Architettura di una stazione di test hardware in the loop per collettori solari con carichi termici virtuali

Hardware in the Loop is a powerful simulation technique, requiring a specific hardware and software system, that allows one or more real components to communicate in a virtual environment. A software interface with a proper system of sensors and actuators lets the device-in-the-loop communicate with a simulated environment, acquiring and controlling device parameters in real-time. Several advantages are focused, such as test repeatability, consistency and test rig savings; on the other hand, high specific requirements about hardware, communication determinism and numerical modeling should be fulfilled. HiL simulations are quite spread in advanced electronics, aeronautical and automotive industry; however, Heating, Ventilating and Air Conditioning field seems to lack this kind of technique nowadays. This work suggests an implementation of HiL in HVAC systems. Having reviewed the general architecture of the equipment HiL, the thesis shows the peculiarities of a system designed to test components of HVAC systems. Within this general framework, this work aimed at creating a platform HiL integrated into a laboratory for the characterization of the performance of solar thermal collectors. This apparatus is designed to perform experimental tests on prototypes and commercial collectors, simulating thermal loads in the LabVIEW environment, software widely established for the acquisition, but new in the realization of real-time applications. Following brief mentions of solar thermal engineering, the basic structure of a testing lab for solar collectors made in accordance with the law is framed, with overall dimensions, its location and functional diagrams. Subsequently, the station HiL is located within that laboratory. This station is designed to interface with the real component of the system (the solar thermal collector in test) simulates a user’s plant for the production and use of hot water. The thermo-fluid dynamics of the storage system and an integrated heat exchanger has been reproduced with a time-varying multi-node model. The final chapter presents the model implementation in the LabVIEW environment and the implementation of the interface with the system control and acquisition, which will be the next step for future developments.

Con il termine Hardware in the Loop (HiL) si indica un approccio alla sperimentazione, e conseguentemente un sistema software e hardware, attraverso il quale uno o più componenti reali comunicano in real-time con un ambiente virtuale. La comunicazione tra il componente e l’ambiente simulato avviene attraverso un’ interfaccia realizzata via software e un sistema di sensori e attuatori che permettono di effettuare in tempo reale acquisizione e controllo sul componente di impianto inserito nel loop. I vantaggi di un’architettura di questo tipo sono molteplici: dalla ripetibilità alla maggiore consistenza dei test, all’economia dell’intera stazione di prova. D’altro canto sorgono vincoli stringenti sulla scelta dell’hardware, sul determinismo della comunicazione, sulla realizzazione dei modelli numerici per la simulazione. Nell’elaborato vengono brevemente descritte le applicazioni, presenti in letteratura, nei settori avanzati degli apparati elettronici, nella ricerca aeronautica e automobilistica; peraltro non sembrano esservi applicazioni nel campo della termotecnica. La tesi propone l’introduzione delle tecniche HiL nei sistemi HVAC (Heating, Ventilating and Air-Conditioning). Dopo aver passato in rassegna l’architettura generale degli apparati HiL, vengono evidenziate le peculiarità di un sistema finalizzato al test di componenti di impianti termotecnici. All’interno di questa cornice generale, il presente lavoro mira alla realizzazione di una piattaforma HiL integrata ad un laboratorio di caratterizzazione delle prestazioni di collettori solari termici. Tale apparato ha l’obiettivo di effettuare prove sperimentali su collettori commerciali e prototipali, simulando carichi termici in ambiente LabVIEW, software ampiamente consolidato per l’acquisizione, ma nuovo nella realizzazione di applicazioni real-time. A seguito di brevi richiami di ingegneria solare termica, viene inquadrata la struttura di base di un laboratorio di test per collettori solari realizzato secondo la normativa, con dimensionamenti di massima, collocazione e relativi schemi funzionali. Successivamente, la stazione HiL viene collocata all’interno del suddetto laboratorio. Tale stazione ha lo scopo di interfacciare al componente reale di impianto (il collettore solare termico in prova) un’utenza simulata di impianto per la produzione e l’utilizzo di acqua calda sanitaria. La termo-fluidodinamica del sistema di accumulo e scambiatore integrato è stata riprodotta con un modello multinodo tempo-variante. L’ultimo capitolo presenta l’implementazione del modello in ambiente LabVIEW e la realizzazione dell’interfaccia con il sistema di acquisizione e controllo, che costituirà il passo successivo per sviluppi futuri.