ITTO930220A1

ITTO930220A1 - Procedimento per il controllo delle condizioni termiche in un ambiente e relativo sistema.

Info

Publication number: ITTO930220A1
Application number: IT000220A
Authority: IT
Inventors: Fabio Mingrino
Original assignee: Fiat Auto Spa
Priority date: 1993-04-01
Filing date: 1993-04-01
Publication date: 1994-10-01
Also published as: EP0618098B1; IT1261538B; DE69403019T2; EP0618098A1; ITTO930220A0; DE69403019D1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: ?Procedimento per il controllo delle condizioni termiche in un ambiente e relativo sistema"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale ai procedimenti, ed ai sistemi, per il controllo del confort termico in un ambiente, e particolarmente nell'abitacolo di un veicolo.

Nella tecnica sono noti numerosi esempi di pr?cedimenti e di sistemi di controllo e di climatizzazione per autoveicoli, tuttavia nessuno di tali sistemi ? in grado di assicurare un confort termico ottimale all'interno di un autoveicolo a causa delle difficolt? intrinseche di tale compito,. Infatti l'abitacolo di un autoveicolo ? un ambiente molto difficile da controllare termicamente a causa delle sue dimensioni ridotte e della sua elevata esposizione a fattori esterni dovuta alle superfici vetrate, al ridotto isolamento termico e ai flussi di aria.

L'abitacolo ? quindi esposto a forti-influenze esterne quali 1'irraggiamento solare,.anche molto intenso per via delle superfici vetrate sempre pi? ampie attualmente montate sulle attuali autovetture, e l'umidit? dell'aria che tipicamente ? determinata dall'aria all'esterno del veicolo. Per contro i pesi e le dimensioni delle autovetture fanno s? che 1'isolamento termico sia ridotto al minimo..

I sistemi pi? evoluti, attualmente installati a bordo di autovetture, prevedono l'impostazione da parte dell'utente della temperatura desiderata all'interno dell'abitacolo e quindi mantengono tale temperatura utilizzando un classico procedimento di controllo ad anello chiuso ed un sensore di temperatura posto all'interno dell'abitacolo.

Questo modo di procedere ? sicuramente migliore dei vecchi sistemi di climatizzazione i quali impiegavano tipicamente un controllo ad anello aperto e richiedevano continue regolazioni da parte dell'utente. Tuttavia anche i sistemi di climatizzazione pi? evoluti presentano ancora notevoli inconvenienti. Infatti i sistemi secondo la tecnica nota controllano la temperatura dell'aria all'interno dell'abitacolo, la sensazione di confort termico che l'utente prova tuttavia non dipende solamente dalla temperatura dell'aria, ma- da altri fattori quali appunto 1'irraggiamento solare, l'umidit? relativa e la presenza di correnti d'aria (dovute ad esempio alle bocchette di areazione dell'impianto di climatizzazione) nell'abitacolo.

Altri fattori che contribuiscono a modificare il confort termico sono il tipo di abbigliamento indossato dall'utente (che dipende naturalmente dalle condizioni ambientali esterne) e la temperatura, e quindi l'irraggiamento, delle pareti interne dell'abitacolo dovuta alla temperatura. ed al flusso dell'aria all'esterno dell'autoveicolo.

Si constata quindi come il controllo del confort termico all'interno di un autoveicolo presenti notevoli problemi.

Lo scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un procedimento, ed un sistema, di controllo che ?ermetta di risolvere in modo soddisfa? cente tutti i problemi sopra indicati.

Secondo la presente invenzione, tale scopo vierie raggiunto graz:i.e ad un procedimento, e ad un sistema, avente le caratteristiche indicate nelle ri? vendicazioni che seguono la prasente descrizione.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della pre? sente invenzione risulteranno evidenti daIla seguente dettagliata descrizione, effettuata con l'ausilio degli annessi disegni, forniti a titolo d'esempio non limitativo, in cui:

le figure 1 e 2 sono due rappresentazioni schematiche circuitali illustranti il principio che sta alla base della presente invenzione, e

? la figura 3 ? una rappresentazione schematica a blocchi del sistema di controllo secondo la presente invenzione.

La presente invenzione si basa sul principio di controllare non la temperatura dell'aria sili'interno dell'abitacolo ma bens? una variabile denominata temperatura equivalente, che verr? descritta dettagliatamente in seguito, direttamente correlata al confort termico di una persona che si trova nell'abitacolo.

Per una migliore comprensione verranno ora esposte alcune considerazioni di carattere teorico.

Mediante ricerche fisiologiche si ? potuto constatare che una persona si trova in uno stato di confort termico ottimale quando la temperatura interna del corpo ? costante, a circa 37 ?C, e viene mantenuta tale senza sforzo, cio? senza sudorazione per smaltire un eccesso di calore e senza movimento fisico per generare del calore. Ci? vuol dire in pratica che in tali condizioni il calore generato dal normale metabolismo della persona viene completamente dissipato, senza difficolt?, nell'ambiente.

Si pu? rappresentare il rapporto di scambio termico tra la persona e l'ambiente mediante un circuito elettrico equivalente secondo una prassi impiegata spesso in ingegneria.

In tale circuito rappresentato in figura 1, la tensione equivale alla temperatura e la corrente elettrica equivale ad un flusso di calore. Il calore generato dal metabolismo di una persona pu? es sere rappresentato con un generatore ideale di corrente MET in quanto tale calore viene comunque prodotto dalla persona indipendentemente da altri fattori. In parallelo al generatore ideale di corrente MET vi ? un condensatore CT che rappresenta la capacit? termica del corpo della persona. Il nodo che si trova all'uscita del generatore ideale di corrente MET. collegato al condensatore CT, ? deno?-minato Tco poich? la tensione in tale nodo rappresenta la temperatura corporea interna della persona.

La temperatura corporea interna Tco ? naturalmente correlata alla temperatura superficiale della pelle Tsk tramite la resistenza termica della pelle indicata con Rsk. Il valore ottimale per la Tsk ? di circa 33,4 ?C ma pu? variare a seconda della persona o delle condizioni ambientali.

Il nodo Tsk alla temperatura superficiale della pelle ? collegato in modo analogo, tramite la resistenza termica dei vestiti CLO, ad un nodo AMB che rappresenta l'ambiente. In prima approssimazione il nodo AMB pub essere considerato come collegato a due barrii di circuito.

Un primo ramo ? costituito dalla resistenza termica Ramb che collega il nodo AMB con un generatore di tensione ideale Tamb che rappresenta la temperatura dell'aria nell'ambiente, poich? si pu? supporre, sempre in prima approssimazione, che tale temperatura non sia influenzata dalla presenza della persona. Il secondo ramo ? analogo al primo ed ? costituito dalla,resistenza termica Rirr che collega il nodo AMB al generatore ideale di tensione Tirr e che rappresenta le condizioni di. irraggiamento in cui si trova la persona.

Quest'ultima porzione di circuito si pu? semplificare in modo da riunire in un unico ramo i due rami di circuito appena descritti. Il circuito diventa quindi quello rappresentato in figura 3.

Tale circuito ? identico a quello descritto con riferimento alla figura 1 fino alla resistenza termica dei vestiti CLO. La resistenza termica CLO ? connessa ad un nodo, anche in questo caso denominato AMB, che ? a sua volta connesso tramite una resistenza termica Req ad un nodo Teq. Il nodo Teq ? a sua volta connesso ad un generatore di tensione ideale che naturalmente ? anch'esso denominato Teq.

Si vede quindi che la porzione di circuito a valle del nodo AMB ? stata semplificata in un ramo costituito da una resistenza Req e da un generatore di tensione equivalente Teq. Inoltre, ? stato eliminato il condensatore CT poich? interessa lo scambio termico a regime tra la persona e l'ambiente.

Il funzionamento del circuito ? molto semplice, la corrente C prodotta dal generatore di corrente ???? passa attraverso la resistenza Rsk, la resistenza CLO, la resistenza Req e viene quindi assorbita dal generatore di tensione ideale Teq. Poich? la corrente C ? costante, in quanto imposta dal generatore di corrente MET, le tensioni nei nodi Tco, Tsk e AMB dipendono dal valore delle varie resistenze, Rsk, CLO, Req e dalla tensione Teq imposta dal generatore di. tensione ideale. Ma la corrente C rappresenta il calore dissipato dalla persona, che come si ? detto ? costante, e le tensioni Tco, Tsk, AMB, Teq rappresentano rispettivamente delle temperature.

In particolare le temperature che interessano sono la temperatura Tco corporea interna e la temperatura Tsk della pelle. Poich? le resistenze termiche Rsk, CLO, Req sono date (cio? sono delle costanti), in quanto rappresentano rispettivamente la resistenza termica della pelle, la resistenza termica dei vestiti indossati dalla persona e la resistenza termica fra la persona e l'ambiente nel suo complesso si pu? osservare che in pratica ci? che determina le temperature Tco e Tsk ? la temperatura Teq.

Variando la temperatura Teq ? quindi possibile fare si che la temperatura Tco si trovi al suo valore ottimale di circa 37 ?C. In pratica esiste un unico valore della temperatura Teq tale per cui la temperatura Tco assume il suo valore ottimale desiderato.

La temperatura equivalente Teq ? quindi la variabile che si desidera controllare per ottenere il confort termico ottimale della persona. La temperatura equivalente Teq ? una variabile complessa dipendente da molti fattori differenti, essa pu? essere tuttavia definita teoricamente nel seguente modo

La temperatura equivalente Teq ? la temperatura correlata alla sensazione termica provata da una persona che si trovi in un ambiente privo di ventilazione. con le pareti e l'aria ad identica temperatura. Ad esempio si pone una persona in un ambiente X con una certa ventilazione, una certa temperatura delle pareti, una certa temperatura dell'aria ed una certa radiazione termica, se tale persona prova la stessa sensazione termica che proverebbe in un ambiente Y in assenza,di ventilazione e con temperatura delle pareti uguale alla temperatura dell'aria allora si dice che la persona percepisce, nell'ambiente X, la temperatura dell'ambiente Y che viene denominata equivalente e vale la relazione:

temperatura equivalente = temperatura pareti = temperatura aria..

Nello specifico caso preso in esame si pu? considerare la .temperatura equivalente Teq come una variabile, o grandezza, dipendente dalla temperatura delle pareti, dalla temperatura dell'aria all'interno dell'abitacolo, dalla temperatura dell'aria immessa nell'abitacolo dalle bocchette, dalla portata delle bocchette stesse, dalla radiazione entrante dalle superfici vetrate ed emessa dalle pareti.

Verr? ora descritto un procedimento di controllo, ed il relativo sistema, operante secondo il principio appena descritto?

Facendo riferimento alla figura 3, con IU ? rappresentata un'interfaccia utente destinata a ricevere i comandi CGM che l'utente desidera comunicare al sistema di controllo. L'interfaccia utente IU riceve inoltre in ingresso un segnale Test indicativo della temperatura all'esterno del veicolo. Il segnale Test serve al sistema per stimare, in base alla temperatura esterna,. il tipo di vestiti indossati dalla persona. I comandi COM inseriti dall'utente servono invece all'interfaccia IU per impostare, ed eventualmente modificare, una temperatura equivalente di riferimento TeqO.

Secondo un modo di procedere alternativo la TeqO viene calcolata a partire da una misura della Test, cio? della temperatura esterna al veicolo, ad inizio viaggio, ed una ipotesi di MET, cio? del valore del metabolismo dell'utente.

La misura di Test permette di stimare la resistenza termica CLO, cio? il tipo di vestito.

Il valore di CLO e di MET permettono il calcolo di ?eq?

dove m, q, a, b sono costanti.

Se l'utente mediante la consolle del1'interfaceia utente IU a bordo del veicolo chiede pi? caldo o pi?.freddo rispettivamente si diminuisce o si aumenta il metabolismo MET inizialmente ipotizzato e si ricalcola la temperatura equivalente di riferimento TeqO.

La temperatura equivalente di riferimento,TeqO costituisce il valore di riferimento del sistema di controllo, e cio? il valore a cui il sistema di controllo cerca di mantenere la variabile di controllo Teq, La temperatura di riferimento TeqO viene infatti confrontata in un nodo di sottrazione N con la temperatura equivalente Teq all'interno del veicolo. La temperatura equival?nte Teq pub essere ricavata sostanzialmente in due modi differenti.

Un primo modo prevede l'uso di un sensore di temperatura equivalente STE in grado di emettere un segnale indicativo della temperatura equivalente Teq in base alle grandezze fisiche,.indicate genericamente con MIS, che determinano la temperatura equivalente Teq. Il sensore di temperatura equivalente STE ? quindi un dispositivo -sensibile oltrech? alla temperatura dell'aria anche all'irraggiamento e alle condizioni di ventilazione presenti all'interno del veicolo.. Esempi di sensori di questo tipo sono descritti nella domanda T091A000614 depositata il 31 luglio 1991 a nome della stessa richiedente.

Un secondo modo per ricavare .la temperatura equivalente Teq ? quello di impiegare non un dispositivo fisico ma un dispositivo elaborativo, indicato sempre con STE, denominato anche stimatore, in grado di calcolare la Teq in base ai segnali indicativi delle grandezze fisiche MIS da cui dipende la temperatura equivalente Teq.

Tale dispositivo elaborativo STE pu? essere realizzato, ad esempio, mediante l'impiego di un microprocessore configurato per eseguire il calcolo della Teq secondo il procedimento che verr? ora descritto.

La Teq ? definita nella relazione:

dove

- Wc ? la potenza scambiata per convenzione

- W ? la potenza scambiata per radiazione

- Req ? la resistenza equivalente dell'ambiente - Ts ? una temperatura di riferimento Lo scopo dell'aquisizione della Teq ? quello di disporre di una grandezza completamente correlata allo scambia energetico dell'uomo e l'ambiente, e quindi alla sensazione termica.

In un veicolo

dove

quindi in un veicolo misurando Ta, e stimando mediante un modello matematico dello scambio termico del veicolo la Tp, fissando i restanti parametri, possibile calcolare la Teq secondo la relazione sopra esposta.

Tuttavia in un veicolo i passeggeri percepiscono anche l'aria che esce dalle bocchette, e che serve a climatizzare il veicolo, da cui si pub ipotizzare che la Teq effettivamente percepita sia la somma di due Teq; una (Teq) calcolata come esposto a partire da Ta e Tp, ed un'altra (Teqtt,)'calcolata a partire dalla temperaitura dell'aria trattata Tt cio? uscente dalle bocchette!

I pesi k1 e k? sono determinati dalla proporzione delle zone corporee soggette all'una od all'altra Teq.

viene trascurata la radiazione perch? non influente per le zone investite da Tt ad una certa ventilazione.

Tutte le grandezze sono gi? state definite e; Tt ? la temperatura dell'aria trattata

il valore di h varia con il valore portata d'aria comandato.

Infine la Teqstimata viene usata come retroazione (feedback) del sistema di controllo, cio? come la Teq misurata e verr? quindi indicata in modo iden tico.

Sulla base dei segnali relativi alla tempera tura di riferimento TeqQ ed alla temperatura equi? valente Teq il sistema di controllo opera in modo classico ad anello chiuso. Il nodo di sottrazione N genera infatti una temperatura di errore Terr data dalla differenza tra TeqO e Teq, che viene inviata ad un'unit? di controllo CTRL.

L'unit? di controllo CTRL sulla base della temperatura di errore Terr provvede a determinare la portata FORT e la temperatura MIX dell'aria da immettere nell'abitacolo dell'autoveicolo e ad inviare i relativi segnali di controllo ad un'unit? di climatizzazione CLIM di tipo convenzionale.

E' possibile realizzare l'unit? di controllo CTRL sulla base di un modello matematico dello scambio termico del veicolo e della sensazione termica dell'uomo:

Utilizzando il modello sopra riportato con tutti i parametri assegnati mediante la tecnica di sintesi di controllori denominata LQG/LTR o l-linf, si realizza l'unit? di controllo CTRL desiderata in te mini d:i. p*restinzioni.

Una volta sintetizzata l'unit? di controllo

La sequenza di operazioni per controllare la Teq ? quindi la seguente:

1) calcolare mediante quanto esposto Teqo

2) stimare mediante quanto esposto

Teqstimata Teq

3) calcolare Terr = TeqO - Teq

4) calcolare con la frequenza voluta dal progetto dell'unit? di controllo CTRL

5) attuare la posizione miscelatore dell'aria per ottenere la temperatura MIX' calcolata e attuare la ventilazione calcolata PORT'

6) ritornare al punto 2) e ripetere le operazioni da 2) a 6) fino a fine viaggio; nel caso venga comandata una richiesta pi? freddo pi? caldo ritornare al punto 1) e ricalcolare Teqo con un diverso valore di MET.

In questo modo il sistema provvede a regolare le condizioni di confort termico all'interno dell'abitacolo, indicato con CAR nella figura. Le variazioni delle condizioni ambientali esterne, rappresentate in figura con DI3T, che tendono a modificare le condizioni di confort termico nell'abitacolo CAR naturalmente influenzano anche 1e grandezze MIS da cui dipende la temperatura equivalente Teq stimata o misurata. In questo,modo il sistema di controllo ? in grado, secondo quanto esposto, di intervenire per ripristinare le condizioni di confort termico ottimali.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito delia presente invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il controllo delle. condizioni termiche di un ambiente (CAR) in cui sono presenti mezzi di scambio termico (CLIM) con detto ambiente (CAR) caratterizzato dal fatto di comprendere le sequenti fasi: impostare una temperatura di riferimento equivalente (TeqO) - determinare una temperatura equivalente (Teq) in almeno un punto di detto ambiente (CAR), detta temperatura equivalente (Teq) essendo la temperatura di un ambiente in equilibrio termico, avente l'aria immobile e le pareti alla stessa temperatura in cui un essere umano prova una sensazione termica, sostanzialmente identica a quella che prova in detto ambiente (CAR), calcolare la differenza (Terr) tra detta temperatura di riferimento equivalente (TeqO) e detta temperatura equivalente (Teq), - attivare detti mezzi di scambio termico (CL.1M) in vista di annullare detta differenza (Terr).
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta temperatura equivalente (Teq) viene rilevata tramite primi mezzi sensori (STE)..
3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti primi messi sensori (STE) comprendono un sensore termoelettrico avente un'estensione spaziale rilevante.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta temperatura equi-? valente (Teq) viene calcolata a partire da una pluralit? di segnali (MIS) emessi da secondi messi sensori, detti secondi messi sensori essendo sensibili ad una pluralit? di grandezze fisiche indicative delle condizioni termiche in detto ambiente (CAR).
5 Procedimento secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che detti secondi mezzi sensori comprendono una pluralit? di sensori, ognuno di essi atto a rilevare una di dette grandezze fisiche.
6. Procedimento secondo la rivendicazione 4 e la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che dette grandezze fisiche sono scelte nel gruppo costituito da: - temperatura aria all'interno di detto ambiente - temperatura stria in un ambiente esterno a detto ambiente - temperatura aria entrante nell'ambiente - umidit? aria - portata aria entrante nell'ambiente - irraggiamento termico entrante nell'ambiente - temperatura pareti dell'ambiente.
7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4 a i, caratterizzato dal fatto che detta temperatura equivalente Teq viene calcolata sostan? zialmente secondo la seguente formula:

essendo: - Wc la potenza scambiata per convezione con l'ambiente esterno - la potenza scambiata per irradiazione con l'ambiente esterno - Req la resistenza equivalente dell'ambiente - Ts una temperatura di riferimento.
8. Procedimento secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta potenza scambiata per convezione Wc e detta potenza scambiata per irraggiamento sono calcolate sostanzialmente secondo le seguenti formule:

essendo: - Ta la temperatura aria all'interno dell'ambiente - Tp la temperatura pareti dell'ambiente - h il coefficiente di scambio termico - tr la costante di Boltzman - ? l'emissivit? delle pareti - f il fattore di forma parete-uomo.
9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto ambiente (CAR) ? l'abitacolo di un veicolo e detti mezzi di scambio termico (CLIM) comprendono un impianto di climatizzazione di detto veicolo.
10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di scambio termico (uLIM) sono suscettibili di controllare portata (FORT) e temperatura (MIX) dell'aria immessa in detto abitacolo (CftR).
11. Procedimento secondo le rivendicazioni 7 a 10, caratterizzato dal fatto che detta temperatura equivalente (Teqs ti ma ta ) viene calcolata sostan? ialmente secondo la seguente formula:

essendo: K1, K2 coefficienti numerici - Teq una temperatura calcolata secondo le formule delle rivendicazioni 7 ed 8, - Teqt una temperatura dell'aria tra1.1ata calcolata sostanzialmente secondo la seguente formula:

essendo Tt la temperatura dell'aria immessa in detto abitacolo (CAR).
12. Sistema per il controllo delle condizioni termiche in un ambiente (CAR) caratterizzato dal fatto di comprendere: ? mezzi di scambio termico (CLIMI, ? mezzi sensori (STE), ? mezzi di elaborazione (CTRL) operativariente connessi a detti mezzi sensori (STE) ed a detti mezzi di scambio termico (OLI??), detti mezzi sensori (STE),? detti mezzi di scambio termico (CLIM) e detti mezzi di elaborazione (CTRL) essendo configurati per operare secondo il procedimento descritto in una qualsiasi delle riveridicazioni 1 a 11. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.