Prædiktiv styring (MPC) af hybride ventilationssystemer i kontorbyggeri med dynamiske glasfacader

Dynamiske facader kommer til at spille en vigtig rolle i fremtidens kontorbygninger, som er opført efter BR2015 og bygningsklasse 2020. Udfordringen er at undgå overophedning på kontorlokalerne grundet interne varmelaster og solindfald. Der er en trend i dagens byggeri hen imod opfyldelse af de fine begreber:

LYS og LUFT

Det forventes at bygningen samtidig har styr på det termiske indeklima.

Dette projekt har gennem udviklede styringsstrategier, målinger, interviews med testpersoner dannet følgende målsætning omkring et godt indeklima:

The indoor climate is invisible until it breaks expectations! Users (test persons) express that inconveniences occur in connection with the control system if the system reacts in ways that do not make logical sense. This means that an efficient indoor climate is invisible. Thus, if the system functions as it should and the control system reacts as it should, the users will not pay much attention to it. It becomes a part of the invisible underlying infrastructure.

The ability to override the control system, e.g. in connection with natural ventilation and solar protection features, means more satisfied users.

Prædiktiv kontrol (MPC) af et hybrid ventilationssystem konkluderes at have potentiale til at lave en energivenlig løsning, der samtidig opfylder krav til indeklimakomfort med hensyn til indetemperatur og CO2 indhold inden for anbefalede grænser. Den prædiktive kontrol gør i den fuldt udbyggede form anvendelse af en rummodel, en prognose af rumbelastning og en vejrprognose. Kernen i regulatoren er en optimeringsalgoritme.

Rummodellen kan beregne rumtemperatur og CO2 indhold med de givne prognoser og forslag til tidsforløb af solafskærmning, vinduesåbning, mekanisk ventilation, opvarmning og køling. Rummodellen er ikke blevet testet i dette projekt, men der er anvendt en velkendt modeltype, som ofte er anvendt i indeklimasammenhæng, og hvis parametre kan vurderes ud fra en bygningsbeskrivelse.

Som vejrprognoser er der for at teste optimeringsalgoritmen, konstrueret forløb af ude-temperaturer og solintensitet. For at teste med data tættere på virkeligheden, er der testet forløb med data fra DRY. Ingen af disse er prædiktioner, men for at få prædiktionsperspektivet med, er der lavet eksperimenter, hvor prædiktioner 24 timer frem baserer sig på den nuværende måling og hvad der skete det foregående døgn. Det vurderes at denne prædiktion er en mulighed, dog vil have en usikkerhed, som vil medføre, at der kan træffes uhensigtsmæssige eller upræcise valg af aktuering, så omkostningerne ikke bliver mini-male. Kernen i regulatoren er en optimeringsalgoritme, som vælger det forløb af solafskærmning, vinduesåbning, mekanisk ventilation, opvarmning og køling der minimerer omkostningerne. Omkostningerne er udtrykt i en omkostningsfunktion som summerer prisen for anvendelse af de enkelte aktuatorer.

Alt i alt konkluderes at prædiktiv kontrol kan give attraktive resultater, men da optimeringsalgoritmer ikke som standard er indbygget i kommercielle kontrolanlæg for bygnings-ventilation, kan tillempede regulatorer også være interessante. Erfaringen fra simuleringerne viser, at et indetemperaturforløb som glider fra minimumsgrænsen ved arbejdstids begyndelse til maksimumsværdi ved slutningen af arbejdsdagen, ofte er det optimale i situationer, hvor der er behov for køling. Et sådant forløb vil også kunne opnås med klassisk regulering, hvor temperaturreferencen følger det nævnte forløb og hvor regulatoren indkobler aktuatorer så de billigste indkobles først.

Temperaturen i kontorlokalet er nu under kontrol, hvor solafskærmning og naturlig ventilation begge er aktive. Bemærk at temperaturen ved arbejdets begyndelse klokken 8 er meget tæt på 23 °C, og ved arbejdets ophør klokken 16 meget tæt på 26 °C. MPC styringen "tvinger" temperaturen i kontorlokalet til at "glide" inden for standardens temperaturinterval om sommeren, da det åbenbart er den billigste måde at styre klimaet på. Normalt vil man have et fast set-punkt på fx 24,5 °C.

Mange kontorlokaler har mekanisk ventilation, mekanisk kompressorkøling, men ingen solafskærmninger. Ofte er begrundelsen for fravalg af solafskærmninger noget diffus.

En anden vigtig pointe ved brug af naturlig ventilation blandt andet til natkøling, er størrelsen af den operative temperatur ved arbejdets begyndelse klokken 8. De udførte forsøg viser, at man helst skulle op på 23 °C ellers bedømte testpersonerne det termiske indeklima på grænsen til værende lidt for køligt. Det vil i nogle tilfælde sætte en begrænsning på kapaciteten ved natkøling.