Control and energy optimization of ground source heat pump systems for heating and cooling in buildings

Resumo

[EN] In a context of global warming concern and global energy policies, in which heating and cooling systems in buildings account for a significant amount of the global energy consumption, ground source heat pump (GSHP) systems are widely considered as being among the most efficient and comfortable heating and cooling renewable technologies currently available. Nevertheless, both an optimal design of components and an optimal operation of the system as a whole become crucial so that these systems can have a significant contribution to the attenuation of the global energy problem. The overall objective of this PhD dissertation is to perform the control and energy optimization of an experimental GSHP system installed at the Universitat Politècnica de València, making the control system adaptive to the thermal demand of the building and to the climate conditions. For that purpose, different control strategies are proposed, described, developed, implemented and tested in the system. The optimization of any system requires a comprehensive study of its behaviour, by means of a thorough analysis of all the variables and parameters implied on its performance. Therefore, the first step is to analyse the short-term performance of the system, but also the long-term performance based on the experimental data collected at the installation. Second and prior to developing any optimization strategies, it is important to analyse the optimal configuration of the system according to the objectives targeted. This objective includes the study of the best location for the temperature control sensor and the buffer tank, as well as an adequate size for this buffer tank. Finally, once the behaviour of the system has been fully understood, the components of the system are the most efficient according to the possibilities of the research work and they have been connected adequately, the final objective is to develop control and optimization strategies which optimize the operation of the experimental GSHP system. These strategies target the control of the heat pump compressor, but also and more importantly, the energy optimization of the complete system. The focus is not in optimizing the performance of each individual component, but in optimizing the energy performance of the system working as a whole. In this direction, a first approach which combined a temperature compensation strategy and the variation of the frequency of the water circulation pumps, and hence the flow rate, as a function of the thermal load of the building, was first attempted. The application of this first approach resulted in significant energy savings, but also in a lack of user comfort in some of the offices under extreme weather conditions during summer. Consequently, the control and optimization methodology has been upgraded in a global algorithm (which is the final result of this PhD thesis) which couples both strategies in order to ensure the user comfort while keeping significant energy savings. In brief, this PhD work provides a comprehensive experimental study for the energy optimization of a GSHP system for both cooling and heating operation. Experimental results for a one-year operation period demonstrate important energy savings when compared to the standard control operation, up to 35% in the summer season and 53% in the winter season, while keeping the user comfort. [ES] En un contexto de creciente preocupación por el calentamiento global y de políticas energéticas internacionales, en el cual los sistemas de climatización en edificios representan una parte importante del consumo energético global, los sistemas de bomba de calor geotérmica están ampliamente considerados como una de las tecnologias de climatización de espacios más eficientes disponibles en la actualidad. Sin embargo, tanto un buen diseño de los componentes como una óptima operación del sistema son de vital importancia para que estos sistemas puedan contribuir de manera significativa a atenuar el problema energético global. El objetivo general de esta tesis doctoral es el control y la optimización energética de una instalación experimental de bomba de calor geotérmica construida en la Universitat Politècnica de València, haciendo que el sistema de control se adapte a la demanda térmica del edificio y a las condiciones climatológicas. Para ello, se proponen diferentes estrategias de control, las cuáles son descritas, desarrolladas, implementadas y evaluadas a lo largo de este trabajo de investigación. La optimización de cualquier sistema requiere un amplio estudio de su comportamiento, analizando concienzudamente todas las variables y parámetros implicados en su funcionamiento. Por tanto, el primer paso llevado a cabo es el análisis de los días típicos de funcionamiento de la instalación, pero también su comportamiento a más largo plazo, a partir de los datos experimentales recogidos. En segundo lugar, y como paso previo al desarrollo de las estrategias de optimización, es importante analizar la configuración óptima del sistema de acuerdo con los objetivos perseguidos. Este objetivo incluye el estudio de la posición del sensor de temperatura empleado para el control y del depósito de inercia, así como el dimensionamiento adecuado de este depósito. Finalmente, una vez se ha analizado en profundidad el funcionamiento del sistema, los componentes del mismo son lo más eficientes posible, y éstos han sido conectados de manera adecuada, el objetivo final es el desarrollo de estrategias de control y optimización energética que optimicen la operación de la instalación experimental de bomba de calor geotérmica. Estas estrategias se dirigen principalmente a la optimización del sistema completo. El objetivo no es optimizar el funcionamiento de cada componente de manera individual, sino optimizar el comportamiento energético del sistema trabajando como un todo. En este sentido, se desarrolló una primera metodología que combinaba la compensación de la temperatura de consigna de la bomba de calor en función de la temperatura ambiente exterior, y la variación de la frecuencia de las bombas de circulación (y por tanto el caudal de agua) en función de la carga térmica del edificio. La aplicación de esta primera estrategia resultó en una importante mejora del rendimiento energético, pero también en la pérdida de confort en algunas de las oficinas climatizadas cuando las condiciones climatológicas eran extremas durante el verano. En consecuencia, la metodología de control y optimización desarrollada fue mejorada dando como resultado un algoritmo global de optimización energética (que es el resultado final de esta tesis), el cual acopla ambas estrategias anteriores de manera que se cumpla el confort del usuario y se mantenga un ahorro de energía significativo. En resumen, esta tesis doctoral proporciona un estudio experimental exhaustivo de la optimización energética de un sistema de bomba de calor geotérmica para la climatización de un edificio de oficinas. Los resultados experimentales para un año completo de funcionamiento del sistema muestran un ahorro de energía significativo en comparación con el modo de control de referencia, hasta un 35% en modo refrigeración y un 53% en modo calefacción, a la vez que se mantiene el confort de los usuarios. [CAT] En un context de creixent preocupació per l'escalfament global i de polítiques energètiques internacionals, en el qual els sistemes de climatització en edificis representen una part important del consum energètic global, els sistemes de bomba de calor geotèrmica estan amplament considerats com una de les tecnologies de climatització més eficients disponibles en la actualitat pel que fa a la climatització d'espais. No obstant això, tant un bon disseny dels components com una operació òptima del sistema són de vital importància per tal que aquests sistemes puguen contribuir de manera significativa a atenuar el problema energètic global. L'objectiu general d'aquesta tesi doctoral és el control i l'optimització energètica d'una instal·lació experimental de bomba de calor geotèrmica construïda a la Universitat Politècnica de València, fent que el sistema de control s'adapte a la demanda tèrmica de l'edifici i a les condicions climatològiques. Amb aquest objectiu, es proposen diferents estratègies de control, les quals són descrites, desenvolupades, implementades i avaluades al llarg d'aquest treball d'investigació. L'optimització de qualsevol sistema requereix un ampli estudi del seu comportament, analitzant conscienciosament totes les variables i paràmetres implicats en el seu funcionament. Per tant, el primer pas duit a terme és l'anàlisi dels dies típics de funcionament de la instal·lació, però també el seu comportament a més llarg termini, a partir de les dades experimentals recollides. En segon lloc, i com pas previ al desenvolupament de les estratègies d'optimització, és important analitzar la configuració òptima del sistema d'acord als objectius perseguits. Aquest objectiu inclou l'estudi de la posició del sensor de temperatura emprat pel control i del dipòsit d'inèrcia, així com el correcte dimensionament d'aquest dipòsit. Finalment, una vegada s'ha analitzat en profunditat el funcionament del sistema, els components d'aquest són el més eficients possible, i han sigut connectats de manera adequada, l'objectiu final és el desenvolupament d'estratègies de control i optimització energètica les quals optimitzen l'operació de la instal·lació experimental de bomba de calor geotèrmica. Aquestes estratègies es dirigeixen principalment a l'optimització del sistema complet. L'objectiu no és optimitzar el funcionament de cada component de manera aïllada, sinó més bé optimitzar el comportament energètic del sistema treballant com un tot. En aquest sentit, es va desenvolupar una primera metodologia que combinava la compensació de la temperatura de consigna de la bomba de calor en funció de la temperatura ambient exterior, i la variació de la freqüència de les bombes de circulació (i per tant del cabdal d'aigua) en funció de la càrrega tèrmica de l'edifici. L'aplicació d'aquest primer apropament va resultar en una important millora del rendiment energètic, però també en la pèrdua de confort en algunes de les oficines climatitzades quan les condicions climatològiques eren extremes durant l'estiu. En conseqüència, la metodologia de control i optimització desenvolupada va ser millorada resultant en un algoritme global d'optimització energètica (resultat principal d'aquesta tesi), el qual acobla ambdues estratègies anteriors de manera que es complisca el confort de l'usuari i es mantinga un important estalvi d'energia. En resum, aquesta tesi doctoral proporciona un estudi experimental exhaustiu de l'optimit\-zació energètica d'un sistema de bomba de calor geotèrmica per la climatització d'un edifici d'oficines. Els resultats experimentals per un any complet de funcionament del sistema mostren un estalvi d'energia significatiu en comparació amb el mode de control de referencia, fins un 35% en mode refrigeració i un 53% en mode calefacció, a la vegada que es manté el confort dels usuaris.