An approach to optimal control of snow melting systems

Abstract

Snø smelte systemer har blitt vanligere benyttet for å smelte snø og is fra områder rundt kommersielle bygg. Snø smelte systemer installeres normalt sammen med Varme, Ventilasjon, og sanitær systemer(VVS). Snø smelte systemer forbruker mye energi sammenlignet med andre systemer for varmeproduksjon i VVS systemer, samtidig er det gjenstand til periodisk drift. For dette prosjektet er det tatt utgangspunkt i et snø smelte system plassert på Åskollen i Drammen, driftet av Drammen Eiendom. Snø smelte systemet er styrt ved hjelp av PID kontrollere i kaskade formasjon, og ved hjelp av logiske styringer for valg av setpunkter. Baser på at snø smelte systemer bruker mye energi, og er gjenstand for periodisk drift, er det ønskelig å optimalisere styringen av systemet. Det er gjennomført en mulighetsstudie av muligheten for å benytte MPC for å styre snø smelte systemer. Flere matematiske modeller for utvikling av MPC er diskutert og en modell er valgt for videre utvikling. Et optimaliserings problem er definert for å oppnå ønsket utfall av styringen, som er å minimalisere energiforbruket og samtidig oppnå ønsket temperatur i overflaten av det oppvarmede området. MPC’en er utvikler g testet ved hjelp av MathWorks Matlab Simulink. 12 tester er utført, der de varierer i hvilken tid snøfall er forutsett og hva utgangstemperaturen i overflaten er. Det er basert på resultatet fra testene konkludert med at MPC presterer bedre en det eksisterende kontrollsystemet, når dette vurderes basert på energiforbruk og evne til å oppnå ønskede temperaturer. Kostnaden ved å implementere MPC er før høy til å tjenes inn igjen ved spart energi om det implementeres på bare et anlegg, dette basert på en driftsperiode på 10år. Om MPC implementeres på flere anlegg implementeringskostnaden kan forsvares. For en situasjon hvor MPC implementeres på 7 anlegg som tilsvarer anlegget på Åskollen, vil implementerings kostnaden er tjent tilbake innen 5 er.

Snow melting systems are getting more and more common for keeping pavements and parking lots free of snow and ice, and are usually installed in relation to Heating, Ventilation, and Air Conditioning(HVAC) systems in commercial buildings. These systems are highly power consuming compared to other HVAC system and usually only active for shorter periods of time. The snow melting system used as a basis for the research of this project is located at Åskollen, Drammen, and is managed by Drammen Eiendom. The system is currently controlled using traditional PID controllers organised in a Cascade manner and in combination with logical control and weather predictions. Due to the high power consumption it is desirable to optimize the control of the snow melting system. A feasibility study of the possibility to develop a Model Predictive Control(MPC) for controlling the snow melting system is performed in this project. Several mathematical models for describing the behavior of the snow melting system is presented, and one is chosen for use in the development of the MPC. The optimization problem is defined to give the desired output, with the energy usage as a minimization objective and the pavement surface temperature as a lower constraint. The MPC is developed using MathWorks Matlab Simulink, and tested in the same environment. In total 12 test cases have been simulated, with variation on weather prediction and initial temperatures of the system. It has been concluded that the MPC results in overall better control than the existing PID control, when considering energy usage and overshoot of temperature. The implementation cost is found to be too high when considering only using the developed MPC for one site, but when considered for multiple sites the implementation cost is justifiable.