Doctorandus/a PhD student

Naam: Clara Verhelst

Partners

KU Leuven

Promotie / Defence

When: 20/04/2012 14:00
Language: nl

Waar: aula van de Tweede Hoofdwet, 01.02, Kasteelpark Arenberg 41, 3001 Heverlee

Promotor / Supervisor

  • Prof. dr. ir. Lieve Helsen (promotor)
  • Prof. dr. ir. William D'haeseleer (co-promotor)

Samenvatting van het onderzoek / Summary of Research

English version below

Grondgekoppelde warmtepompsystemen (GGWP) in combinatie met lagetemperatuur-afgiftesystemen zoals betonkernactivering (BKA) hebben een primair energiebesparingspotentieel van ruim 50% in vergelijking met klassieke verwarmings- en koelinstallaties. In koudere klimaten zoals België, kan de bodem benut worden als warmtebron voor de warmtepomp (WP)en als koudebron voor
passieve koeling (PK). Om de investering in grondwarmtewisselaars te beperken, wordt de GGWP vaak ontworpen voor het dekken van de basislast, met een conventionele back-up installatie voor het opvangen van de piekvermogens. 

In de praktijk blijkt het energiebesparingspotentieel van BKA-GGWP systemen met huidige regelstrategieën moeilijk te realizeren. Dit is te wijten aan een statische benadering van het systeemgedrag en een niet-optimale afstemming van de drie subsystemen (gebouw, installatie en bodem). Dit doctoraat stelt het ontwerp van een modelgebaseerde predictieve regelaar (MPC) voor die de
werking van het systeem optimaliseert vanuit een integrale systeembenadering, rekening houdend met thermisch comfort, energiekost en thermische balans in de bodem. Een belangrijk aspect hierbij is het definiëren van een zowel nauwkeurig als eenvoudig regelaarmodel voor de drie subsystemen.

De resultaten tonen aan dat MPC een energiekostbesparing van 20% tot 30% kan realizeren in vergelijking met huidige stookcurve/koelcurve regelstrategiëen. MPC benut de thermische massa van BKA om optimaal gebruik te maken van variaties in de elektriciteitsprijs en om piekvermogens - en dus het gebruik van de
duurdere back-up installatie(s) - tot een minimum te herleiden. De voornaamste beperking op de thermische vermogens van en naar de bodem is hierbij de temperatuursgrenzen in de grondwarmtewisselaars. De bodem fungeert daarom optimaliter als dissipator van warmte en koude, niet als opslagmedium. Reductie
van het piekvermogen door MPC laat bovendien een kleinere dimensionering toe, wat leidt tot significante besparingen in de investeringskost.

Model Predictive Control of Ground Coupled Heat Pump Systems in Office Buildings

Ground coupled heat pump (GCHP) systems combined with low-temperature heat emission systems such as concrete core activation (CCA) have a primary energy savings potential of more than 50% compared to conventional installations for space heating and cooling. In colder climates, such as in Belgium, the ground is used as a heat source for the heat pump (HP) and as a heat sink for passive cooling (PC). Because of thehigh investment cost of the ground loop heat exchangers, GCHP systems are often designed for based load operation. A conventional backup installation is added to cover the peak loads.

Currently, however, the energy savings potential of CCA-GCHP systems is rarely realized in practice. This is mainly due to the fact that current control strategies are based on a static system representation and do not optimally combine the different sublevels (building, installation and ground). This work presents a model predictive control (MPC) strategy which optimizes the system
operation from an integrated system's perspective with maximization of thermal comfort, minimization of energy cost and a long term sustainable use of the ground as control objectives.

The results indicate that MPC can realize energy cost savings of up to 20-30% compared to the conventional heating curve/cooling curve-based control strategies. MPC uses the CCA thermal mass to make optimal use of the variations in electricity price (through load shifting) and to minimize the use of the expensive backup system (through peak load reduction). The latter is achieved by controlling the heat fluxes to and from the ground such that the fluid temperature in the ground loop heat exchangers remains within its
limits. The ground thereby optimally serves as a good dissipator of heat and cold, rather than as a seasonal storage device. Additionally, reduction in the peak load enables smaller installation sizes resulting in significant savings in the investment cost.

Volledige tekst van het doctoraat / full text

Examencommissie / Board of examiners

  • Prof. dr. ir. Lieve Helsen (promotor)
  • Prof. dr. ir. William D'haeseleer (mede-promotor)
  • Prof. dr. ir. Paul Van Houtte (voorzitter/chairman)
  • Prof. dr. ir. Jan Swevers (secretaris/secretary)
  • Prof. dr. ir. Eric Van den Bulck
  • Prof. dr. ir. Jan Berghmans
  • Prof. dr. ir. Hugo Hens
  • Prof. dr. Jeffrey Spitler , Oklahoma State University
  • Prof. dr. Gerd Vandersteen , Vrije Universiteit Brussel, Building K, Room K430