SolIce-TES – Advanced energy management control for ice storage with photovoltaics for cooling applications

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502725

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Dieses Projekt zielt darauf ab, ein fortschrittliches Energiemanagementsystem auf der Grundlage der modellprädiktiven Regelung (MPC) zu entwickeln, um den Betrieb sogenannter „SolIceTES“-Systeme für Raumkühlungsanwendungen zu optimieren. Ein SolIceTES-System besteht aus einem Eisspeicher mit Eis auf einer Spule, der mit Photovoltaik und einem Kompressionskühler gekoppelt ist. Ein solches System ermöglicht die Verlagerung oder Glättung von Kühllastspitzen. Der Betrieb von SolIceTES-Systemen ist jedoch eine komplexe Aufgabe, da der Kühler bei Temperaturen unterhalb der Versorgungstemperatur arbeitet, was seine Leistung stark beeinträchtigt, es sei denn, die Steuerung ist ordnungsgemäß optimiert. Daher wird ein Co-Simulations-Rahmenwerk eingerichtet, das aus einem mathematischen Optimierer besteht, der mit TRNSYS-Systemsimulationen gekoppelt ist. In TRNSYS wird das SolIceTES-System detailliert modelliert und simuliert. Der Optimierer, der mit vereinfachten Komponentenmodellen arbeitet, fungiert als MPC und gibt die optimalen Werte der Steuerungsvariablen an TRNSYS weiter, um beispielsweise die Systemkosten zu minimieren oder die Systemeffizienz zu maximieren. Das wirtschaftliche und energetische Potenzial von MPC in SolIceTES-Systemen wird analysiert. Das entwickelte Co-Simulations-Framework wird in verschiedenen Szenarien mit Schwerpunkt auf Bürogebäuden eingesetzt. Darüber hinaus wird der Nutzen des SolIceTES-Systems für andere Kühlanwendungen, darunter Krankenhäuser, Supermärkte und die Fertigungsindustrie, bewertet. Schließlich werden die Vor- und Nachteile von Eisspeichern mit MPC im Vergleich zu elektrischen Batterien und herkömmlichen Klimaanlagen bewertet.

Kurzbeschreibung (Englisch)

This project aims to develop an advanced energy management system based on model predictive control (MPC) to optimize the operation of so-called “SolIceTES” systems for space cooling applications. A SolIceTES system consists of an ice-on-coil ice storage coupled with photovoltaics and a compression chiller. Such a system allows for shifting or smoothing out of cooling load peaks. However, operating SolIceTES systems is a complex task, since the chiller operates at temperatures below the supply temperature, which strongly penalizes its performance, unless the control is properly optimized. Therefore, a co-simulation framework will be set up, consisting of a mathematical optimizer, coupled to TRNSYS system simulations. In TRNSYS, the SolIceTES system is modelled and simulated in high detail. The optimizer, working with simplified component models, will act as the MPC and pass the optimal values of the control variables to TRNSYS, such as to minimize system cost or to maximize system efficiency. The economic and energetic potential of MPC in SolIceTES systems will be analysed. The developed co-simulation framework will be used in different scenarios focusing on office buildings. Moreover, the benefit of the SolIceTES system for other cooling applications including hospitals, supermarkets and manufacturing industry will be evaluated. Finally, the advantages and disadvantages of ice batteries with MPC compared to electric batteries and conventional air conditioning systems will be evaluated.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Ce projet vise à développer un système avancé de gestion de l'énergie basé sur un modèle de contrôle prédictif (MPC) afin d'optimiser le fonctionnement des systèmes dits « SolIceTES » pour les applications de refroidissement des locaux. Un système SolIceTES consiste en un stockage de glace sur serpentin couplé à des panneaux photovoltaïques et à un refroidisseur à compression. Un tel système permet de déplacer ou d'atténuer les pics de charge de refroidissement. Cependant, l'exploitation des systèmes SolIceTES est une tâche complexe, car le refroidisseur fonctionne à des températures inférieures à la température d'alimentation, ce qui pénalise fortement ses performances, à moins que le contrôle ne soit correctement optimisé. Par conséquent, un cadre de co-simulation sera mis en place, consistant en un optimiseur mathématique, couplé à des simulations de systèmes TRNSYS. Dans TRNSYS, le système SolIceTES est modélisé et simulé de manière très détaillée. L'optimiseur, qui travaille avec des modèles de composants simplifiés, jouera le rôle de MPC et transmettra à TRNSYS les valeurs optimales des variables de contrôle, par exemple pour minimiser le coût du système ou pour en maximiser l'efficacité. Le potentiel économique et énergétique du MPC dans les systèmes SolIceTES sera analysé. Le cadre de co-simulation développé sera utilisé dans différents scénarios axés sur les immeubles de bureaux. En outre, les avantages du système SolIceTES pour d'autres applications de refroidissement, notamment les hôpitaux, les supermarchés et l'industrie manufacturière, seront évalués. Enfin, les avantages et les inconvénients des batteries à glace avec MPC par rapport aux batteries électriques et aux systèmes de climatisation conventionnels seront évalués.