Sviluppo di un protocollo di prova basato su carte di controllo per la sperimentazione di unità micro-cogenerative in stato stazionario

Microcogeneration is a mature and established technology for meeting the electric and thermal loads of residential, tertiary and small-scale industrial end users. Today, there exists already a European standard, EN 50465, providing the requirements for manufacturing as well as for testing small cogenerative units in order to determine the energy and environmental performances under steady state conditions. There exists also a German standard, DIN 4709, indicating a procedure for determining the energy performances under an emulated daily profile of a thermal load. Both these standards are significant benchmarks in the standardization and diffusion of micro-cogeneration, but they are conceptually based on approaches that are simplified from a statistical perspective. The present work illustrates a testing procedure under steady state conditions that is consistent from the statistical perspective. The primary objective of the proposed procedure is increasing the confidentiality and the soundness of the calculated performances, such as electric and thermal efficiencies, from the results of measurement. In addition, it aims at extracting more information from the experimental data identifying statistical trends. The test protocol that has been developed is based on the use of univariate control charts, also known as Shewhart charts, to control the autocorrelated measurement processes that are typical for measurements of physical processes. Experimental data are treated as discrete time series of observations of a weakly-stationary, stochastic process, which represents the evolution of a random variable over time. The procedure for the analysis of such data exploits the non-parametric approach based on the unweighted batch means (UBM). Control charts for the batch means enable to monitor autocorrelated processes and to determine the stationarity of the observed process. The proposed procedure is applied here to a small-scale micro-cogenerator based on an automotive reciprocating engine. Moreover, a criterion for instrumental verification is proposed, based on control charts, and applied to the metrological confirmation of the gas chromatograph used during the tests.

La micro-cogenerazione è una tecnologia matura e consolidata per soddisfare i carichi elettrici e termici per utenze residenziali, del terziario e industriali di piccola taglia. Ad oggi esiste uno standard europeo, EN50465, che fornisce i requisiti necessari per la costruzione e per la prova di piccole unità cogenerative, in modo da determinarne le prestazioni energetiche e ambientali in condizioni stazionarie. Esiste anche uno standard, DIN 4709, che indica una procedura per la determinazione delle prestazioni rispetto a un profilo giornaliero di carico termico simulato. Entrambi questi standard sono dei banchi di prova significativi per la standardizzazione e la diffusione della micro-cogenerazione, ma sono basati spesso su approcci concettuali semplificati rispetto a una prospettiva di tipo statistico. Il presente lavoro illustra una procedura consistente da un punto di vista statistico, valida per lo stato stazionario. L'obiettivo primario è quello di migliorare la confidenza e la robustezza dei risultati ottenuti, come i rendimenti elettrici e termici, a partire dai risultati delle misurazioni. Inoltre, si vogliono ricavare maggiori informazioni dai dati sperimentali identificando gli andamenti dei parametri di processo e verificandone il comportamento rispetto ad altre variabili. Il protocollo di prova sviluppato è basato sull'impiego di carte di controllo univariate, dette anche carte di Shewhart, per il controllo dei processi di misura autocorrelati tipici della misurazione dei processi fisici. I dati sperimentali sono trattati come serie discrete di osservazioni di un processo stocastico e debolmente stazionario, che rappresenta l'evoluzione di una variabile casuale nel tempo. La procedura per l'analisi dei dati sperimentali sfrutta un approccio non parametrico basato sulle medie "batch" non pesate (UBM). Le carte di controllo per le medie "batch" consentono quindi di monitorare processi autocorrelati e di stabilire la stazionarietà del processo osservato. La procedura è quindi applicata al caso di un micro-cogeneratore di piccola taglia, basato su un motore a combustione interna. Viene proposto inoltre un criterio di verifica strumentale, sempre basato sulle carte di controllo, per la conferma metrologica di un gascromatografo di processo utilizzato durante le prove.