Kyberneticko-fyzický testbed pro jednopotrubní otopné soustavy

Abstract

Cílem práce je navržení testovací stolice pro jednopotrubní otopné zařízení, jehož funkci potřebujeme otestovat. Stolice nám umožní měřit výkon testovaného zařízení, zkoumat jeho vliv na další zařízení v otopné soustavě a získávat parametry otopného média. Stolice se skládá z kybernetické a fyzické části, které jsou navzájem popojeny datovým přenosem. Kybernetická část se skládá z počítačové simulace jednopotrubní otopné soustavy v reálné budově, zatímco fyzická část je složena z testovaného zařízení a jednotky na přípravu vnějších podmínek. Fyzická část má za úkol na základě informací ze simulace připravit vnější podmínky pro testované zařízení, tedy teplotu otopného média a jeho průtok. Konstrukce stolice obsahuje paralelně zapojená odstředivá čerpadla, průtokový ohřívač a nádrž na ukládání studeného média. Díky použití trojcestného ventilu a možnosti přesměrování toků média, můžeme minimalizovat teplotu média v nádrži. Tento ventil způsobuje nutnost použití přepínaného modelu stolice. Paralelní zapojení čerpadel má za následek vznik algebraických omezení v hydraulické i tepelné doméně. Pro řízení stolice jsou navrženy dva regulátory. Prvním regulátorem je standardní zpětnovazební smyčka, která pracuje v několika módech řízení na základě měřených stavů. Poté se věnujeme návrhu prediktivního regulátoru včetně realizace algebraických rovnic a přepínaného modelu. Model zařízení je včetně řízení implementován v Matlabu a v Simulinku. Funkce modelu testovací stolice je prezentována na různých skutečných situacích, které mohou nastat. Demonstrován je základní i prediktivní regulátor. Nakonec je předvedeno řízení stolice na výstupních datech ze simulací jednopotrubní otopné soustavy reálné budovy.

The aim of this thesis is to propose a testbed for one-pipe hydronic heating device. The testbed will allow us to measure the pump performance, interactions between devices in a hydronic networks and acquire parameters of the heating medium. The testbed consists of a cybernetic and a physical part, which are connected via a data link. The Cybernetic part comprises a computer simulation of a one-pipe hydronic network in a real building, whereas the physical part constitutes of the tested device, and an external conditions preparation unit. The physical part prepares the external conditions based on the simulation results, the external conditions are the temperature and flow of the heating medium. The testbed design combines two paralelly connected centrifugal pumps, a flow-through heater and a tank for cold medium storage. The usage of a 3-way valve enables water flow routing, which helps to minimise the stored medium temperature. Because of the valve, we have to use a testbed swithed model. Moreover, parallel pump connection results in algebraic constraint of the model in the hydraulic and thermal domain. We design two controllers for the testbed. The first is a standard feedback loop, which operates in different state conditioned modes. Further, a model predictive controller is presented along with the explanation of the algebraic constraints and discontinuity application. The testbed model and the controllers are implemented in Matlab and Simulink. The testbed model functionality is presented both with the standard controller as well as with the predictive controller on different artificial situations. At last we demonstrate the controller performance on a precise building simulation of a one-pipe hydronic network.