Adaptive modellbasierte prädiktive Regelung einer Kleinwärmepumpenanlage

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1 Research Collection Doctoral Thesis Adaptive modellbasierte prädiktive Regelung einer Kleinwärmepumpenanlage Author(s): Bianchi, Mikael Andreas Publication Date: 2006 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH Nr AdaptiveModellbasiertePrädiktiveRegelung einer Kleinwärmepumpenanlage ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTORDER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der EIDGENÖSSISCHENTECHNISCHENHOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von MIKAEL ANDREAS BIANCHI Dipl. MaschineningenieurETH geboren am 15. August 1978 von Avegno, TI Angenommenauf Antrag von Prof. Dr. H. P. Geering, Referent Prof. Dr. A. Steinfeld, Korreferent 2006

3 Zusammenfassung Kleinwärmepumpenanlagenwerden heutzutage fast ausschliesslich mit witterungsgeführten Zweipunkt-Reglern betrieben. Mit dieser RegelStrategie ver sucht man primär eine optimale Regelung des Wärmeabgabesystemszu errei chen. Spezielle Forderungen an die Wärmepumpenwie lange Laufzeiten, hoher Niedertarifanteil oder kleiner Hilfsenergieverbrauch werden dabei nur zweitrangig berücksichtigt. Am Institut für Mess- und Regeltechnikwurde ein neuer Wärmepumpenreg ler für die Hausheizung basierend auf der modellbasierten prädiktiven Rege lung (MPC) entwickelt. Im Unterschied zu den konventionellen Regelungs strategien der Wärmepumpen, welche nur die aktuellen Messungen für die Regelung berücksichtigen,bestimmt der modellbasierte prädiktivereglerden Wärmebedarf anhand der Wetterprognosen, der Vorhersagen des Wirkungs grads der Wärmepumpe und der Kosten (Hoch- bzw. Niedertarif) sowie der Sperrzeiten der Elektrizitätswerke. Der berechnete Wärmebedarf wird dann anhand der Pulsbreitenmodulation (PBM) in ein Ein/Ausschaltsignal für die Wärmepumpeumgeformt. Um das MPC-Problemzu lösen, wird ein dynamisches lineares Modell der Hausheizung verwendet. Dieses Modell basiert auf einfachen thermodynamischen Effekten. Die resultierendendifferentialgleichungenhängen von meh reren physikalischen Parametern ab. Da diese Parameterje nach Gebäudetyp variieren, wird eine Identifikationsmethode gebraucht. Im Rahmen dieser Dissertationwurde ein adaptiver MPC-Regler entwickelt. Als Ziel sollen die thermischen Eigenschaften des Gebäudes anhand eines Online-Parameteridentifikationsalgorithmusgeschätzt werden, so dass die Reglerparameter dem Gebäudetypangepasst werden. Es werden verschiedene Identifikations methoden verglichen. Weiter werden die Robustheit gegenüber Störungen, die Detektion der Sonnenstrahlungsgewinneund die Konsistenz der identifi zierten Parameter untersucht. Das identifiziertemodell soll in der Lage sein, das thermische Verhalten des Gebäudes für die nächsten24 Stunden gut vor herzusagen.

4 ii Zusammenfassung Am Institut für Mess- und Regeltechnik wurde ein Wärmepumpenprüfstand für Sole/Wasser-Wärmepumpenentwickelt, um einen Vergleich zwischen Wärmepumpen-Reglerkonzepten zu ermöglichen. Dabei können die Regler sequentiell unter gleichen Bedingungenverglichen werden. Im Wärmepum penprüfstand werden sowohl das thermische Verhalten eines Gebäudes als auch das thermische Verhalten einer Erdwärmesondefür eine reale Wärme pumpe emuliert. Das Erdwärmesondenmodellund das Hausmodellsimulieren in Echtzeit jeweils die Wärmepumpenquelle und die Wärmeabgabe. Dabei werden die Solltemperaturen am Rücklauf des Sole- bzw. Heizwasserkreis laufs in Abhängigkeit der gemessenentemperaturen am Ausgang der Test wärmepumpe und der synthetischen Wetterdaten(wie Aussentemperaturund Sonnenstrahlung) generiert. Ein Anlageregler sorgt dafür, dass diese Soll werte am Wärmepumpenprüfstandeingehalten werden. Da diese Bedingun gen am Wärmepumpenprüfstand reproduzierbar sind, können die Wärme pumpenregler am Wärmepumpenprüfstandverglichen werden.

5 Abstract Small heat pump heating Systems are controlled almost exclusively by relaytype Controllers whose setpoint is chosen as a function of the outdoor tem perature. The main strategy of such Controllers is to optimally control the heat deliverysystem. Special demands on the heat pump, such as extendedrunning ümes, high portions of low-tariff heating, or low usage of auxiliary power, are given secondaryattention only. A new Controller for heat pumps has been developed at the Measurement and Control Laboratory using the model predictive control concept. Contrary to conventional heat pump Controller strategies, which exclusivelyuse the actual measurements, the model predictive Controller calculates the required heat energy by means of the predicted course of the outdoor temperature, the efficiency of the heat pump, the power costs (high and low tariff), and the power cut-off times imposed by electricpower providers.to transform the required heat energy into an on/off switch signal for the heat pump, the pulse-width modulationtechnique is used. To solve the model predictive control problem for the specific problem of house heating, a dynamiclinear model ofthe house is required. The model for the Controller is based on simple thermodynamiclaws. The resulting equa tions contain a set of a priori unknownparameters; furthermore, since the pa rameters of the model differ from one house to another, an identification mechanism is indispensable. Within the scope of this doctoral thesis a selfadapting MPC Controller has been developed. Its function is to automatically detect the thermal behavior of the house and its heating system by on-line parameter identification techniques in order to adjust the Controller parame ters aecording to preset demands. Different families of recursive parameter identification methods are compared. Furthermore, the robustness with re spect to disturbances,the detection of solar radiation, and the consistency of the identified parameters are investigated. The identified model must be able to predict reliably the house dynamics for the next day. In order to compare different control concepts sequentially under identical conditions, a test bench for dynamic tests on a brine-to-water heat pump was

6 iv Abstract built at the Measurement and Control Laboratory. On this test bench it is possible to emulate dynamically, for a real heat pump, the thermal behavior of a house as well as the thermal behavior of an earth probe. Models of the thermal behavior of the house and of the earth probe are thus simulated in real-time. As a result, the reference temperatures for the inlet of the heat pump are calculated on the basis of the measured outlet temperatures of the heat pumpand of selected weather data such as outdoortemperature and solar radiation. A control system ensures that these setpoint values are tracked by the corresponding physical quantities at the test bench. Since these conditions are reproducible, the Controllers can be compared equitably under the same conditions.