Model predictive control approaches for energy efficiency in buildings with heat pump and storage systems

Air-to-water heat pump is one of the most common and energy efficient way for a building heating system, particularly floor-heating plants. One way to further improve its effectiveness is to control the heat pump exploiting the load dependency of its coefficient of performance, and exploit it in the control decision in a predictive manner, anticipating its effect on the building temperature. This dissertation studies the impact of using different types of energy storages integrated with a heat pump for energy efficiency in radiant-floor buildings. In particular, on one hand, the performance of the building energy resources management system is improved through the application of model predictive control to better anticipate the effects of disturbances and real-time pricing together with following the modular structure of the system under control. To this end, the load side and heating system are decoupled through a 3-element mixing valve, which enforces a fixed water flow rate in the building pipelines. Hence, the building temperature control is executed by a linear model predictive control, which in turn is able to exchange the building information with the heating system controller. On the contrary, there is a variable action of the mixing valve, which enforces a variable circulated water flow rate within the tank. In this case, the optimization problem is more complex than in literature due to the variable circulation water flow rate within the tank layers, which gives rise to a nonlinear model. Therefore, nonlinear model predictive control is used to deal with many physical constraints and nonlinear problems. Alternatively, linear time-varying MPC is also used, based on successive linearizations around a reference trajectory. The other goal of the dissertation is to analyze the advantages and disadvantages of those MPC techniques for temperature control in radiant-floor buildings. Moreover, a robustness analysis has been conducted, showing the impact of the heat pump efficiency on the control performance.

La pompa di calore Air-to-water è uno dei più comuni ed energeticamente efficienti sistemi per il riscaldamento degli edifici, in particolare per gli impianti di riscaldamento a pavimento. Un modo per migliorare ulteriormente la sua efficacia è controllare la pompa di calore sfruttando la dipendenza dal carico del suo coefficiente di prestazione e sfruttarla nella decisione di controllo in modo predittivo, anticipando il suo effetto sulla temperatura dell'edificio. Questa dissertazione studia l'impatto dell'utilizzo di diversi tipi di accumulatori di energia integrati con una pompa di calore per l'efficienza energetica negli edifici con riscaldamento a pavimento. In particolare, le prestazioni del sistema di gestione delle risorse energetiche degli edifici sono migliorate attraverso l'applicazione del modello di controllo predittivo, per anticipare meglio gli effetti dei disturbi e dei prezzi in tempo reale, oltre a seguire la struttura modulare del sistema controllato. A tal fine, il lato di carico e l'impianto di riscaldamento sono disaccoppiati attraverso una valvola miscelatrice a 3 elementi, che applica una portata d'acqua fissa nelle condutture dell'edificio. Quindi, il controllo della temperatura dell'edificio viene eseguito da un controllo predittivo del modello lineare, che a sua volta è in grado di scambiare le informazioni dell'edificio con il controllore del sistema di riscaldamento. Al contrario, c'è una azione variabile della valvola miscelatrice, che impone una portata d'acqua circolante variabile all'interno del serbatoio. In questo caso, il problema di ottimizzazione è più complesso che in letteratura, a causa della portata variabile dell'acqua di circolazione all'interno degli strati del serbatoio che dà origine a un modello non lineare. Pertanto, il controllo predittivo del modello non lineare viene utilizzato per gestire molti vincoli fisici e problemi non lineari. In alternativa, viene utilizzato anche “linear time-varying MPC”, basato su linearizzazioni successive attorno a una traiettoria di riferimento. L'altro obiettivo della tesi è quello di analizzare i vantaggi e gli svantaggi di quelle tecniche di MPC, per il controllo della temperatura negli edifici con riscaldamento a pavimento. Inoltre, è stata condotta un'analisi di robustezza, che mostra l'impatto dell'efficienza della pompa di calore sulle prestazioni del controllo.