Desenvolupament d'un sistema de gestió òptim MILP d'energia elèctrica i tèrmica per a llars amb plaques fotovoltaiques combinats amb sistemes d'aerotèrmia per a HVAC i ACS

Abstract

[ES] Este trabajo se centra en el desarrollo de un sistema de gestión de energía eléctrica y térmica para viviendas unifamiliares utilizando un sistema de aerotermia combinado con paneles fotovoltaicos. En un contexto donde la eficiencia energética y la sostenibilidad son cruciales, los sistemas de aerotermia basados en bombas de calor permiten aumentar la energía suministrada extrayéndola del medio refrigerante. Estos tipos de elementos, considerados como fuentes de energía renovables son cada vez más utilizados en viviendas unifamiliares. El sistema se complementa con sistemas de almacenamiento de energía para desacoplar la producción de la demanda y minimizar los costos operativos. Se propone el control óptimo del sistema mediante un control predictivo basado en modelos (MPC). Para llevar a cabo este control, es necesario diseñar un modelo tecno-económico del sistema que, a partir de los puntos de operación de los dispositivos, calcule sus costos operativos. Este modelo, junto con perfiles realistas de demanda de energía eléctrica, agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción, se utiliza para plantear un problema de optimización de programación lineal entera mixta (MILP) que minimice los costos operativos. El algoritmo de control considera la variabilidad de la demanda y la producción de energía, permitiendo una gestión eficiente de los recursos energéticos. Durante el desarrollo del algoritmo de control, se estudia la influencia del período de muestreo en las prestaciones del control y se analiza la necesidad de implementar un control predictivo de bajo nivel basado en modelos. Adicionalmente, se evalúa la viabilidad económica del sistema a través de simulaciones anuales que consideran distintos escenarios de consumo y producción energética. Los resultados obtenidos demuestran la efectividad del sistema propuesto en la reducción de costos y la mejora de la eficiencia energética de las viviendas.

[CA] Aquest treball se centra en el desenvolupament d’un sistema de gestió d’energia elèctrica i tèrmica per a habitatges unifamiliars utilitzant un sistema d’aerotèrmia combinat amb panels fotovoltaics. En un context en què l’eficiència energètica i la sostenibilitat són crucials, els sistemes d’aerotèrmia basats en bombes de calor permeten augmentar l’energia subministrada extraientla del medi refrigerant. Aquests tipus d’elements, considerats com a fonts d’energia renovables són cada vegada més utilitzats en habitatges unifamiliars. El sistema es complementa amb sistemes d’emmagatzematge d’energia per a desacoblar la producció de la demanda i minimitzar els costos operatius. Es proposa el control òptim del sistema mitjançant un control predictiu basat en models (MPC). Per a dur a terme aquest control, és necessari dissenyar un model tecno-econòmic del sistema que, a partir dels punts d’operació dels dispositius, calcule els seus costos operatius. Aquest model, juntament amb perfils realistes de demanda d’energia elèctrica, aigua calenta sanitària (ACS) i calefacció, s’utilitza per a plantejar un problema d’optimització de programació lineal entera mixta (MILP) que minimitze els costos operatius. L’algoritme de control considera la variabilitat de la demanda i la producció d’energia, permetent una gestió eficient dels recursos energètics. Durant el desenvolupament de l’algoritme de control, s’estudia la influència del període de mostreig en les prestacions del control i s’analitza la necessitat d?implementar un control predictiu de baix nivell basat en models. Addicionalment, s’avalua la viabilitat econòmica del sistema a través de simulacions anuals que consideren diferents escenaris de consum i producció energètica. Els resultats obtinguts demostren l’efectivitat del sistema proposat en la reducció de costos i la millora de l’eficiència energètica dels habitatges.

[EN] This project focuses on developing an electrical and thermal energy management system for single-family homes using an aerothermal system combined with photovoltaic panels. In a context where energy efficiency and sustainability are crucial, aerothermal systems based on heat pumps allow increasing the energy supplied by extracting it from the refrigerant medium. These types of elements, considered as renewable energy sources, are increasingly used in single-family houses. The system is complemented by energy storage systems to decouple production from demand and minimize operating costs. The optimal control of the system is proposed through model predictive control (MPC). To implement this control, it is necessary to design a techno-economic model of the system that, based on the operating points of the devices, calculates their operating costs. This model, together with realistic profiles of electrical energy demand, sanitary hot water (DHW), and heating, is used to formulate a mixed-integer linear programming (MILP) optimization problem that minimizes operating costs. The control algorithm considers the variability of demand and energy production, allowing efficient management of energy resources. During the development of the control algorithm, the influence of the sampling period on control performance is studied, and the need to implement a low-level model predictive control is analyzed. Additionally, the economic feasibility of the system is evaluated through annual simulations that consider different scenarios of consumption and energy production. The results obtained demonstrate the effectiveness of the proposed system in reducing costs and improving the energy efficiency of homes.