Weather data for heat pump system control improvement : analysis of instantaneous and forecasted measurements and evaluation of potential energy savings

The present work deals with a study related to the analysis of weather data for heat pump system control improvement based on both instantaneous and forecasted measurements. In particular, the analysis is firstly focused on the comparison of multiple weather sources for the assessment of weather forecast uncertainties, based on the evaluation of errors in prediction with respect to measured values. Afterwards, the results are compared with the ones related to persistent predictions methods that assumes the state of the atmosphere to be stationary over the considered time interval. The development and testing of a new preliminary “predictive” control logic is also performed, thanks to TRNSYS numerical simulations, considering a typical Swedish single-family house located in Stockholm, with the aim of optimizing the operation of a heat pump heating system based on solar radiation prediction to yield energy and cost savings. With the crucial points of accuracy and precision by which the local weather processes can be predicted, the same TRNSYS model is run accounting for perfect predictions and solar radiation forecasted values. From this perspective, given the fact that forecast of solar radiation are usually absent within most of the weather forecast datasets, a deep analysis is also performed on hourly measurements of solar radiation to define a simple and effective methods to calculate hourly solar radiation predictions. The results show that, when a short-time horizon is considered, persistent predictions allow to provide forecasts with a sufficient accuracy, whereas, when longer horizon time are considered, significantly higher errors are calculated when persistent prediction techniques are adopted. Independently of the uncertainties considered for weather forecasts, the improved control logics demonstrated a potential for energy savings and improvements in indoor temperature stability when compared with a reference case of variable speed compressor with PID controller.

Il presente lavoro di tesi propone un’analisi di dati meteorologici basata su misurazioni istantanee e previsioni, con la finalità di migliorare il controllo di un sistema a pompa di calore. Calcolando gli errori tra i valori previsti e quelli misurati, l'analisi si concentra sul confronto di diversi servizi meteorologici per la valutazione delle incertezze relative alle previsioni. I risultati ottenuti sono confrontati con quelli relativi a metodi di previsione che presuppongono, nell'intervallo di tempo considerato, uno stato stazionario dell'atmosfera (persistent predictions). In aggiunta, viene anche proposto lo sviluppo di una nuova logica di controllo "predittivo" in grado di utilizzare le previsioni di radiazione solare per ottimizzare il funzionamento di un sistema di riscaldamento basato su una pompa di calore. Tale studio è stato condotto utilizzando il software TRNSYS, servendosi di simulazioni relative ad una tipica casa monofamiliare svedese, situata a Stoccolma. Mantenendo l’accuratezza e la precisione con cui è possibile prevedere i processi meteorologici come punti fondamentali dell’analisi, lo stesso modello TRNSYS è utilizzato considerando sia il caso di perfette previsioni, sia quelli di previsioni di radiazione solare calcolate. In quest’ottica, dato che, le previsioni della radiazione solare non sono fornite dalla maggior parte dei servizi meteorologici, un'analisi approfondita viene eseguita anche sulle misurazioni orarie di radiazione solare con lo scopo di definire un metodo semplice ed efficace per il calcolo di tali previsioni. I risultati mostrano che, quando brevi orizzonti temporali sono considerati, le tecniche basate su persistent predictions consentono di fornire previsioni con sufficiente precisione ed accuratezza, mentre, quando orizzonti temporali più lunghi sono considerati, gli errori non sono più trascurabili. Indipendentemente dalle incertezze considerate per le previsioni del tempo, l’utilizzo delle logiche di controllo sviluppate, quando paragonate con un controllore ad algoritmo PID basato su un compressore a velocità variabile, permettono di migliorare l’efficienza energetica del sistema e allo stesso tempo incrementare la stabilità della temperatura dell’ambiente interno.