Le pompe di calore si sono sviluppate enormemente negli ultimi anni. A causa della questione ambientale e dei prezzi elevati dei combustibili fossili, il numero di pompe di calore aumenta di anno in anno. Secondo le previsioni, entro il 2025 solo in Europa saranno collegate alla rete elettrica due milioni di nuove pompe di calore all'anno. Grazie alla loro capacità di trasferire il calore da una fonte calda a una fredda, consumano intrinsecamente meno energia rispetto alle soluzioni di riscaldamento classiche, come il riscaldamento a pavimento.
Secondo uno studio di SwissEnergy [1] del 2021, l'efficienza media delle pompe di calore in Svizzera è compresa tra 3 e 4,5. Ciò significa che una pompa di calore riscalda l'abitazione da 3 a 4,5 volte di più di una classica caldaia elettrica a parità di consumo elettrico. Pur avendo un'elevata efficienza, le pompe di calore sono ancora grandi consumatori di energia e quindi un fattore importante per la riduzione dei costi dell'elettricità per gli utenti finali e in termini di stabilità della rete per le utility.
Il monitoraggio attivo dell'utilizzo delle pompe di calore è quindi fondamentale sia per i clienti finali che per le aziende di servizi. Sulla base dei dati di monitoraggio, è possibile apportare diversi miglioramenti. I fornitori di energia possono prevedere e anticipare il carico con maggiore precisione grazie ai contatori intelligenti, in modo da poter stimare meglio la quantità di elettricità da acquistare o produrre e comprendere meglio la rete. Gli utenti finali possono monitorare le loro abitudini di riscaldamento e regolarsi in base a queste informazioni. In caso di anomalie nel funzionamento, le notifiche possono aiutare ad adottare misure tempestive. In futuro, i carichi monitorabili sono anche il primo passo verso le iniziative di smart grid e le soluzioni di flessibilità (ad esempio SmartGridready), che consentono un maggiore utilizzo delle energie rinnovabili e delle misure di risparmio energetico.
Il monitoraggio può essere effettuato con un contatore di elettricità come CLEMAP Energy Monitor collegato direttamente alla pompa di calore o tramite un contatore intelligente. Nell'ambito del progetto di ricerca Social Power Plus (SSP), ci siamo chiesti se fosse possibile monitorare le pompe di calore con l'hardware esistente, come un contatore intelligente. Il caso normale è che un contatore intelligente registri il consumo di elettricità dell'intera famiglia e non solo quello della pompa di calore. Il monitoraggio non intrusivo dei carichi (NILM) è una tecnica di apprendimento automatico che consente di suddividere i carichi di una famiglia sulla base di un singolo punto del contatore. Con NILM possiamo quindi utilizzare i contatori intelligenti esistenti e aggiungere solo un componente software, riducendo così notevolmente i costi di installazione.
Nell'ambito della SSP, CLEMAP ha sviluppato un algoritmo NILM per la disaggregazione delle pompe di calore che mira a sensibilizzare le persone sui loro consumi energetici. L'algoritmo funziona elaborando i dati delle serie temporali elettriche di potenza attiva (P) e reattiva (Q) - sommate sulle tre fasi - con una risoluzione temporale di 15 minuti. Le pompe di calore hanno profili elettrici specifici e possono quindi essere rilevate con metodi statistici. L'algoritmo di apprendimento automatico sviluppato da CLEMAP è stato valutato utilizzando un set di dati di riferimento. A tal fine, per diversi mesi sono stati raccolti diversi dati elettrici: quelli provenienti da contatori elettrici intelligenti che misurano l'intera abitazione e quelli provenienti da contatori elettrici intelligenti specifici per le pompe di calore in 20 abitazioni della Svizzera orientale dotate di diversi tipi di pompe di calore.
Per un modello di apprendimento automatico, si possono valutare le seguenti metriche:
L'accuratezza del rilevamento della pompa di calore: quanto siamo in grado di prevedere in un determinato momento se la pompa di calore è accesa o spenta? (Problema di classificazione)
Errore di scomposizione dell'energia: quanto è possibile scomporre la percentuale di energia totale consumata dalla pompa di calore quando si analizza il consumo energetico in un periodo di tempo? (Problema di regressione)
Queste metriche sono state valutate per l'intero set di dati con i seguenti risultati:
Gli attuali rapporti di ricerca ([2], [3]) indicano un'accuratezza del 90-95% per il rilevamento di carichi di grandi dimensioni, come le pompe di calore, in condizioni di laboratorio e talvolta con una frequenza di campionamento più elevata. La nostra precisione dell'86% nei test sul campo può quindi essere considerata un successo.
Per comprendere meglio il risultato, possiamo osservare un boxplot che mostra le metriche per le singole famiglie e gli indicatori statistici per l'intero set di dati. Qui si esamina l'accuratezza del rilevamento delle pompe di calore (balanced_accuracy_state_ts[%]).
I punti blu sparsi sulla sinistra indicano l'accuratezza delle singole famiglie. È possibile notare un punto che presenta una scarsa precisione, pari a circa il 40%. Questo outlier è stato analizzato e si è scoperto che il suo profilo elettrico era significativamente diverso da quello delle altre pompe di calore, il che ha portato a questo risultato. Si è deciso di lasciare l'outlier in questo benchmark per dimostrare che il modello funziona bene, ma può richiedere una messa a punto per casi specifici. In futuro, ulteriori analisi basate su altri set di dati e su periodi di tempo più ampi miglioreranno ulteriormente le prestazioni dell'algoritmo.
Le pompe di calore si stanno sviluppando rapidamente e offrono vantaggi sia ambientali che economici. Il loro monitoraggio è fondamentale per gli utenti finali e le aziende di servizi pubblici, nonché per i produttori di pompe di calore (ad esempio, le prestazioni sul campo della loro base installata). Il monitoraggio può essere effettuato in modo non invasivo utilizzando algoritmi di apprendimento automatico e sfruttando i dati sull'elettricità provenienti dai contatori intelligenti esistenti per contenere i costi. CLEMAP ha sviluppato un potente algoritmo che rileva le pompe di calore con una precisione dell'86%. In futuro, ciò consentirà l'implementazione di soluzioni per la riduzione dell'energia, l'efficienza della rete e la gestione della flessibilità. L'attuale implementazione della soluzione avviene tramite le interfacce clienti esistenti, dove i clienti hanno la possibilità di utilizzare esplicitamente i loro dati. Poiché il risultato di una maggiore efficienza è evidente, le autorità di regolamentazione devono adattarsi e consentire l'implementazione e l'impiego efficace di tali soluzioni sulla rete elettrica con l'aumento del volume di dati dei contatori intelligenti.
Fonti .
[1] SwissEnergy, rapporto "Misurazioni sul campo di sistemi a pompa di calore stagione di riscaldamento 2020/21".
[2]"Results from Non-intrusive Load Monitoring", A. Hutter et al., CSEM Scientific and Technical Report 2016.
[3] Salani, M., Derboni, M., Rivola, D. etal. Monitoraggio non intrusivo del carico per la gestione della domanda. EnergyInform 3, 25 (2020). https://doi.org/10.1186/s42162-020-00128-2
Scopri le soluzioni corrispondenti a questo post del blog.
