Model predictive control MPC) è l'algoritmo che distingue un sistema di riscaldamento veramente intelligente da uno che sembra solo "intelligente". Mentre la maggior parte dei termostati "intelligenti" reagisce ancora alle variazioni di temperatura solo dopo che si sono verificate, l'MPC guarda al futuro: elabora una previsione delle condizioni future e calcola la strategia di riscaldamento ottimale prima che tali condizioni si verifichino.
Si tratta del metodo di controllo alla base dell'ottimizzazione del riscaldamento Fourdeg, e comprenderne il funzionamento spiega perché gli edifici dotati di MPC ottengono costantemente prestazioni migliori rispetto a quelli con sistemi di controllo convenzionali.
Che cos'è Model Predictive Control?
Model predictive control una strategia di controllo avanzata sviluppata originariamente per i processi industriali — impianti chimici, raffinerie e sistemi aerospaziali — che richiedono un controllo preciso e coordinato di più variabili contemporaneamente. Negli anni 2000 è stata adattata alla gestione energetica degli edifici, e il calo dei costi dei sensori e del cloud computing ne ha reso possibile l'applicazione su scala di singoli edifici e abitazioni.
La caratteristica distintiva dell'MPC è l'orizzonte mobile: ad ogni fase di controllo (in genere ogni 15–60 minuti), il controllore risolve un problema di ottimizzazione relativo alle successive 12–48 ore, determina la sequenza ottimale delle azioni di riscaldamento, applica la prima azione, quindi ripete il calcolo nella fase successiva utilizzando le misurazioni aggiornate. Ciò significa che il controllore opera sempre sulla base dei dati più recenti e pianifica sempre in anticipo, senza mai limitarsi a reagire.
Il "modello" nell'MPC è una rappresentazione matematica del comportamento termico dell'edificio: ovvero, come le temperature interne rispondono alle variazioni della potenza termica, della temperatura esterna, dell'irraggiamento solare e della presenza di persone. È proprio questo modello che consente al regolatore di effettuare previsioni affidabili anziché semplici ipotesi.
Come funziona MPC in Fourdeg
L'implementazione dell'MPC Fourdeg opera su tre livelli interconnessi:
1. Il modello termico dell'edificio
Una volta installati i termostati Fourdeg , il sistema inizia a rilevare i dati reali sulla temperatura in ogni stanza e a metterli in relazione con le condizioni esterne, la radiazione solare e la potenza di riscaldamento. Nel corso delle prime settimane di funzionamento, il sistema crea un modello termico parametrico per ogni stanza, tenendo conto della resistenza termica (qualità dell'isolamento), della capacità termica (la quantità di calore immagazzinata dalla struttura) e dell'influenza del guadagno solare.
Questo modello viene aggiornato costantemente man mano che il sistema raccoglie nuovi dati, diventando sempre più preciso nel tempo. Gli edifici con caratteristiche costruttive particolari, che hanno subito recenti ristrutturazioni o che presentano modelli di occupazione stagionali vengono gestiti automaticamente: il modello impara semplicemente da ciò che osserva.
2. Integrazione delle previsioni meteorologiche
Sulla base di una previsione meteorologica a 48 ore — temperatura esterna, copertura nuvolosa, irraggiamento solare e vento — il regolatore MPC calcola quale sarà la temperatura di ogni stanza in diversi scenari di riscaldamento. È qui che emerge il vero valore della previsione:
- Se durante la notte la temperatura esterna dovesse scendere bruscamente, l'impianto preriscalda l'edificio la sera, quando l'energia elettrica potrebbe essere più conveniente
- Se le previsioni annunciano una mattinata soleggiata, le stanze esposte a sud non vengono riscaldate in anticipo: ci penserà il sole a farlo, gratuitamente
- Se a un fine settimana mite segue una settimana fredda, la massa termica dell'edificio viene precaricata in modo strategico
3. Il calcolo dell'ottimizzazione
Ad ogni fase di controllo, l'algoritmo MPC risolve un problema di ottimizzazione vincolata: dati lo stato attuale dell'edificio, le previsioni meteorologiche e il modello termico, quali interventi di riscaldamento nelle prossime 24 ore consentiranno di mantenere tutte le stanze entro i limiti di temperatura di comfort, riducendo al minimo il consumo energetico (e i costi)?
I vincoli includono le temperature minime e massime degli ambienti (i limiti di comfort stabiliti dagli occupanti), la potenza massima di riscaldamento (limitata dalla capacità dei radiatori) e, ove applicabile, i segnali relativi al prezzo dell'energia che rendono più conveniente riscaldare in determinate fasce orarie. L'ottimizzatore bilancia tutti questi fattori contemporaneamente, ambiente per ambiente, in tutto l'edificio.
Perché il controllo MPC offre prestazioni superiori rispetto al controllo convenzionale
Un termostato tradizionale non dispone di un modello dell'edificio, né di previsioni, né di un orizzonte di ottimizzazione. Si limita a misurare la temperatura attuale e a confrontarla con un valore di riferimento. Ciò comporta diverse inefficienze sistematiche:
- Surriscaldamento: quando le temperature esterne aumentano in modo imprevisto o la luce del sole penetra in una stanza, i sistemi di regolazione tradizionali continuano a riscaldare fino a quando il termostato non interviene, causando uno spreco di energia e creando disagio
- Ritardo nel riscaldamento mattutino: i sistemi tradizionali si attivano a un'ora prestabilita e iniziano a riscaldare, ma non sono in grado di prevedere quanto tempo ci vorrà per riscaldare l'edificio in una determinata mattina. L'MPC lo calcola in anticipo
- Cecità sui costi energetici: i programmi fissi attivano il riscaldamento agli orari prestabiliti, indipendentemente dal fatto che l'energia sia economica o costosa. L'MPC è in grado di spostare automaticamente i consumi verso le fasce orarie più convenienti
- Nessuno sfruttamento della massa termica: gli edifici possono immagazzinare una notevole quantità di calore nella loro struttura. I sistemi di controllo convenzionali ignorano questo aspetto; l'MPC lo utilizza come risorsa gratuita
Il risultato è che gli edifici dotati di sistema MPC consumano sistematicamente il 20-35% di energia in meno rispetto a quelli con sistemi di controllo tradizionali, garantendo al contempo temperature interne più stabili.
MPC e risposta dal lato della domanda
L'MPC è anche la tecnologia alla base della risposta alla domanda (DSR) nel settore del teleriscaldamento. Quando un'azienda energetica intende ridurre il carico di picco sulla propria rete, invia un segnale di riduzione della domanda alla piattaforma Fourdeg. Il controller MPC in ogni edificio collegato valuta di quanto sia possibile ridurre la domanda — tenendo conto delle temperature attuali, delle previsioni meteorologiche e del modello termico di ciascun edificio — e calcola la strategia di preriscaldamento più sicura che massimizzi la flessibilità, garantendo al contempo il comfort interno.
Ecco perché il controllo a livello di locale e i modelli termici specifici per ogni edificio sono fondamentali per un vero DSR: senza sapere con esattezza di quale riserva termica disponga ogni edificio, non è possibile garantire in modo sicuro la flessibilità della domanda. Con l'MPC, tale garanzia si basa su principi fisici, non su supposizioni.
Quali dati utilizza MPC?
- Modello termico dell'edificio: ricavato dai dati storici sulle temperature — coefficienti di resistenza, capacità termica e guadagno solare per ogni stanza
- Temperature ambiente in tempo reale: rilevate ogni pochi minuti dai termostati di ciascun radiatore
- Previsioni meteorologiche: temperatura esterna, irraggiamento solare, copertura nuvolosa e velocità del vento — solitamente con un orizzonte temporale di 48 ore
- Temperatura di mandata del teleriscaldamento: il calore disponibile dalla rete in un dato momento
- Segnali tariffari: ove disponibili, tariffe basate sull'ora di consumo che incentivano lo spostamento dei consumi verso le fasce orarie non di punta
"Model Predictive Control il riscaldamento da un processo reattivo a un sistema proattivo e intelligente. Non aspetta che la stanza si raffreddi, ma calcola con ore di anticipo esattamente come e quando riscaldare, per poi farlo automaticamente."
Domande frequenti
Che cos'è model predictive control MPC)?
L'MPC è un algoritmo di controllo avanzato che utilizza un modello matematico di un sistema per prevederne il comportamento futuro e ottimizzare le azioni di controllo su un orizzonte temporale mobile. Nel settore del riscaldamento, il modello descrive il modo in cui un edificio assorbe e rilascia calore. Il regolatore prevede continuamente le temperature interne future sulla base delle previsioni meteorologiche e delle dinamiche dell'edificio, quindi calcola il programma di riscaldamento ottimale che mantiene le temperature entro i limiti di comfort al minor costo energetico possibile.
In che modo l'MPC si differenzia da un termostato standard?
Un termostato standard è reattivo: accende il riscaldamento quando la temperatura scende al di sotto di un valore prestabilito e lo spegne quando supera tale valore. L'MPC è proattivo: analizza le condizioni delle prossime 12-24 ore e calcola il programma di riscaldamento che garantirà il comfort per l'intero periodo. L'MPC è in grado di preriscaldare l'ambiente prima dell'arrivo di un fronte freddo, ridurre la potenza prima di una mattinata soleggiata e spostare i consumi verso fasce orarie con tariffe più convenienti, il tutto in modo automatico.
Quanta energia consente di model predictive control ?
Gli edifici che utilizzano il sistema di controllo basato su MPC Fourdeg ottengono costantemente un risparmio energetico del 20-35% rispetto al controllo termostatico convenzionale. Il risparmio deriva dall'eliminazione del surriscaldamento, dal preriscaldamento durante le fasce orarie in cui l'energia è più economica e dalla riduzione delle perdite in standby. Gli edifici con un significativo apporto solare o con forti variazioni di occupazione tendono a registrare i miglioramenti più significativi.
Che cos'è un modello termico di un edificio?
Un modello termico è una rappresentazione matematica del modo in cui un edificio assorbe, immagazzina e disperde il calore, tenendo conto della qualità dell'isolamento, della capacità di accumulo termico della struttura e della relazione tra le condizioni esterne e la temperatura interna. Il sistema Fourdeg costruisce automaticamente questo modello analizzando i dati reali di temperatura raccolti nelle prime settimane di funzionamento. Non sono necessari rilievi manuali.