Konference Vytápění Třeboň 2013 14. až 16. května 2013
VYHODNOCENÍ PILOTNÍHO NASAZENÍ PREDIKTIVNÍHO ŘÍZENÍ V RÁMCI PROJEKTU GEOTABS Ing. Jan Široký1, Doc. Ing. Lukáš Ferkl, Ph.D.2, Ing. Tomáš Vízner3 1 2
ENERGOCENTRUM PLUS, s.r.o
ČVUT, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov 3
MIKROKLIMA, s.r.o.
ANOTACE V článku jsou shrnuty dosavadní výsledky z pilotního nasazení prediktivního řízení sálavého vytápění, které bylo realizováno v rámci mezinárodního výzkumného projektu Geotabs. Tento projekt byl zaměřen na spojení sálavého vytápění a tepelných čerpadel země/voda. Jedním z klíčových úkolů byl návrh optimální strategie řízení. Bylo zvoleno prediktivní řízení, které umožňuje zohlednit velmi pomalou dynamiku budov se sálavým vytápěním a maximálně tak využít vlastností propojení sálavého vytápění a tepelného čerpadla země/voda. Návrh prediktivní strategie byl nejdříve ověřen simulačně a poté aplikován na reálné budově v Belgii. Článek popisuje aplikaci na reálné budově. ÚVOD Článek se zabývá pilotním nasazením prediktivního regulátoru, které bylo realizováno v rámci mezinárodního výzkumného projektu Geotabs. Mezinárodní projekt Geotabs (řešený od 1. 2. 2011 do 31. 1. 2013) byl zaměřen na využívání teplených čerpadel země/voda a sálavého vytápění a chlazení. V rámci projektu a pilotního ověření jsme se zaměřili na vytápění, tudíž se v popisu dále omezíme pouze na vytápění, nicméně, většina dále uvedených informací se týká i chlazení. Tepelná čerpadla země/voda i sálavé vytápění jsou v dnešní době populární technologie a zejména v západní Evropě je možné se setkat s budovami, které využívají obě zmíněné technologie najednou. Toto energeticky efektivní řešení vytápění má i svá úskalí, zejména zvýšené nároky na návrh řídicí strategie. V rámci projektu Geotabs byla na pilotní budově v Belgii úspěšně aplikováno prediktivní řízení, které umožňuje plně využít potenciálu spojení tepelných čerpadel země/voda a sálavého vytápění. Představení pilotní budovy Pilotní budova se nachází v městě Hasselt v Belgii (viz. Obr. 1). Budova má pět podlaží: podzemní garáže, tři kancelářská podlaží a jeden byt na střeše. V rámci nasazení prediktivního řízení jsme se zaměřili pouze na tři kancelářská podlaží, která spotřebují naprostou většinu dodávaného tepla. Celková podlahová plocha třech kancelářských podlaží je 4 300 m2. Topení je zajištěno primárně pomocí sálavého vytápění. Systém topných hadů je zabudován ve dvou vrstvách (double layer thermally activated building systems) v každé podlaze kromě přízemí kde je výtápění zajišťováno pomocí podlahového topení zabudovaného těsně pod povrchem. Při konstrukci budovy bylo využito odlehčení betonové konstrukce založeného na patentované technologii firmy AirDeck (viz. Obr. 2). Budova je také vybavena vzduchotechnickou jednotkou, která slouží primárně k výměně vzduchu, nikoliv k topení.
Obr. 1 Pilotní budova ve městě Hasselt, Belgie.
Dodávku tepla zajišťuje tepelné čerpadlo země/voda využívající systém 22 vrtů hlubokých 75 metrů. Systém topení je doplněn také záložním kotlem s elektrickým ohřevem, nicméně naprostá většina dodávané energie je dodávána tepelným čerpadlem. Řízení systému sálavého vytápění bylo založeno na standardních postupech využívajících ekvitermní křivky a nočních a víkendových útlumů. Tato strategie řízení bude v článku dále označována jako „neprediktivní řízení“. V rámci projektu Geotabs byl vyvinut prediktivní regulátor (Model-based Predictive Control – MPC), který byl během podzimu 2012 nasazen v testovacím provozu a od počátku roku 2013 řídí budovu v rutinním provozu. Bližšímu popisu prediktivního regulátoru je věnována následující kapitola.
Obr. 2 Systém odlehčení betonových podlah využitý na pilotní budově.
NÁVRH PREDIKTIVNÍHO REGULÁTORU Prediktivní řízení se v průmyslu používá od sedmdesátých let 20. století, kdy tento regulátor vznikl na základě požadavků řízení ropných plošin. Dnes je rozšířený především v chemickém průmyslu, energetice, ale například i v automobilech. V posledních letech se prediktivní řízení úspěšně prosazuje i při řízení budov [1,2]. Prediktivní regulátor využívá termodynamický model budovy a předpovědi počasí. Díky tomu je možné předpovídat vývoj vnitřních teplot v krátkodobém horizontu a na základě toho hledat nastavení parametrů regulace tak, aby byly splněny požadavky na hodnoty vnitřních teplot a přitom byla minimalizována energetická náročnost. Jádrem algoritmu prediktivního řízení je řešení optimalizační úlohy s daným kritériem optimality a modelem procesu (viz. Obr. 3). Kritérium optimality je voleno podle konkrétní řešené úlohy. V průmyslu to typicky bývá požadavek na maximalizaci objemu výroby a zisku, minimalizaci vstupních nákladů, minimalizaci množství vedlejších produktů apod. V případě vytápění budovy je to dodržení požadovaných vnitřních teplot a minimalizace energie potřebné k vytápění. Dále je možné
definovat omezení jako například maximální množství energie, které je schopné dodat teplené čerpadlo. Prediktivní regulátor také umožňuje zohlednit v čase proměnou cenu energie. Tato vlastnost byla uplatněna díky tomu, že cena elektřiny odebírané tepleným čerpadlem byla dána denním resp. nočním tarifem. Prediktivní regulátor navrhoval dodávku energie tak, aby bylo optimálně využito levnějšího nočního tarifu. Dále byl prediktivním regulátorem zohledněn požadavek na minimalizaci počtu vypnutí a zapnutí tepelného čerpadla. Díky pozvolnějším změnám v požadovaném množství dodávané energie byl výrazně snížen počet vypnutí a zapnutí (dle předběžných výsledků přibližně o třetinu).
Obr. 3 Základní princip MPC regulátoru. Podle systému (v našem případě budovy) se nalezne model, který pak slouží jako podklad pro optimalizaci, která hledá takové řízení, aby byla spotřeba budovy minimální a zároveň byl zachován tepelný komfort. ZHODNOCENÍ Zatím není možné udělat komplexnější vyhodnocení celé topné sezóny vzhledem k tomu, že je budova řízena prediktivním regulátorem pouze několik týdnů. Nicméně je možné sledovat některé zásadní odlišnosti mezi prediktivní a neprediktivní strategií řízení. Budova má značnou tepelnou setrvačnost a v některých případech je nutné začít topit více než den předem. Na druhou stranu, v některých situacích je dostačující zapnout topení pouze na pár hodin před pracovní dobou. Tuto variabilitu není neprediktivní regulátor schopen postihnout, a proto často dochází k porušení komfortu, případně mírnému přetápění celé budovy. Prediktivní strategie řízení přispěla k výraznému zlepšení vnitřního komfortu a zároveň bylo dosaženo snížení nároků na vytápění budovy. Obě strategie řízení jsou porovnány a blíže komentovány na obrázcích 4 a 5. Pokusili jsme se kvantifikovat míru úspor a zlepšení komfortu. Za tímto účelem byly vybrány dva měsíční úseky dat s podobným charakterem počasí. V jednom úseku byla budova řízena pomocí prediktivní strategie řízení, v druhém úseku byla řízena pomocí předchozí, neprediktivní strategie řízení. Výsledky jsou shrnuté v tabulce 1. Je patrné, že bylo dosaženo více než šestinásobného snížení porušení komfortu a zároveň více než 17 % úspory energie na vytápění. Při interpretaci dosažených výsledků je třeba brát v úvahu fakt, že průměrná teplota v období, kdy byla budova řízena pomocí prediktivní strategie řízení, byla o 0.36 °C vyšší, než v případě neprediktivní strategie řízení. Nicméně i při opačném poměru venkovních průměrných teplot prediktivní řízení vykazuje podobné úspory energie.
Prediktivní řízení (MPC) 24
°C
23
teplota přízemí teplota 1. patro teplota 2. patro požadovaná min. teplota
22 21 20 02/03
02/04
02/05
02/06
02/07
kW
100
02/08
02/09
dodaná energie
50 0
02/03
02/04
02/05
02/06
02/07
02/08
02/09
Obr. 4 Typický týdenní průběhy vnitřních teplot a dodané energie při použití prediktivní strategie řízení. Zobrazený úsek začíná víkendem, kdy není dodáváno téměř žádné teplo. Již v neděli večer začíná prediktivní regulátor budovu topit tak, aby bylo v pondělí ráno dosaženo požadovaného komfortu. Během celého týdne jsou udržovány relativně vyrovnané teploty (vyšší teploty v 2. patře jsou dané tepelnými zisky, které není možné systémem řízení ovlivnit). Neprediktivní řízení 24
°C
23
teplota přízemí teplota 1. patro teplota 2. patro požadovaná min. teplota
22 21 20 01/16
01/17
01/18
01/19
01/20
kW
100
01/21
01/22
dodaná energie
50 0
01/16
01/17
01/18
01/19
01/20
01/21
01/22
Obr. 5 Typický týdenní průběhy vnitřních teplot a dodané energie při použití neprediktivní strategie řízení. Během víkendu je dodáváno teplo, aby se zmírnilo vychládání a bylo snadněji dosaženo komfortu v pondělí ráno. Většinou ale dojde v pondělí ráno k výraznému nedotopení budovy, jak je vidět i na vybraném úseku. Budova se během týdne den ode dne ohřívá, což často vede k neekonomickému přetopení budovy na konci týdne (tento jev není na zobrazeném úseku).
Tab. 1 Vyhodnocení úspor a zlepšení komfortu dosaženým prediktivním regulátorem. Úspora dosažená pomocí prediktivního řízení 17,26 %
Porušení komfortu v porovnávaném období Prediktivní Neprediktivní řízení řízení 2.14 Kh
Průměrná venkovní teplota v porovnávaném období Prediktivní řízení
Neprediktivní řízení
2,88 °C
2,52 °C
13,96 Kh
ZÁVĚR V článku bylo prezentováno úspěšné nasazení prediktivního regulátoru pro řízení sálavého vytápění ve spojení s tepleným čerpadlem. Z naměřených dat je patrné, že prediktivní řízení přináší značné zlepšení komfortu a také výraznou úsporu nákladů na vytápění. Při použití prediktivního řízení byl také výrazně snížen počet vypnutí a zapnutí tepelného čerpadla. Zjevnou nevýhodou jsou vyšší náklady na implementaci prediktivního regulátoru. Je proto nutné jej aplikovat na větší objekty se sálavým vytápění, kde je příznivá doba návratnosti vložených nákladů.
Projekt byl podpořen z finančních prostředků Evropské unie.
LITERATURA [1]
ŠIROKÝ, J., OLDEWURTEL, F., CIGLER, J., PRÍVARA, S., Experimental analysis of model predictive control for an energy efficient building heating system, Applied Energy 88 (9) (2011) 3079–3087.
[2]
PRÍVARA, S., ŠIROKÝ, J., FERKL, L., CIGLER, J., Model predictive control of a building heating system: The first experience, Energy and Buildings 43 (2) (2011) 564–572.
