Modeling, Simulation and Control of a CO2 Heat Pump and Heating Facility

Abstract

Økte energikostnader og økende bekymring for miljøet har ført til et behov for energi- og kostnadseffektive oppvarmingsløsninger. Karbondioksid (CO2) varmepumper er et mer miljøvennlig alternativ sammenlignet med tradisjonelle kjølemedier som klorfluorkarboner og hydrofluorkarboner, som bidrar til ozonlagets nedbrytning. Til tross for omfattende forskning på bruken av CO2 som kjølemedium, er det fremdeles behov for å utforske automatiske kontrollstrategier for å forbedre nøyaktighet og effektivitet i oppvarmingssystemer.

Denne masteroppgaven presenterer en omfattende undersøkelse av effektiviteten til Proporsjonal-Integral-Derivasjon (PID) og Model Predictive Control (MPC) strategier for temperaturregulering i et CO2-basert varmepumpeanlegg og dets tilhørende oppvarmingsanlegg. Studien har som mål å sammenligne ytelsen til disse reguleringsmetodene og bestemme deres egnethet for praktiske anvendelser. For å oppnå dette ble det utviklet en simuleringsplattform ved hjelp av Matlab og Simulink. En RC-modell av oppvarmingsanlegget ble konstruert og koblet til to forskjellige modeller: en forenklet radiator-modell og en mer kompleks CO2-varmepumpe-syklusmodell. PID- og MPC-reguleringsstrategiene ble implementert på begge modellene, noe som muliggjorde en direkte sammenligning av deres ytelse i temperaturreguleringen i oppvarmingsanlegget.

Simuleringsresultatene avdekket at MPC-reguleringsstrategien hadde overlegne evner til å følge temperaturendringer sammenlignet med PID-regulering. MPC-regulatoren viste presis temperaturkontroll og sikret at ønsket temperaturmål ble opprettholdt. PID-regulatoren viste tilfredsstillende ytelse i temperaturreguleringen, noe som indikerer potensialet for bruk i temperaturregulering i bolighus. PID-regulatorens enkle oppbygning og implementering gjør dem til et praktisk valg for boligapplikasjoner der rask og presis temperaturregulering ikke er kritisk.

Disse funnene gir verdifull innsikt i valget av egnede kontrollstrategier for temperaturregulering i CO2-varmepumpesystemer. Forskningen bidrar til forståelsen av PID- og MPC-kontrollmetoder, inkludert deres styrker og begrensninger. Videre bidrar utviklingen av termiske bygningsmodeller til økt forståelse av energidynamikk, varmeoverføringsprosesser og optimalisering av HVAC-systemer. Resultatene kan veilede fremtidige tiltak for å optimalisere kontrollstrategier, med sikte på å forbedre energieffektivitet og øke komforten i boligoppvarmingssystemer.

Increased energy costs and growing environmental concerns have prompted a search for energy-efficient and cost-effective heating solutions. Carbon dioxide (CO2) heat pumps have emerged as a more environmentally friendly option compared to the ozone depleting traditional refrigerants like chlorofluorocarbons and hydrofluorocarbons. Despite extensive research on the use of CO2 as a refrigerant, the exploration of automatic control strategies for enhancing accuracy and efficiency of heating systems is yet to be addressed.

This thesis presents a comprehensive investigation into the effectiveness of Proportional-Integral-Derivative (PID) and Model Predictive Control (MPC) strategies for temperature regulation in a CO2 heat pump system and its connected heating facility. The study aims to compare the performance of these control methods and determine their suitability for practical applications. To achieve this, a simulation framework was developed using Matlab and Simulink. An RC model of the heating facility was constructed and connected to two different models: a simplified radiator model and a more complex CO2 heat pump cycle model. The PID and MPC control strategies were implemented on both models, allowing for a direct comparison of their performance in regulating the temperature within the facility.

The simulation results revealed that the MPC control strategy exhibited superior temperature tracking capabilities compared to PID. The MPC controller demonstrated precise temperature control, ensuring the desired setpoint temperature was consistently maintained. Conversely, the PID controller showcased satisfactory performance in temperature regulation, indicating its potential suitability for controlling temperatures in residential homes. The simplicity and ease of implementation associated with PID controllers make them a practical choice for residential applications, where precise temperature control may not be as critical.

These findings provide valuable insights into the selection of appropriate control strategies for temperature regulation in CO2 heat pump systems. The research contributes to the understanding of PID and MPC control methods, their strengths, and their limitations. Furthermore, the development of thermal building models contributes to the understanding of energy dynamics, heat transfer processes, and the optimization of Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC) systems. The results can guide future efforts in optimizing control strategies for enhanced energy efficiency and improved comfort in residential heating systems.