Prediktivní regulace jako nástroj pro zajištění a snížení sjednaného tepelného výkonu
U dodávek tepelné energie je celková cena stanovena platbou za odebrané množství tepelné energie a platbou paušální. V případě, že je paušální platba stanovena sjednaným rezervovaným výkonem, stojí odběratel před otázkami, jak tuto hodnotu správně nastavit a jak aktuální výkon regulovat, aby zbytečně sjednaný výkon nepřekračoval. Prediktivní regulace je odpovědí na obojí.
Úvod
Paušální platby za dodávky tepla jsou náklady, které v mnoha případech nejsou závislé na hospodárném provozování systémů tepelného hospodářství. Některé složky fixních plateb lze ovlivnit v rámci smlouvy, jiné nikoliv, protože podléhají legislativě ČR, zejména cenovým rozhodnutím ERÚ.
V praxi se ve smluvních vztazích setkáváme s dvěma druhy paušálních plateb. Jedna představuje platbu za sjednané množství [Kč/GJ] a druhá za sjednaný výkon [Kč/kW]. V tomto článku se budeme zabývat výhradně druhou možností.
Sjednaný rezervovaný výkon je obvykle uvažován jako průměrná hodnota odebíraného výkonu za 15 minut, ale záleží na konkrétní smluvní úpravě mezi dodavatelem a odběratelem. Hned zde začíná první problém. Měření dosahovaných čtvrthodinových maxim odběru tepla není jednoduché jako například měření u elektrické energie. Řada dodavatelů tepla navíc neumožňuje k online přístup k měřidlům. I v případě, že by si odběratel nainstaloval kalorimetr na svoje vlastní náklady, není tento kalorimetr časově synchronizovaný s kalorimetrem dodavatele tepla. Druhým problémem poté je, jak tvarovat profil odběru tepla, aby byl stanovený odběr splněn a zároveň nedošlo k omezení tepelného komfortu. Pro tyto účely se jako ideální nástroj jeví využití prediktivní regulace. Ostatní metody totiž buď mohou omezovat komfort (ořezání špiček odepínáním spotřebičů) nebo nezajistit nepřekročení sjednaného limitu.
Poznamenejme ještě, že metoda ořezávání špiček je hojně využívána v algoritmech řízení čtvrthodinového maxima v elektřině E-MAX. Zde jsou odepínány postupně spotřebiče s nejmenším vlivem na komfort uživatelů v budově – podrobně např. [1].
Prediktivní regulace MPC
V posledních letech se ve výzkumu i v několika praktických realizacích ukázalo, jaký pozitivní dopad může mít využití předpovědi počasí, matematických modelů termodynamiky budovy a otopných systémů a numerické optimalizace na tepelný komfort a spotřebu energie v budově. Pro určité kombinace budov a otopných systémů je možné ušetřit až 30 % energie v porovnání s konvenční řídicí strategií [2]. Nejvyšší potenciál lze nalézt zejména u budov s pomalou tepelnou dynamikou (např. TABS, BKT, Crittall, apod.) a budov s komplexní zdrojovou částí s více zdroji s různou efektivitou výroby tepla.
Obr. 1 Princip MPC regulace pro budovy
Prediktivní regulace funguje takovým způsobem, že v pravidelných intervalech (např. 30 minut) plánuje profil výroby, akumulace, distribuce a spotřeby energie v budově. Tento plán je vytvořen pro zvolený plánovací horizont (dále jen PH, například může jít o 1 den, tedy 24 hodin), nicméně vždy se vykoná pouze první krok z tohoto plánu, protože po uplynutí daného kroku je profil přeplánován opět na celém plánovacím horizontu. K plánování využívá informaci o aktuálních teplotách v budově a akumulacích, cenách energií na PH (vhodné zejména při konverzi elektrické energie na teplo), předpovědi počasí na PH, znalosti profilu požadované teploty na PH a hlavně modelu přestupu tepla, který je tvořen sadou diferenciálních zjednodušených rovnic. Velkou výhodou prediktivní regulace MPC je fakt, že uvedené modely popisují energetické toky v budově a zároveň umožňuje regulátoru vnášet omezení na jakékoliv veličiny, které se v modelu vyskytují. Čili rozšíření na regulaci čtvrthodinových výkonových maxim potom představuje pouze minimální úsilí. Regulátor se sám postará o rozprostření profilu dodávky energie v čase, aby v případě zvýšené potřeby energie nedošlo k překročení nasmlouvaného výkonu.
Ukázka plánování dodávky
Prediktivní regulátor MPC s regulací čtvrthodinových výkonových maxim je nasazen od začátku topné sezóny 2015/2016 na budově FEL a FS ČVUT v Praze. Průběhové měření odebíraného výkonu zde bylo zpřístupněno dodavatelem energie, což umožnilo kalibraci modelu a řízení odebíraného výkonu v reálném čase. Budova obsahuje stropní teplovodní vytápění typu Crittall, které je charakterizované velmi pomalou tepelnou setrvačností. Dodávka tepla je v tomto případě zajištěna parovodem z centrální výtopny. Přes výměníky se teplo dostává v podobě teplé vody do stropních otopných ploch. Pro tento příklad jsme vybrali výměníkovou stanici A2, která obsahuje tři topné okruhy typu Crittall A2S, A2J a C2. Schematicky je zapojení výměníku vykresleno na obrázku 2.
Obr. 2 Schéma části A2 VS, vizualizace ve SCADA systému Mervis (www.mervis.info)
Při zpětné analýze dat za období 2015/2016 se ukázalo, že k porušení rezervované kapacity nedošlo ani v jednom případě na tomto sledovaném výměníku. Vzorové chování regulace lze pozorovat zejména na obrázku 3.
Obr. 3 Přechod z vánočního útlumu do komfortního režimu
Obrázek 3 ukazuje přechod z vánočního útlumu do komfortního režimu z pohledu sledovaných veličin. Horní obrázek obsahuje černě minimální požadovanou prostorovou teplotu Ti. Prostřední obrázek obsahuje profily teplot otopné vody a poslední (spodní) obrázek zobrazuje odběry energií v jednotlivých větvích a čárkovaně je vyznačeno nasmlouvané maximum.
O Vánocích se teplota v budově pohybuje okolo 19 °C (v horní části obrázku signály označené Ti) a přechod na komfortních 22 °C představuje v případě této budovy operaci trvající více než 24 hodin (požadovaná teplota je označena ref). Po tuto dobu je zvýšené riziko překročení čtvrthodinového maxima, neboť budova potřebuje násobně více energie, než při běžném víkendovém útlumu.
Prediktivní regulátor již v předstihu v sobotu 2. ledna 2016 v 20:00 zjistil, že bude potřeba veškeré kapacity k tomu, aby přivedl budovu z útlumového stavu do komfortního stavu nejpozději do pondělí 4. ledna 2016 do 8:00. Během těchto 36 hodin rozplánoval dodávku energie takovým způsobem, že nejprve zvýšil dodávku tepla v části C2, poté přesunul veškerý dodávaný výkon do částí A2S a A2J. Mezitím ale došlo k očekávanému poklesu teploty v části C2, na což reagoval regulátor dodávkou maximálního výkonu opět do části C2. V 8:00 tak bylo v budově přesně požadovaných 22 °C. Na daném časovém úseku se situace nedala řešit jiným způsobem. V této situaci je dlužno zmínit, že uvedených 36 hodin představuje právě časový úsek, na kterém probíhá plánování spotřeby energie tzv. plánovací horizont PH.
Plánovací horizont hraje při regulaci čtvrthodinových odběrových maxim klíčovou roli. V tomto případě byla na historických datech provedena analýza, kolik energie je maximálně nutné pro přechod z útlumového do komfortního režimu. Plánovací horizont se pak musí minimálně rovnat podílu potřebné energie a nasmlouvaného výkonu. Takto lze i u stávajícího provozu snížit nasmlouvaný výkon.
Průběh teploty otopné vody na jednotlivých okruzích (označených na obrázku Tw) je tak nestandardní, že by jej bylo těžko dosaženo ekvitermní regulací nebo podmínkovým řízením. Výsledku je dosaženo jen díky tomu, že model velmi dobře popisuje toky energií v budově a numerická optimalizace ze všech možných řešení vybere to, které dokáže současně splnit tvrdá omezení na rezervované výkonové kapacity, zajistit tepelný komfort a toho dosáhnout s minimální potřebnou energií.
Závěr
Prediktivní regulace MPC představuje nástroj, jak lze energetiku budov posunout ještě dále. Kromě úspory množství dodávané energie, lze přímočarým způsobem do regulace zahrnout informaci o nasmlouvaném výkonovém omezení a zajistit jeho dodržení. Odběratel tak spoří nejen na komoditě, ale i na paušálních platbách.
V současných podmínkách se nicméně setkáváme s tím, že dodavatelé tepla neumožňují odběratelům přistupovat k průběhovým hodnotám z měřidel, což komplikuje nastavení limitu a zároveň plánování odběru v čase. V případě otevřenějšího přístupu k online datům by pak bylo možné na straně odběratele jít ještě dále. Nevyužívat jen plánovací algoritmy prediktivní regulace k dodržení nasmlouvaného limitu, ale také optimalizovat roční hodnotu smluveného maximálního výkonu. V úvahu by připadal i scénář, kdy v měsících nejtužší zimy by došlo k plánovanému překročení smluveného maxima o zvolenou hodnotu, která sice bude penalizována čtyřnásobnou částkou, ale v ročním součtu povede k nižším nákladům.
Podobně přímočaře jako omezení výkonu lze do prediktivního regulátoru MPC přidávat informaci o časově proměnných cenách energií, pokud jsou k dispozici. To může být například výhodné při provozu tepelného čerpadla napojeného na denní nebo vnitrodenní trh s elektřinou, což vede k úspoře ve formě průměrné ceny za komoditu. O tomto projektu bude na tomto serveru reportováno příště.
Literatura
- Vidím, J: Řízení čtvrthodinového maxima. TZB-info. 2015. Dostupné z:
http://elektro.tzb-info.cz/inteligentni-budovy/13513-rizeni-ctvrthodinoveho-maxima. - Široký, J., Kubeček, J., Kudera, P.: Prediktivní řízení vytápění budov – pilotní aplikace. TZB-info. 2011. Dostupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/mereni-a-regulace/7566-prediktivni-rizeni-vytapeni-budov-pilotni-aplikace.
Total cost of heating energy typically consists of two items. The former is the payment for consumed energy while the latter is the payment for reserved power capacity or reserved energy capacity in given period. If the customer pays for the reserved power capacity, he/she should address two questions: what is the most suitable level of reserved capacity and how to control the heating system so that the reserved capacity limits are not exceeded. Both questions can be readily solved with the aid of model based predictive controller.