A predictive control strategy for energy management in building with radiant floors and thermal storage

Due to the growing energy demand in residential buildings, thermal energy control and overall power consumption reduction in this section has become a hot research topic. Development of an energy management system to modify consumer’s energy consumption patterns is a substantial solution toward this problem. Also, there are numerous strategies to improve the energy consumptions trend in building sector, recent uses of demand side management (DSM) is proved to be a considerable way for achieving thermal and electrical energy saving. DSM concept refers to all the actions which make a change in power demand behavior in demand side, including shaping end user electricity consumption by modification of efficiency in heating devices, exploiting additional equipment and advanced controllers. Hence, recently there has been a growing interest towards energy storage systems, particularly thermal energy storage (TES). It gives the possibility to shape the demand profile in an economic way based on dynamic electricity tariff, by storing energy in thermal term during off-peak hours. This thesis focuses on developing a novel control model for the integration of TES, HVAC system, building and local renewable energy sources to be used in optimization techniques. The presented control framework is based on Model Predictive Control (MPC) to better anticipate the effects of disturbances (e.g. weather conditions and user requirements on the load side, electricity price, etc.). A distributed structure has also been considered, to follow the modular structure of the system under control with the aim of optimizing energy consumption costs and improving the indoor comfort level. Furthermore, the novel configuration of TES coupled with a heat pump, a mixing valve and radiant floor buildings giving rise to a more complex model with respect to the literature ones.

A causa della crescente domanda di energia negli edifici residenziali, il controllo dell'energia termica e la riduzione complessiva del consumo energetico in questa settore sono diventati un tema di ricerca molto caldo. Lo sviluppo di un sistema di gestione dell'energia per modificare i modelli di consumo energetico del consumatore è una possibile soluzione a questo problema. Il concetto di Demand side management (DSM) si riferisce a tutte le azioni che modificano il comportamento della domanda di energia, includendo il consumo di elettricità degli utenti finali modificando l'efficienza nei dispositivi di riscaldamento, sfruttando apparecchiature aggiuntive e controllori avanzati. Di recente, c'è stato un crescente interesse verso i sistemi di accumulo di energia, in particolare l'accumulo di energia termica (TES). Esso dà la possibilità di modellare il profilo della domanda dal punto di vista economico basandosi sulla tariffa dinamica dell'elettricità, immagazzinando energia in termini termici durante le ore non di punta. Questa tesi si concentra sullo sviluppo di un nuovo modello di controllo con integrazione di sistemi TES, sistemi HVAC e fonti di energia rinnovabili locali da utilizzare nelle tecniche di ottimizzazione. La struttura di controllo presentata è basata su Model Predictive Control (MPC) per anticipare meglio gli effetti dei disturbi (ad esempio, da un lato, condizioni meteorologiche e requisiti degli utenti, dall’altro prezzo dell'elettricità, ecc.). È stata anche considerata una architettura distribuita, coerentemente alla struttura modulare del sistema sotto controllo al fine di ottimizzare i costi e migliorare il livello di comfort interno. Inoltre, la nuova configurazione con sistemi TES accoppiata a pompe di calore, valvole di miscelazione e edifici a pavimento radiante danno origine a un modello più complesso rispetto a quelli disponibili in letteratura.