Sääennusteen hyödyntäminen rakennusten energiakustannusten optimoinnissa

Abstract

Tämän työn tarkoituksena on selvittää, voiko sääennustetta hyödyntää rakennusautomaation osana rakennuksen energiankulutuksen optimoinnissa. Kulutuksen vähentäminen on tärkeää, sillä siitä syntyy rahallisia säästöjä ja myös vähentää hiilidioksidipäästöjä. Tämä energiasäästö perustuisi rakennuksen lämmittämiseen optimaalisella hetkellä. Työssä selvitetään rakennuksen dynamiikkaa ja miten sää vaikuttaa siihen. Lisäksi tutustutaan malliprediktiiviseen säätöön. Tässä työssä muodostetaan rakennuksen dynaaminen malli. Muodostettuun malliin suunnitellaan malliprediktiivinen säädin (engl. Model Predictive Control). Malliprediktiivinen säätö on säätötapa, jossa säädin laskee tiedossa olevien arvojen perusteella prosessille optimaalisen ohjauksen, joka minimoi säätäjän kustannusfunktiossa määritellyt kustannukset parametrien painoarvojen mukaan. Sääennuste liitetään osaksi tätä malliprediktiivistä säätöä. Tässä työssä sääennusteena toimii todellinen säätiladata, joten työssä ei oteta sääennusteen epävarmuutta huomioon. MPC-säätö antaa rakennuksen sisälämpötilan vaihdella lämmittämällä rakennusta eniten otollisella hetkellä perustuen sääennusteeseen. Säädin suunnitellaan käyttämällä Matlabin MPC työkalua. Säätöä testataan simuloimalla sitä Simulinkissä. Saatuja tuloksia MPC-säädöstä verrataan simulointituloksiin, jotka on saatu perinteisellä säätömenetelmällä eli PI-säädöllä. Tulosten vertailussa on huomattavissa selkeitä eroja siinä, miten säädöt käyttäytyvät. Työn tulosten mukaan MPC-säätöä käyttämällä saadaan aikaan pieni säästö energiankulutuksessa. Tästä saatavan rahallisen säästön lisäksi MPC-säätö ei synnytä lämmitystehoon piikkejä, jonka ansiosta pystytään säästämään kaukolämpömaksuissa. Tuloksien perusteella sääennusteen liittämisellä osaksi säätöä on mahdollista saada hyötyjä aikaan. Saadut tulokset tarvitsevat kuitenkin lisää tutkimusta, että menetelmän lopullinen tehokkuus saadaan selville. Aihe vaatii myös lisää tutkimusta, sillä tässä työssä ei paneuduttu tiettyihin oleellisiin sääennusteen ja MPC-säädön elementteihin, kuten sääennusteen epävarmuuden vaikuttamista MPC-säätöön.