Korte- en lange-termijn optimale regeling van hybride GEOTABS gebouwen

Deze thesis onderzoekt de optimale regeling van hybride GEOTABS gebouwen zowel op korte als lange termijn én met de focus op het geothermisch boorveld aspect.

De energie-intensiteit van gebouwen is verminderd sinds de jaren 1990 maar nog niet voldoende om te compenseren voor de sterke toename die we zien in het vloeroppervlak van gebouwen. Als een resultaat hiervan zien we dan ook een sterke toename van het globale energiegebruik in gebouwen alsook in de gerelateerde CO2 uitstoot. Meer inspanningen in de richting van energie-efficiënte gebouwen zijn dan ook noodzakelijk.

GEOTABS is een zeer efficiënt gebouwconcept dat bestaat uit een geothermische warmtepomp (GEO) die geconnecteerd is met een thermisch geactiveerde gebouwstructuur (TABS) én uitgebreid is met een snel-reagerend supplementair productie- en/of afgiftesysteem. De verwachtte besparingen van dit concept worden echter teniet gedaan door de operationele complexiteit waardoor optimale regelaars zoals “Model Predictive Controle” (MPC) sterk aangewezen zijn. De tijdsconstante van de dynamische processen in de grond van het geothermische boorveld is echter veel groter dan de typische voorspellingshorizon van MPC. Daarom is het onzeker of MPC (i) de optimale oplossing geeft en (ii) de bodem mogelijks zal uitputten op lange termijn.

Het eerste deel van de thesis bespreekt in detail het hierboven genoemde probleem en de motivatie die ons tot dit onderzoek heeft gebracht. Verder introduceert het aan de lezer de basisconcepten en instrumenten die we gebruikt hebben gedurende het onderzoek.

Het tweede deel van de thesis focust op de methodologische ontwikkelingen. In een eerste stap, wordt de MPC formulering uitgebreid met de boorveld korte-termijn dynamiek door een variabele COP formulering én een dynamisch boorveldmodel te integreren. Het boorveld grondmodel werd aangepast van een event-based belastingsaggregatieschema naar een weerstand - capaciteit netwerk dat de thermische diffusie in de grond weergeeft. We konden vaststellen dat het gebruik van een variabele COP leidt tot een betere regeling en een slimmer gebruik  van de warmtepomp en dat piekbelastingen worden vermeden. Een boorveldmodel is noodzakelijk, zeker wanneer er een risico bestaat op uitputting van de bodem. Om de lange-termijn dynamiek  van het geothermische boorveld te onderzoeken, is er een zogenoemde “schaduwkost” toegevoegd aan de objectieffunctie van de MPC. Het boorveld grondmodel is aangepast van een event-based belastingsaggregatieschema naar een continu schema. Gebruikmakend van vooraf aangegeven warmte- en koelbehoeften, is de optimalisatie uitgebreid met energiebalansvergelijkingen voor elke specifiek geval, om zo de optimale opsplitsing in belasting te berekenen tussen de verschillende systemen. De boorveld fluïdumtemperatuur wordt beïnvloed door de acties van de voorgaande voorspellingen en de korte-termijn optimalisatie. De methodologie is gevalideerd en gedemonstreerd, waarbij werd aangetoond dat er potentieel zit in een stap verder dan de standaard korte-termijn MPC formulering.

Aangezien sommige toestanden binnenin de ontwikkelde boorveldmodellen verborgen of ongekend zijn, is de accuraatheid van de modellen in een werkelijke toepassing nog af te wachten. Daarom werden toestandschatters getest en geëvalueerd in beide boorveld regelaarmodellen. Een eenvoudige 1-stap Kalman filter leidt tot accurate resultaten voor de snelle processen in het warmtedragend fluïdum en de boorputvulling, terwijl een complexer meerstappen algoritme, zoals  “Moving horizon estimation”, geschikter is voor de tragere processen in de grond rond de boorput.

Met als doel de praktische toepasbaarheid te testen van de methodes ontwikkeld in het tweede deel van deze thesis, presenteert het derde luik de toepassing van deze methodes in een emulator van een echt gebouw dat momenteel werkt met de korte-termijn MPC. De huidige MPC implementatie van het gebouw veronderstelt een constante temperatuur voor het boorveld, wat leidt tot een thermische onbalans. Door de toevoeging van een boorveldmodel in de regelaar en de schaduwkost in de MPC formulering worden verdere energiebesparingen bekomen en de thermische onbalans vermindert. Het systeem kon werken met een boorveld dat verkleind was met 72.3% in vergelijking tot zijn originele grootte.

De nieuwe methodologieën werkten goed, zelfs onder de limieten van rekenkrachtbeperkingen en model mismatch, wat de flexibiliteit en robuustheid aantoont van de ontwikkelde methodologieën.

Het vierde en laatste deel vat de voornaamste bevindingen van het onderzoek samen en doet nieuwe onderzoeksvoorstellen voor de toekomst die, vanuit het perspectief van de auteur, zouden moeten volgen op deze studie.