Control-oriented modelling of a heat pump connected to a hot water tank for energy efficiency in residential building

Air-to-water heat pump is currently one of the most energy efficient systems, in particular for thermal regulation of radiant floor buildings. An additional advantage in terms of energy efficiency can be found in heat pumps with integrated water tank, as inertial thermal buffer. First of all, a model of the system is obtained, tuning the main components, namely the heat pump, the water tank, and the building, on the real devices in the SYSLAB laboratory, Department for Electronical Engineering, Risoe Campus, Denmark Technical University (DTU). This model, labelled in the thesis as reference model, is used to obtain a simplified model (control-oriented model) for the implementation of a model-based control strategy. It is in fact possible to further improve the efficiency of the heating system analyzed, by designing a control strategy that exploits the dependence on the load of the coefficient of performance of the heat pump (COP ). Through the prediction of the COP it is possible to anticipate the impact of the heat pump on the temperature of the building to be heated. In this context, Model Predictive Cotrnol (MPC) techniques are extremely useful, as they allow to anticipate the effects of disturbances in real time, the variations in the price of electricity and the dynamics of the system under control. In the case studied, the load side, that is the building, and the heating system, are decoupled through a 3-element mixing valve, which imposes a fixed water flow in the building pipes. The MPC can use the information of the building, coming both from the measurements in real time and from the forecasts obtained owning the control-oriented model of the system, to control heat pump and valve. The valve control action changes the dynamics of the water tank integrated with the heat pump, leading to a non-linear problem. Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) is used to manage the various physical constraints and non-linear dynamics of the system. The objective of the thesis is to study the advantages and disadvantages, from the point of view of energy cost saving and optimization of the thermal comfort of the building, obtainable from the development of a model-based control strategy, which relies on the simplified model of the system reference model.

Il riscaldamento con pompa di calore aria-acqua è attualmente uno dei sistemi più efficienti dal punto di vista energetico, in particolare per la regolazione termica di edifici con pannelli radianti. Un ulteriore vantaggio in termini di efficienza energetica si può riscontrare nelle pompe di calore con serbatoio d'acqua integrato, come buffer termico inerziale. In primo luogo, viene realizzato un modello del sistema tarando le principali componenti, ossia la pompa di calore, il serbatoio d'acqua, e l'edificio, sui dispositivi reali presenti nel laboratorio SYSLAB, Department for Electronical Engineering, Risoe Campus, Denmark Technical University (DTU). Tale modello, denominato nell'elaborato come reference model, viene sfruttato per ottenere un modello semplificato (control-oriented model) per la realizzazione di una strategia di controllo model-based. È infatti possibile migliorare ulteriormente l'efficienza del sistema di riscaldamento analizzato, progettando una strategia di controllo che sfrutti la dipendenza dal carico del coefficiente di performance (COP) della pompa di calore. Attraverso la predizione del COP si è in grado di anticipare l'impatto della pompa di calore sulla temperatura dell'edificio da riscaldare. In tale contesto le tecniche di Model Predictive Cotrnol (MPC) sono estremamente utili, in quanto permettono di anticipare in tempo reale gli effetti dei disturbi, le variazioni sul prezzo dell'energia elettrica e dinamiche del sistema sotto controllo. Nel caso studiato, il lato del carico, cioè l'edificio, e il sistema di riscaldamento, sono disaccoppiati attraverso una valvola di miscelazione a tre vie, che impone una portata d'acqua fissa nelle tubazioni dell'edificio. L'MPC può utilizzare le informazioni dell'edificio, provenienti sia dalle misurazioni in tempo reale che dalle previsioni ottenute conoscendo il modello del sistema, per controllare pompa di calore e valvola. L'azione di controllo della valvola modifica la dinamica del serbatoio dell'acqua integrato con la pompa di calore, rendendo il problema non lineare. Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) viene utilizzato per gestire i vari vincoli fisici e le dinamiche non lineari del sistema. L'obiettivo della tesi è studiare i vantaggi e gli svantaggi, dal punto di vista del risparmio energetico e dell'ottimizzazione del comfort termico dell'edificio, ottenibili dallo sviluppo di una strategia di controllo model-based, sviluppata con l'utilizzo di un modello semplificativo del sistema di riferimento.