Comfortverhoging en energieoptimalisatie door slim anticiperen met MPC (Model Predictive Control) Filip Jorissen Wim Boydens Lieve Helsen

Transcriptie

1 Comfortverhoging en energieoptimalisatie door slim anticiperen met MPC (Model Predictive Control) Filip Jorissen Wim Boydens Lieve Helsen

2 Context: Systeemintegratie Image source: creative commons & pixabay.com 2

3 Systeemintegratie Integratie van: hermische massa en isolatie: traag systeem Warmtepomp: variabel rendement Interactie ventilatie en verwarming/koeling Hybride systemen Hernieuwbare energiebronnen ØUitdagingen voor klimaatregeling Image source: creative commons & pixabay.com 3

4 Systeemintegratie ØUitdagingen klimaatregeling Optimalisatiepotentieel: Energiegebruik hermisch comfort Commissioningproces Image source: creative commons & pixabay.com 4

5 Huidige praktijk Regelgebaseerde regeling Stooklijn Hysteresis regelaars Koel/verwarmingsmode Nachtverlaging Voorverwarming PI(D) regelaar Image source: creative commons & pixabay.com 5

6 Huidige praktijk Manuele implementatie en tijdsrovende calibratie van regels Regelaar Image source: creative commons & pixabay.com 6

7 Slimme gebouwen Systematisch en grotendeels geautomatiseerde implementatie en calibratie Regelaar Image source: creative commons & pixabay.com 7

8 Modelgebaseerde voorspellende regeling (MPC) Principe Wiskundige optimalisatie Minimalisatie kost Begrenzingen Comfort: temperatuur echnisch: capaciteit, etc Gebouwmodel Voorspelling dynamica Feedback Correctie via metingen J(x) h x 8

9 Modelgebaseerde voorspellende regeling (MPC) Hysteresis PI(D) MPC 9

10 Modelgebaseerde voorspellend regeling (MPC) Modelgebaseerd 10

11 MPC: methodologie Drie hoofdelementen, gebruikmakend van Modelica 1. Modelica-bibliotheken: IDEAS 2. Gebouwmodel: 1 to 1 mapping 3. Optimalisatie-toolchain Gebouwgeometrie HVAC ontwerp (Weer)voorspellingen Begintemperatuur Gebouwmodel oolchain for Automated Control and Optimization (ACO) Regelaar Regelsignalen 11

12 MPC: 1 to 1 mapping DN m3/h Schema prim_in Model 4 C E Pompes à chaleur Fabr.: VIESSMANN yp: VIOCAL 300-G FS 21 P y_actual P y_actual pump21v1 resse 1 C 4 C DN 65 Qv=9,8m3/h 19 G 34 kw M 43 kw DN 65 Qv=9,2m3/h FS 21 Δ4 c F pump19v1 P y_actual P y_actual pump21v2 1 C 4 C DN 65 Qv=9,8m3/h 19 I 34 kw M 43 kw DN 65 Qv=9,2m3/h FS 21a Δ4 c H pump19v2 P y_actual P y_actual pump21av1 1 C 4 C DN 65 Qv=6,9m3/h 20 K 24 kw M 29 kw DN 65 Qv=6,25m3/h FS 21a Δ4 c J prim_out 1 pump20v1 P y_actual P y_actual pump21av2 pip 1 C DN 65 Qv=6,9m3/h kw M 29 kw DN 65 Qv=6,25m3/h Δ4 c L pump20v2 DN DN 150

13 13

14 Resultaten Solarwind: Kantoorgebouw, m 2, 2 ventilatiegroepen, 24 zones (VAV + betonkernactivering + verwarmingsbatterij), 4 warmtepompen, geothermisch boorveld, frequentiegestuurde pompen en ventilatoren: 92 regelvariabelen en opzichte van regelgebaseerde regeling (simulaties): > 50 % energiebesparing [kwh el ] Beter thermisch comfort 14

15 Resultaten Besparingen COP: 4.5 => 5.5 Coordinatie ventilatie en betonkernactivering oerentalregeling pompen en ventilatoren able 10.1: Comparison between rule based controller (RBC), model predictive control (MPC), MPC with modified thermal comfort bounds () and a modified MPC implementation for the borefield (GEO) of annual electrical (Ele) and thermal energy use [MWh] for heating (Hea) and cooling (Coo) of the main HVAC units and their pumps. he indicated cooling energy for the air handling units is the net cooling provided by both units. Concrete core activation VAV AHU Heat pumps Borefield & pumps otal Hea Coo Ele Hea Ele Coo Hea Ele Hea Coo Ele Ele N S N S N S RBC MPC

16 Demonstraties EU-H2020 hybridgeoabs Infrax gebouw Kantoorgebouw, 3000 m 2 Voorbereidingen voor praktijkdemonstratie lopend er potterie Rusthuis, m 2 Solarwind 16

17 40 Ambient temperature 20 [ C] 0-20 Global horizontal irradiation [W/m2] 1000 [W/m ] 0 ABS control valve signals otal ABS heat flow rate [kw] Zone temperatures 24 [ C] Individual ABS heat flow rates [W] 0 [W] day 14 17

18 Potentieel en toekomstvisie Integratie met BIM-processen Automatische foutdetectie Koppeling met smart grids en thermische netten Zelflerende modellen Optimaal ontwerp en dimensionering van gebouwen Wish list: modulerende warmtepompen 18

19 hybridgeoabs 19