Calcolare il consumo di energia (in kWh) a partire dalla potenza istantanea (in Watt) con Home Assistant

SCOPI DELLA GUIDA: Realizzare dei sensori di energia (espressi in kWh) partendo da quelli di potenza (ovvero di assorbimento istantaneo in watt) Livello di difficoltà: medio/bassa CONCETTI AFFRONTATI: Assorbimento elettrico (“potenza”) Consumo elettrico (“energia”) Configurazione software	COMPONENTI SOFTWARE UTILIZZATE: Home Assistant PREREQUISITI: Home Assistant configurato e funzionante DISPOSITIVI FISICI UTILIZZATI: Il computer sul quale è in esecuzione Home Assistant Uno più sensori di potenza (spiegato più avanti)
GUIDA INDICATA A UTENTI CON ISTALLAZIONE:
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Revisione guida: 1.1

Abstract

Il tema della contabilizzazione dei consumi energetici è stato già trattato in un altro progetto inDomus, questo, il quale spiega come, a partire dal consumo energetico cumulativo espresso in kWh, sia possibile definire dei veri e propri contatori che esprimano i consumi su archi temporali diversi, come giornalieri, settimanali, mensili e così via.

Il progetto di cui sopra parte da un assunto importante, ovvero quello di avere a disposizione uno o più sensori che forniscano, per l’appunto, la lettura di “energia” espressa in kWh. Si tratta di un assunto forte, perché non tutti i componenti in grado di rilevare gli assorbimenti elettrici istantanei (la “potenza”) sono anche in grado di fornire tale informazioni di “energia”. Uno dei componenti più utilizzati per misurare potenza ed energia degli impianti è per esempio lo Shelly EM; molti altri, invece, forniscono solo la lettura di potenzia, specie alcuni sensori che vengono magari posizionati a monte di elettrodomestici per misurarne l’assorbimento specifico.

N.b. Se si fa confusione su “potenza” ed “energia” si consiglia, prima, la lettura breve ma attenta di questa scheda.

Questa guida, quindi, è concepita per illustrare come realizzare in proprio un sensore di energia cumulativo partendo da uno di potenza istantanea.

Assunti

Si assume che Home Assistant ovviamente sia già operativo. Inoltre, si assume che dispongà già di un’entità sensore che fornisca la lettura di potenza in watt di una data utenza (questo provvedendo ad integrare – nei modi più disparati – un sensore fisico concepito allo scopo – vedi “sensori energetici“).

Assumeremo che tale entità, presso Home Assistant, si chiami sensor.potenza.

Questione di integrali

Mentre la potenza esprime i watt istantanei assorbiti da un dato carico (che sia un elettrodomestico, un punto luce o quel che è), l’energia viene misurata in kWh (chilo-wattora), intesa come l’energia complessiva fornita qualora una potenza elettrica di 1000 watt sia mantenuta per un’ora. In questo caso, il consumo è di 1 kWh. Facile da capire.

Il problema nasce nel momento in cui, proprio come accade nella realtà, le potenze variano istante per istante: un carico infatti non assorbe mai una potenza costante, ma costantemente… variabile. Non a caso abbiamo dedicato un progetto ad hoc per dedurre lo stato operativo di un elettrodomestico (o di un carico generico) in base alla variabilità dell’assorbimento di potenza.

Calcolare i kWh diventa dunque più complesso, dato che la potenza varia costantemente nel tempo.

Per risolvere la complessità ci viene in aiuto la matematica, in particolare l’operatore lineare detto “integrale“, ancora più in particolare l’integrale di Riemann.

Senza entrare nel dettaglio, in matematica la somma di Riemann è un’approssimazione di un integrale per una somma finita. Per dirla in modo piuttosto banale e parziale, si tratta di un’approssimazione matematica partendo da valori di riferimento.

L’immagine sopra illustra quattro dei metodi di somma di Riemann per approssimare l’area sotto le curve. I metodi destro e sinistro eseguono l’approssimazione utilizzando rispettivamente i punti finali destro e sinistro di ciascun sottointervallo. I metodi massimo e minimo effettuano l’approssimazione utilizzando rispettivamente i valori di endpoint più grande e più piccolo di ciascun sottointervallo.

Quindi, dato che in domotica riceviamo letture continue di valori di potenza, è possibile utilizzare l’integrale di Riemann per calcolare l’energia assorbita espressa in kWh.

Home Assistant da moltissimo tempo dispone dell’integrazione nativa “Integration – Riemann sum integral“, concepita proprio allo scopo di fornire all’utente il potente strumento matematico degli integrali.

Definire il sensore

Arrivati a questo punto dovremmo aver capito la differenza tra potenza (watt) ed energia (kWh) e come, a grandi linee, l’integrale di Riemann ci viene in aiuto allo scopo di definire un sensore di energia a partire da uno di potenza.

La configurazione YAML da aggiungere al file di configurazione dell’HUB è la seguente:

sensor:
  - platform: integration
    source: sensor.potenza
    name: "energia"
    unit_prefix: k
    round: 3

Questa configurazione genera un sensore chiamato sensor.energia, il quale per l’appunto fornisce il consumo elettrico espresso in kWh. Chiaramente la sorgente (nella nostra configurazione abbiamo indicato il sensore esemplificativo sensor.potenza) andrà personalizzata, così come il nome e, volendo, altro.

La configurazione non è particolarmente complessa; abbiamo scelto di arrotondare (round) alla terza cifra decimale, ma ovviamente la scelta può essere personalizzata dall’utente.

N.b. La configurazione può essere anche effettuata via interfaccia, selezionando presso la sezione “Impostazioni” > “Dispositivi e servizi” > “Integrazioni”.

Perfezionamento

Una volta realizzato il sensore/i di energia tramite configurazione manuale (utilizzando l’interfaccia, il presente paragrafo è inutile), è il caso di perfezionarli. Sì, perchè per usarli presso i pannelli “Energia” dell’HUB, tali entità devono presentare determinate caratteristiche.

Presso il file customize.yaml aggiungere la porzione di codice di customizzazione come segue (adeguando eventualmente la prima riga, ovvero il nome dell’entità che si va a personalizzare):

sensor.energia:
  friendly_name: "Sensore cumulativo energia"
  last_reset: '1970-01-01T00:00:00+00:00'
  device_class: energy
  state_class: total_increasing
  unit_of_measurement: kWh

dopodiché riavviare l’HUB.

N.b. Naturalmente, il campo friendly_name è liberamente personalizzabile.

Realizzati il proprio (o propri) sensore/i di energia, è il momento di contabilizzarli, come da progetto che segue:

Configurare dei contabilizzatori di consumo energetico su Home Assistant e relative fasce orarie (v2)

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