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. After analyzing general HiL architecture, the distinguishing features of a system developed to test HVAC plants devices are outlined. In this general framework, this work aims at integrating a Hardware in the Loop platform in a solar test laboratory for thermal collector performance characterization. The solar lab is meant to test commercial and prototypical panels simulating virtual thermal loads in LabVIEW, a mature software for data acquisition but quite new in real time simulations. The solar lab basic structure in relation to current technical rules is discussed, with preliminary layout design, thermal hydraulics devices and HiL test rig integration. HiL platform is developed to interface a thermal plant collector with a virtual domestic hot water consumption; heat transfer between solar circuit and hot water, storage tank with integrated coil exchanger behavior and user consumptions are simulated in a virtual environment. Virtual loads communicate in real time with the solar panel (which is a real device) that reacts to the simulated load evolution. Thermal behavior has been emulated with time dependent multi-node model. In the final chapter LabVIEW implementation of thermal fluid dynamics model and system interface development is discussed.

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. Vengono anche 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) un’utenza di acqua calda sanitaria riproducendo lo scambio termico che avviene tra il circuito primario del collettore e l’acqua da inviare all’utenza stessa. 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.