Modello per la simulazione del sotto-sistema pneumatico di caldaie a domestiche a gas, indirizzato all'ottimizzazione dei componenti e alla definizione delle logiche di controllo

During the last years, energetic consumption and pollutants emissions have become mainly relevant in the developing of new energetic systems. With the industrial sector becoming more efficient in energy usage, the signicance of total nal consumption and pollutants emissions level in domestic and ter- tiary sectors has been growing consequently. Domestic boilers are made up by a number of components and subsystems inuencing their performances. The pneumatic subsystem, plays a leading role in determining the emissions level, since it provides for air/fuel mixture formation and ue gases dischar- ge. Therefore the developing of a dynamic model for the study of such a subsystem has been here considered as a useful tool to be used in evaluating the domestic boilers environmental impact. Moreover, in accordance to re- gulatory requests, pneumatic system manufacturers could relates to such a model to develop new technological solution. The analysis of air/fuel ratio time evolution enables boiler performances estimate during transient opera- ting conditions, i.e. start-up phase and load-following. In order to simulate dynamic response of the pneumatic system, two numerical models have been developed and implemented using MATLAB and Simulink, also accounting for combustion chemistry. After models experimental validation, it's been possible to compare the consequences of two dierent control strategies in terms of pollutants emissions. A realistic test load cycle has been adopted in order to evaluate load conditions eects on system performances. Simu- lations show that a variable parameters controller, based on gain scheduled concept, can reduce NOx and CO emissions up to 9% and 4.5% during start- up transient conditions, with respect to traditional controller. Lastly, a pa- rametric analysis conducted on a daily test load cycle demonstrated that the gain scheduled controller can produce up to 5% NOx and 2% CO emissions reductions, compared to the traditional controller outcomes.

Negli ultimi anni consumo energetico ed emissioni inquinanti sono divenuti aspetti sempre più rilevanti per lo sviluppo dei nuovi sistemi energetici. Aumentando l'efficienza nel consumo energetico del settore industriale, l'importanza relativa del settore domestico e terziario, in termini di consumo ed emissioni, è aumentata considerevolmente, tanto che le caldaie domestiche sono responsabili di circa il 30% del consumo energetico dell'Unione Europea. Tali caldaie sono costituite da una serie di componenti e sotto-sistemi che ne condizionano le prestazioni, fra questi il sotto-sistema pneumatico, deputato alla formazione della miscela aria/gas, gioca un ruolo molto importante in termini di emissioni. Pertanto, un modello dinamico di tale sotto-sistema può essere utile alla valutazione dell'impatto ambientale e, soprattutto, può essere un valido aiuto per i produttori, nello sviluppo di nuove soluzioni tecniche nel pieno rispetto dei requisiti normativi. L'analisi dell'andamento temporale del rapporto aria/gas consente di valutare le prestazioni del sistema durante le fasi di esercizio transitorio, di avvio e regolazione, durante le quali, le prestazioni dell'intera caldaia si allontanano dal comportamento stazionario. Sono stati, perciò, sviluppati due modelli, implementati in MATLAB e Simulink e validati sperimentalmente, per la stima delle prestazioni dinamiche del sistema pneumatico e comprensivi di un modello di combustione. Ciò ha permesso di valutare l'impatto di due diverse logiche di controllo, in termini di emissioni inquinanti, su un ciclo di prova rappresentativo del carico giornaliero reale. Si è quindi osservato che un regolatore PI basato sull'idea del gain scheduled, può ridurre, rispetto un regolatore tradizionale, le emissioni di NOx e CO rispettivamente del 9% e 4:5%, durante i transitori. Inne un'analisi parametrica ha mostrato che la riduzione relativa, sull'intero ciclo giornaliero, può giungere no a 5% e 2% per NOx e CO rispettivamente.