Model Predictive Control Applied to Ground Source Heat Pumps Master Thesis

Building heating is one of the most important sources of energy consumption. Ground Source Heat Pumps (GSHP) are efficient heating systems, particularly popular in the Nordic countries. However, the GSHPs available for the consumer market today typically only utilize basic control schemes that are relatively inflexible. More advanced strategies such as Model Predictive Control (MPC) appear as a promising approach to improve comfort while reducing consumption. The present thesis considers a typical user case of a single family house heated by a ground source heat pump willing to reduce its environmental impact. We design a MPC controller to be used on top of the existing heat pump system and with almost no additional hardware needed. Specific attention is dedicated to the system’s efficiency in order to reflect the real working performances of a ground source heat pump. The controller is evaluated in simulation on different scenarios using an identified model of a single family house. The results show the MPC strategy becomes most beneficial when including time varying prices or reduced comfort during certain hours of the day. When both are conjugated the economic savings are up to 8% despite the loss of efficiency of the heat pump. The controller was implemented and tested on a real system with promising results. Sammanfattning Uppvärmning av byggnader är en av samhällets största energiförbrukare. I Norden används ofta bergvärmepumpar som ett effektivt alternativ för uppvärmning. De flesta bergvärmepumpar styrs av väldigt enkla algoritmer. Model Predictive Control (MPC) är en lovande metod för att ta hänsyn till både inomhustemperatur och energiförbrukning, speciellt om man har tillgång till en väderprognos. Denna rapport studerar hur ett typiskt enfamiljshus kan minska sin energiåtgång och miljöpåverkan. Ansatsen är att lägga till ett yttre reglersystem till bergvärmepumpen. Speciell vikt läggs vid modellering av bergvärmepumpens effektivitet. Olika scenarion jämförs, bland annat att ta hänsyn till elprisets variation över dygnet med hjälp av ekonomisk MPC. Simuleringar visar att användning av MPC är mest fördelaktig i det fall både elpriset och krav på innetemperatur varierar över dygnet. I sådana fall kan energikostnaden minska med upp till 8%, trots att bergvärmepumpen stundtals arbetar i ett ogynnsamt driftläge. Ett verkligt system har använts för systemidentifiering och experiment med en MPCregulator. Résumé Le chauffage représente aujourd’hui l’un des plus importants postes de dépense énergétique. Les pompes à chaleur géothermiques sont une alternative efficace, particulièrement prisée dans les pays nordiques. Les systèmes actuellement disponibles sur le marché disposent d’un contrôle basique et peu flexible. Des stratégies de commande plus avancées telles que la commande prédictive peuvent permettre de garantir une température intérieure confortable tout en diminuant la consommation. L’objectif de cette étude est d’évaluer le potentiel de réduction tant de la consommation énergétique que de la facture d’électricité. La prise en compte de l’efficacité de la pompe à chaleur s’avère alors primordiale. Différents scénarios sont présentés, et incluent notamment des prix de l’électricité variables en utilisant la commande prédictive économique (EMPC). Les résultats en simulation montrent que la commande par MPC devient bénéfique en intégrant à la fois un confort et des prix variables, avec des économies allant jusqu’à 8% et ce malgré la perte d’efficacité de la pompe à chaleur. Les applications pratiques sont traitées en procédant à une identification du système et avec l’implémentation et le test d’un contrôleur.