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Rendere no-frost un frigorifero tradizionale con Home Assistant
Progetti

Rendere no-frost un frigorifero tradizionale con Home Assistant

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SCOPI DEL PROGETTO:
  • Evitare la formazione di brina all’interno del frigorifero utilizzando la domotica basata sull’HUB Home Assistant
  • Livello di difficoltà: basso
  • Costo: n.a.
CONCETTI AFFRONTATI:
COMPONENTI SOFTWARE UTILIZZATE:
DISPOSITIVI FISICI UTILIZZATI:
PROGETTO INDICATO a UTENTI CON ISTALLAZIONE:
Ambienti Home Assistant HassOS-Supervised-Core
NOTE E DISCLAIMER
  • qualsiasi eventuale modifica agli impianti domestici dev'essere progettata e realizzata SOLO da personale qualificato;
  • qualsiasi modifica non prevista attuata in proprio è a propria responsabilità personale nonché a proprio rischio e pericolo (i contenuti della presenta pagina hanno infatti puro scopo didattico) e fa decadere garanzia, omologazioni e certificazioni di qualità; dei dispositivi interessati;
  • tutte le tecniche descritte si intendono applicate a software e firmware aggiornati alle ultime versioni disponibili;
  • gli articoli di inDomus sono totalmente indipendenti e non sponsorizzati. Se mai questo cambiasse, verrà segnalato chiaramente sulle pagine oggetto di sponsorizzazione;
  • questa pagina è materialmente scritta e manutenuta da più individui: non ci si aspetti né si pretenda un supporto personale. In caso di difficoltà, chiedere supporto alla community sul nostro forum o sulla nostra chat;
  • se hai bisogno di orientarti, c'è la mappa.
Revisione progetto: 1.2

Frigorifero NO-FROST con Home Assistant

Abstract

Malgrado la tecnologia no-frost sia una benedizione ormai disponibile da svariati anni, molti ancora posseggono in casa dei frigoriferi tradizionali di essa non dotati, alcuni dei quali – purtroppo – tendono, a volte in modo massiccio, ad accumulare ghiaccio sulla parte posteriore interna.

Laddove questo problema sia presente e non venga risolto, si va incontro a due problemi non secondari: una scarsa efficienza in termini di termoregolazione degli alimenti conservati all’interno del frigorifero stesso e una bassissima efficienza energetica, la quale introduce un forte e anomalo consumo di elettricità.

Questo progetto illustra i motivi per cui si forma il ghiaccio e come risolvere tale problema tramite l’uso della domotica personale basata sull’HUB gratuito Home Assistant.

Si parte

Come funziona un frigorifero

All’interno del frigo, nella parte posteriore, è solitamente nascosta una serpentina piena di gas refrigerante (evaporator coil, nell’immagine a seguire) il quale scorre gelido, in un circuito chiuso, grazie all’uso di un compressore (compressor) e di un evaporatore (expansion device).

Il compressore comprime il gas refrigerante che, per principio fisico, si riscalda. Il gas viene quindi fatto passare all’interno della griglia posteriore al frigo (la quale funge da radiatore), cedendo così calore per venire poi inviato all’evaporatore, concepito per riportarlo a bassa pressione. A questo punto però, per bilancio termodinamico, il gas si è di molto raffreddato e scorre così, finalmente, dentro la serpentina interna al frigorifero, fino a tornare nuovamente al compressore e ricominciare il giro.

La serpentina percorsa dal liquido gelido raffredda a sua volta la parete posteriore interna del frigorifero che, per conduzione all’aria circosante, raffredda l’ambiente interno al frigo e quindi i cibi. Volendo, maggiori dettagli sono disponibili qui.

 

Frigo - schema
il ciclo chiuso di raffreddamento.

Questo ciclo chiuso è gestito da un termostato interno: una volta raggiunta la temperatura media interna al frigo prevista dalla sua regolazione (alcuni modelli permettono di regolarne una specifica espressa in gradi, altri presentano solo regolazioni a scala graduata, ma il concetto resta il medesimo), la compressione del gas e la relativa circolazione vengono arrestate dal termostato, avviando così una fase “di riposo” con un lento riscaldamento del frigorifero e dei suoi contenuti; non appena la temperatura scende oltre un tot, il termostato riavvia il compressore e ciclo, e così via.

Va da sé che la parete posteriore interna del frigorifera tenda, mentre il ciclo è in corso, a diventare molto fredda, così come va da sé che il consumo elettrico del frigorifero sia concentrato sostanzialmente quando il compressore e la pompa di circolazione siano in esercizio piuttosto che quando il frigorifero si trovi nella fase “di riposo”.

Perché si forma la brina

L’aria naturalmente contiene acqua in una quantità che varia in funzione della temperatura. Tanto è più alta la temperatura dell’aria, tanto più ha maggiore capacità di trattenere acqua in sospensione sotto forma di vapore acqueo. La quantità di acqua è espressa in termini di percentuale di umidità, detta “relativa” proprio perché questa quantità potenziale varia in funzione della temperatura. A parità di umidità relativa e di volume d’aria, a 30 gradi o a 5 gradi l’aria non contine la stessa quantità d’acqua: ne contiene di più quella a 30 gradi.

In questo meccanismo (banale e cruciale) sta il motivo per cui, per esempio, quando si tira fuori dal frigorifero una bibita fredda, dopo poco (specie d’estate, quando l’aria è più calda e quindi maggiormente in grado di trattenere acqua) la bottiglia si ricopre rapidamente di umidità: l’aria calda toccando la superficie fredda della bottiglia si raffredda e quindi – riducendo la sua capacità di trattenere acqua sotto forma di vapore – raggiunge il 100% di umidità relativa cedendo, quindi, acqua in forma liquida sulla superficie fredda. Stessa cosa succede quando la mattina si trova la strada bagnata malgrado non abbia piovuto: durante la notte l’aria si è raffreddata al punto da raggiungere la temperatura detta “di rugiada” (ovvero quella per cui, raggiunta, l’umidità relativa raggiunge il 100%, facendo sì che l’acqua si depositi in forma liquida). Se e quando la temperatura scende sotto 0… troviamo la brina. E qui forse si starà capendo dove andiamo a parare.

La stessa cosa succede, infatti, nel frigorifero. Dato che la superficie posteriore è, durante il ciclo, molto fredda, l’aria più calda e umida nelle vicinanza, toccandola, si raffredda rapidamente e deposita la rugiada che, dato che la temperatura è molto bassa (tipicamente sotto o interno allo 0), si gela in brina. Quando però il ciclo si ferma solitamente la brina fa in tempo a sciogliersi, cola sul fondo come acqua liquida dove un piccolo foro le consente di uscire dal vano interno, raggiungere una parte calda (tipicamente il condensatore) ed evaporare all’esterno. Quando il frigorifero è di tipo no-frost, dei meccanismi interni “asciugano l’aria”, quindi il problema della brina è risolto a monte. 

Allora perché, se comunque nel frigorifero tradizionale la brina dovrebbe sciogliersi e sparire da sé, non solo si forma, ma talvolta si stratifica in ghiaccio?

Fattore importante affinché un frigorifero tradizionale (quindi senza tecnologia no-frost) non si riempia di brina sta nel fatto che il ciclo compressore/pompa sia inattivo un tempo sufficiente a disciogliere lo strato iniziale di brina che si forma. Un equilibrio perfetto di raffreddamento e distensione. Se questo invece non accade, la brina rimane dov’è, acquisendo nuovi strati, strato su strato, creandone uno piuttosto spesso di ghiaccio sul fondo del frigo.

L’equilibrio perfetto per evitare brina in un frigorifero tradizionale si ottiene sostanzialmente:

  • usando frigoriferi sì tradizionali ma comunque molto efficienti (ben coibentati, con cicli attivi più brevi eccetera);
  • regolando il termostato in modo che la temperatura fredda attesa sia tale da esser rapidamente raggiungibile (più il valore “target” è lontano, più il compressore è costretto a lavorare);
  • aprendo poco lo sportello (frequenti aperture innalzano enormemente la temperatura interna del frigo, riempiendola tra l’altro di nuova aria umida proveniente dall’esterno);
  • non caricando troppo di cibi il frigorifero.

Se si carica molto il frigo il compressore dovrà lavorare a lungo, continuativamente, per mantenere la temperatura bassa (maggiore “massa” da raffreddare prevede maggiore energia frigorifera), così se si apre spesso lo sportello. Se questo accade, il tempo necessario allo “sbrinamento automatico” spiegato sopra sarà troppo breve, fallendo nella sua impresa, causando quindi il formarsi sempre più intenso di ghiaccio sul fondo del frigo il quale, a sua volta, riduce la capacità della serpentina di raffreddare il frigorifero (il ghiaccio paradossalmente la “isola” – basti pensare alle case-igloo degli eschimesi), inducendo quindi il compressore a lavorare sempre di più, innescando un circolo vizioso che vede un frigorifero sempre più energivoro, sempre più lontano dalla temperatura ideale, sempre più pieno di ghiaccio.

Quindi, che fare?

Se, per diversi motivi, mantenere mediamente vuoto il frigorifero e ridurne drasticamente le aperture non sono opzioni sufficienti o fattibili, l’unica alternativa (obiettivamente la migliore) a comprare un frigorifero no-frost è quella di agire d’ufficio sul tempo di sbrinamento automatico.

E qui interviene la domotica gestita tramite Home Assistant.

Approccio

L’idea è quella di utilizzare un sensore (derivato, come vedremo) il grado di dirci “quanto il ciclo di raffreddamento sia stato fermo durante le ultime 24 ore” e, usando un’automazione, decidere nel momento di massima efficienza della giornata (di notte, quando nessuno – a logica – apre lo sportello), di spegnere il frigorifero quel tanto basta da non abbassare troppo la temperatura media ma tale da permettere a primo, piccolo strato di brina di sciogliersi, affrontando quindi la giornata successiva con il massimo grado di efficienze possibile e non permettendo la formazione di un grosso strato di ghiaccio posteriore.

Dato che la ricetta che suggeriremo non può essere specifica per quasiasi caso, ci doteremo degli strumenti utili a calibrare i parametri in gioco in modo intelligente e puntuale, utili a configurare il proprio caso personale.

DISCLAIMER IMPORTANTE: questo progetto è puramente concettuale e didattico. Prima di applicarlo, verificare sul manuale del proprio frigorifero tradizionale (se non direttamente presso il produttore) che lo spegnimento/riaccensione non causino, eventualmente, danni dei quali, va da sé, è responsabile l’utente stesso.

Sensori

Prima cosa fare è quella di installare a monte del frigorifero una spina intelligente la quale ci sappia dare la lettura pseudo/istantanea della potenza elettrica (l’assorbimento) del frigorifero, oltre a darci il controllo dell’erogazione della corrente. L’importante è che sia integrabile a Home Assistant: modelli esemplificativi utili allo scopo sono la Meross 310 o la Shelly Plug S.

Una volta integrate all’HUB sarà possibile monitorare l’andamento dell’assorbimento, il quale grafico avrà un andamento di questo tipo:

Home Assistant - Assorbimento frigorifero
il tipico andamento della potenza istantanea di un frigorifero.

Come si nota dal grafico, il compressore in pieno funzionamento causa un assorbimento quasi costatne attorno ai 40 Watt (almeno nel caso dell’esempio), per tornare attorno a 0 durante la fase di riposo. Possiamo quindi affermare che certamente, diciamo, sopra i 5 Watt (per darsi una soglia diversa da 0, il quale comunque non viene mai raggiunto di per certo) il frigorifero è considerabile operativo; sotto, no.

Per i nostri esempi ipotizzeremo che il sensore dato dall’integrazione della presa intelligente il quale riporti la potenza istantanea sia un’entità di nome sensor.fridge_power. Inoltre assumeremo che l’entità di tipo “Switch” che regola spegne/accende la presa (e quindi il frigo) si chiami switch.fridge.

Definiamo quindi un sensore di tipo “Binary” di stato il quale assuma stato on quando si superano i 5 Watt di potenza e off al di sotto. Questa tecnica è stata spiegata in maggior dettaglio qui, per chi volesse approfondire.

Per creare il sensore, modifichiamo il file di configurazione di Home Assistant andando ad aggiungere:

binary_sensor:
  - platform: template
    sensors:
      fridge_status:
        friendly_name: "Stato operativo FRIGORIFERO"
        value_template: "{{ states('sensor.fridge_power')| int(default=0) > 5 }}"
        device_class: power

Questo nuovo sensore, sensor.fridge_status, verrà a sua volta utilizzato per definire un sensore di tipo “History Stats” il quale riporti il numero di ore in cui il frigo sia stato in fase di riposo nelle ultime 24 ore (calcolate dinamicamente):

sensor:
  - platform: history_stats
    name: "Fridge OFF today"
    entity_id: binary_sensor.fridge_status
    state: 'off'
    type: time
    start: "{{ (now().timestamp() | float - 86400 ) }}"
    end: "{{ now().timestamp() | float }}"

Questo nuovo, ulteriore sensore si chiamerà sensor.fridge_off_today.

Home Assistant - Ore di spegnimento frigo
un andamento tipo.

Il grafico sopra mostra l’andamento del sensore, ovvero della quantità di tempo in cui, nelle ultime 24 ore, il ciclo di raffreddamento del frigorifero non ha operato. L’ultimo valore è di ben 15 ore e 40; in pratica, il compressore ha lavorato “solo” 8 ore e 20 minuti nelle ultime 24 ore.

Serve infine un sensore di temperatura che ci dica quale sia la temperatura media all’interno del frigo. Questo perché non vogliamo spegnere il frigorifero in un momento in cui, per un qualsiasi motivo, la temperatura sia già di per sé troppo alta: non dimentichiamo che lo spegnimento causa normale, progressivo innalzamento delle temperature interne, il quale non dev’essere né dannoso per il cibo né eccessivamente energivoro da recuperare successivamente alla riaccensione.

Allo scopo, abbiamo dedicato una scheda apposita:

Frigorifero tradizionale sotto controllo tramite la domotica Home Assistant

Helper

Infine ci servono degli elementi che ci consentano di pilotare l’automazione in modo da metterla a punto in funzione della propria casistica specifica, ma anche delle mutevoli condizioni a contorno che condizionino il comportamento del frigorifero (banalmente, il clima stagionale, ma anche la sua stessa efficienza e altro).

Useremo quindi due input number per decidere quante ore/minuti far durare il “blackout”.

I due helper possono essere configurati sia tramite interfaccia dell’HUB (“Impostazioni” > “Dispositivi e servizi” > “Aiutanti” > “Crea aiutante” > “Numero“) oppure tramite configurazione YAML come segue:

input_number:
  fridge_defrost_duration_hr:
    name: Durata defrost (hr)
    min: 0
    max: 2
    step: 1
  fridge_defrost_duration_min:
    name: Durata defrost (min)
    min: 1
    max: 59
    step: 1

Utilizzeremo quindi gli stati le due entità derivanti:

  • input_number.fridge_defrost_duration_hr
  • input_number.fridge_defrost_duration_min

per governare il comportamento dell’automazione.

Vetrina Promo

Automazione

A questo punto siamo pronti a scrivere la nostra automazione.
Come anticipato, si tratta solo di uno dei possibili approcci: starà all’utente, eventualmente, personalizzarla come meglio creda.

L’automazione tipo è la seguente:

automation:
  - alias: "SCHEDULE - Scongelamento frigo"
    id: "schedule_scongelamento_frigo"
    trigger:
      - platform: time
        at: '01:00:00'
    condition:
      - condition: state
        entity_id: group.awesome_people
        state: 'home'
      - condition: numeric_state
        entity_id: sensor.fridge_temperature_avg
        below: 6
      - condition: numeric_state
        entity_id: sensor.fridge_off_today
        below: 3
    action:
      - wait_template: '{{ is_state("sensor.fridge_status","off") }}'
        timeout: '01:00:00'
        continue_on_timeout: 'false'
      - service: switch.turn_off
        entity_id: switch.fridge
      - delay:
          hours: "{{ states('input_number.fridge_defrost_duration_hr')|int(default=0) }}"
          minutes: "{{ states('input_number.fridge_defrost_duration_min')|int(default=1) }}"
      - service: switch.turn_on
        entity_id: switch.fridge

Cominciamo dal trigger. 
Utilizziamo la piattaforma “Time” per far sì che l’automazione si avvi all’una di notte, ma ovviamente è possibile utilizzare qualsiasi trigger si preferisca.

Per quanto riguarda le condition, ovvero le condizioni che influenzano il fatto che l’automazione venga effettivamente eseguita o meno, ne abbiamo messe tre, in ordine:

  • la presenza in casa degli inquilini;
  • il fatto che la temperatura media del frigo sia inferiore a 6 gradi centigradi;
  • il fatto che il compressore sia rimasto spento sotto le 3 ore (quindi molto poco, causando quindi un iperlavoro del frigorifero, il che presumibilmente ha creato brina)

l’automazione, quindi, quando scatta all’1 di notte viene effettivamente eseguita solo quando tutte e tre le condizioni elencate sono verificate.

Infine, l’action, ovvero le cose da fare.

Innanzitutto, controlliamo che il compressore non stia lavorando al momento dell’avvio dell’automazione. Questo per evitare di levare corrente nel mezzo del processo di raffreddamento – non che sia dannoso, ma neanche salutare. Per farlo utilizziamo una wait:

      - wait_template: '{{ is_state("sensor.fridge_status","off") }}'
        timeout: '01:00:00'
        continue_on_timeout: 'false'

se entro un’ora il compressore non smette di lavorare, l’automazione si interrompe; se invece il compressore entro quel timeout torna in fase di riposo, prosegue.

Proseguendo, l’automazione leva corrente al frigo (agendo su switch.fridge), attende tot ore/minuti in base alla regolazione di input_number.fridge_defrost_duration_hr e input_number.fridge_defrost_duration_min e, passato quel tempo, riaccende il frigo (sempre agendo su switch.fridge).

Conclusioni

A questo punto non è necessario far altro che configurare la propria Dashboard al fine di visualizzare le entità coinvolte da questo progetto:

Home Assistant - Pannello scongelamento frigo

tramite esso sarà possibile disabilitare del tutto l’automazione (ultima voce), oppure agire sui parametri di durata del periodo di blackout (i due helper che esprimono ore e minuti), spegnere il frigo oppure consultare i sensori.

Va da sé che sia necessario maturare un po’ di esperienza per mettere a punto l’automazione, osservandone il comportamento in funzione di clima, carico ed efficienza del frigo, ma con un po’ di pazienza si può ottenere il risultato di spegnerlo, solo quando necessario, quel tanto che basta e inmodo automatico al fine di non formare più la tanto odiata brina e quindi il ghiaccio che leva efficienza (oltre a far consumare più energia) al frigorifero.

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