ottiche. Il modulo è una soluzione plug-in completamente integrata. Lo sviluppatore può semplicemente monitorare l’uscita del sensore e configurare il sistema per prendere le decisioni appropriate in funzione allo stato.

Laddove l’applicazione richiede semplicemente il rilevamento delle persone, senza particolari necessità di riconoscimento, i sensori termici sono un’opzione consolidata e un’alternativa ottimale ai sensori di movimento passivi. In un sistema di building automation, tali sensori possono anche essere utilizzati in vari modi, fornendo un prezioso contributo alla sicurezza attraverso l’identificazione di potenziali problemi prima che diventino gravi pericoli. Molti incendi, ad esempio, hanno origine in “punti caldi” localizzati; un sensore termico può rilevare un potenziale incendio prima che si inneschi. Ciò può non solo salvare vite umane, ma anche ridurre i costi, consentendo di effettuare tempestivamente una manutenzione preventiva.

Per essere utili in un ambiente di building automation, tali sensori necessitano di un campo visivo sufficientemente ampio per rilevare in modo accurato e affidabile la presenza e la posizione delle persone o di potenziali problemi che si possono manifestare all’interno di uno spazio. I sensori termici MEMS D6T di Omron si basano su un elemento IR che misura la temperatura superficiale degli oggetti senza contatto. Il processo sfrutta un elemento a termopila che assorbe l’energia irradiata dall’ambiente da rilevare. Omron ha appena rilasciato una versione grandangolare del D6T con 32 x 32 elementi. Il D6T-32L-01A può tenere sotto controllo da un unico punto un campo visivo di 90° per 90°, potenzialmente un’area ampia come un’intera stanza.

Il salto nel futuro

Lo sviluppo delle tecnologie wireless, cloud, IoT e intelligenza artificiale contribuirà a migliorare le possibilità di integrazione e monitoraggio da remoto di edifici e strutture. Già oggi, dati raccolti e azioni intraprese possono essere gestiti via cloud, consentendo al personale di riprogrammare il sistema per migliorare la risposta in base al quando appreso in precedenza. L’evoluzione del paradigma di efficienza energetica nel contesto di un mondo sempre più connesso e condizionato da esperienze d’uso derivate da altri mercati, come ad esempio quello degli smartphone, comporterà l’avvento di esigenze di controllo incredibilmente sofisticate. Proprio per questo i produttori di componenti e di sistemi come Omron stanno lavorando per aiutare progettisti e installatori nel compiere un drastico cambio di passo senza farsi trovare impreparati.

Testo di Fabrizio Petris – Senior Business Development Manager, Omron Electronic Components Europe bv