Evaluation of scalable methods of MPC on building HVAC systems in virtual and real environments

Bygninger står for en stor andel av verdens energiforbruk. I Norge går over 60 % av energibruken i bygg til oppvarmingsformål, og en stor andel av dette er direkte elektrisk drevet. Det er et stort potensial for å redusere energibruk i bygninger gjennom bedre styring. Samtidig er bygninger en stor fleksibilitetsressurs i energisystemet. Det er et stort press på strømnettet, og bedre drift av bygninger, både ved å bruke mindre og å flytte energiforbruk i tid, kan frigjøre kapasitet til andre formål, slik som elektrifisering av industri, ny industri eller elbillading. Dermed kan man redusere behovet for investeringer i strømnettet. Ettersom den største andelen av bygninger som skal være i bruk de neste 25 årene allerede er bygd, er det viktig å rette tiltak mot den eksisterende bygningsmassen. I dette prosjektet ser vi på hvordan data-drevne styringsalgoritmer kan brukes til å styre varme, kjøling og ventilasjonssystemer i bygg på en mer optimal måte, og muliggjøre mer fleksibel styring av forbruket. Hovedfokuset er på Modellbasert prediktiv styring (Model Predictive Control (MPC)). Dette er en metode som baserer seg på en forenklet modell av bygget og energisystemet, og optimerer energibruken fremover i tid. Den kan benytte andre prediksjoner for fremtiden, slik som værmelding og prissignaler til å sikre optimal drift. En kan også legge inn begrensinger, slik som ønsket romtemperatur eller kapasitet for komponenter i systemet. Selv om MPC har vært brukt i industriprosesser i mange år og potensialet er vist i mange vitenskapelige artikler, er det foreløpig lite anvendt i virkelige bygg. Det er flere grunner til det: • Bygninger er ulike: Alle bygg er forskjellige, og brukerne er forskjellig. Dette gjør det vanskelig å lære på tvers av byggene • Mangelfull data og lav kvalitet: Det er stor forskjell i instrumenteringsnivået på bygninger og selv fra de bygningene som er vel utstyrt er ofte kvaliteten dårlig eller dataene feil merket. • Kommunikasjonen er ikke standardisert: Det finnes mange ulike kommunikasjonsprotokoller og tilknytningsprotokoller. Dette fører til behov for mange ulike tilpasninger for hver enkelt implementasjon. For å øke sannsynligheten for storskala implementering er derfor fokuset i prosjektet å finne MPC konsepter som er skalerbare på tvers av ulike bygg og som kan klare seg med begrenset mengde data. For å teste og evaluere de ulike MPC-tilnærmingene, benyttes både virtuelle testmiljøer og reelle bygninger. Virtuelle tester gjennomføres i BOPTEST (Building Optimisation Performance test) – en åpen simuleringsplattform som gjør det mulig å sammenligne styringsstrategier på en standardisert måte. Dette gir en trygg og kostnadseffektiv arena for utvikling og prototyping. I tillegg gjennomføres eksperimenter i faktiske bygninger eid av SINTEF, inkludert det moderne ZEB-laboratoriet. Dette gir tilgang til både sanntidsdata og mulighet for kontrollerte forsøk. En del av prosjektet er å sammenligne tester i virtuelle og virkelige miljøer. Basert på dette kan man videreutvikle de virtuelle testmiljøene slik at de gir realistiske sammenligninger av ulike kontrollalgoritmer.