Study of energy efficiency of a greenhouse by real-time simulation

Real-time simulation is a useful tool to understand the behavior of a system in a given situation. One of its application areas, Hardware-In-The-Loop simulation, allows to test and understand the performance of physical elements without the cost and complexity of a real physical system. We used such a method to simulate currents and voltages measured by low-voltage circuit breakers. In particular, we designed a simulation system capable of representing the dynamic evolution of currents and voltages in time, keeping into account the operation and switching of the devices involved and the relationships between the different elements of the circuit. Our system is based on MATLAB Simulink as the basic calculation software, and on NI LabVIEW (software and hardware suite) as the interface to the physical world. The Model Interface Toolkit is used to join the above two elements in a flexible and effective way: MATLAB Simulink is used in the model design phase, then the model can be converted and run in real time. In order to demonstrate the capability of the applied techniques, the electrical distribution system of a greenhouse was studied. Thanks to the flexibility of our method, it has been be possible to implement a feedback loop to simulate the thermal behavior of the greenhouse, in addition to a first simulation loop which represents the electrical circuit and the power profile of its loads. The two loops work on different time scales, and they interact with each other to achieve a realistic representation of the building. Our model allows to estimate the thermal behavior and the overall energy efficiency of the system: it will be used to forecast the power profile of the plant under a variety of weather conditions, and to envision design improvements which will reduce the energy consumption.

La simulazione real-time risulta utile per capire al meglio il comportamento di un sistema in una determinata situazione. Una delle sue applicazioni, la simulazione Hardware-In-The-Loop, permette di analizzare le performance di elementi fisici senza però il costo e la complessità che questi comporterebbero. Questo metodo è stato utilizzato per simulare correnti e tensioni misurate da un interruttore di bassa tensione. In particolare, è stato realizzato un sistema di simulazione in grado di rappresentare l’evoluzione dinamica di correnti e tensioni nel tempo, considerando le operazioni e gli stati dei singoli elementi coinvolti ma anche le relazioni di quest’ultimi all’interno dello stesso circuito. Il sistema è basato su MATLAB Simulink come software di calcolo e su NI LabVIEW (sia software che hardware) come interfaccia con l’ambiente circostante. Model Interface Toolkit è servito come tramite tra questi due elementi in modo flessibile ed efficace. MATLAB Simulink, invece, è stato necessario in fase di design del modello che successivamente è stato convertito ed eseguito in real-time. Per dimostrare le capacità della tecnica utilizzata è stato analizzato il sistema di distribuzione elettrica di una serra. Grazie alla flessibilità del metodo è stato possibile implementare un anello di feedback per rappresentare il comportamento termico di essa oltre ad un anello principale utilizzato per simulare il circuito elettrico e di conseguenza il profilo energetico dei suoi carichi. I due anelli lavorano a tempi differenti e possono interagire tra di loro per rappresentare al meglio la situazione realistica dell’impianto. Il modello permette di stimare il comportamento termico e l’efficienza energetica complessiva del sistema tanto che è stato utilizzato come strumento di previsione del profilo delle potenze della serra in base a diverse situazioni meteorologiche oppure come strumento di analisi in grado di percepire i possibili miglioramenti utili per diminuire i consumi di energia dell’impianto stesso.