Pokročilé odlaďování softwaru pro řízení systémů s tepelnými čerpadly: proč je to potřeba a jak se to dá řešit?

Úvod

Ve většině případů se dá software spolehlivě a rychle odladit pomocí různých simulátorů poskytovaných výrobci PLC v jejich vývojovém prostředí. Nicméně tento přístup má své limity, pokud jde o komplexní systémové testy, do kterých je nutné na mnoha navzájem se ovlivňujících místech zanést vliv dynamiky. V posledních letech proto začala do oblasti testování regulátorů tepelných čerpadel pronikat metoda „Hardware in the Loop“ (HiL). Metoda HiL sama o sobě není novinkou, nicméně její využití v oblasti tepelných čerpadel je poměrně čerstvým trendem.

HiL testbedy pro testování tepelných čerpadel se řeší tak, že celý testovaný systém se fyzicky nainstaluje v laboratoři, ale podmínky jeho nasazení v teoreticky definované budově, jako jsou odběr teplé vody a odběr tepla otopnou soustavou, se fyzicky emulují laboratoří na základě souběžně běžící simulace chování budovy při různých klimatických podmínkách měnících se během dne.

Obr. 1 – Rozdíly mezi různými přístupy k odlaďování [10]

HiL testování se v současné době používá buď pouze pro zhodnocení provozních charakteristik samotného tepelného čerpadla nebo pro testování, porovnávání a odlaďování různých metod regulace provozu tepelného čerpadla, případně regulace provozu celého typového systému, jehož je tepelné čerpadlo součástí. Rozdíl oproti testování s využitím pouze numerických simulací nebo pouze fyzicky instalovaných zařízení je dobře patrný z Obr. 1.

V současné době je v zahraničí v provozu několik HiL testbedů, které umožňují testovat tepelná čerpadla, případně celé typové systémy, jichž je tepelné čerpadlo součástí. V ČR je aktuálně v provozu testbed v laboratoři tepelných čerpadel ČVUT UCEEB. Laboratoř byla o testbed rozšířena v rámci projektu TAČR TK04020326, ve kterém se ČVUT UCEEB a Ústav techniky prostředí Fakulty strojní ve spolupráci se společností Regulus spol. s.r.o. zabývají pokročilým řízením tepelných čerpadel podle predikované ceny a emisní náročnosti (uhlíkové intenzity) elektrické energie v síti. Po skončení projektu v první polovině roku 2025 bude testbed dále vylepšován a využíván v rámci navazujících projektů a zakázek smluvního výzkumu.

Proč jsou testbedy potřeba?

Trend využití HiL testbedů přichází jako reakce na narůstající požadavky na ověřování jak dílčích komponent, tak celých systémů před jejich uvedením na trh [1], [2], [3], včetně vlivu jejich dynamiky a pokročilého řízení. Ty by v ideálním případě měly být testovány přímo v prostředí reálných budov, nicméně praktická realizace takových testů se v mnoha případech ukazuje jako nepřijatelně časově a finančně náročná [4], [5]. Napříč jednotlivými budovami navíc nelze zajistit udržení naprosto shodných okrajových podmínek testů, což v podstatě znemožňuje porovnávat jednotlivé testovací scénáře mezi sebou.

Testování metodou HiL představuje efektivní řešení těchto problémů, jelikož umožňuje na základě simulace emulovat různé provozní podmínky a prostředí vybraných typů budov. To vede k efektivnějšímu a méně nákladnému odlaďování při současném zachování kontrolovaného prostředí [6].

HiL testbedy umožňují efektivní odladění softwaru ještě před nasazením regulátoru na reálné instalaci. HiL testbed vyvinutý na ČVUT UCEEB v rámci projektu TAČR TK04020326 nám pomohl odladit několik počátečních chyb ve vyvíjeném algoritmu. Šlo například o chybu v prioritách na setpointu čidla akumulační nádrže, kdy se v určitých situacích do požadavku chybně přebíral setpoint vypočtený algoritmem místo setpointu vycházejícího z ekvitermy nebo o chybnou úvahu v logice algoritmu, která v důsledku v některých situacích vedla na blokaci chodu tepelného čerpadla z důvodu vysoké teploty zpátečky. Díky testbedu bylo možné chyby rychle diagnostikovat a odladit a nemusely se tak řešit až na reálné instalaci na tepelném čerpadle koncového zákazníka.

Jak se testbedy řeší?

Typicky tak, že tepelné čerpadlo (nebo celý testovaný typový systém) se fyzicky instaluje v laboratoři, ale podmínky jeho nasazení v teoreticky definované budově, jako jsou odběr teplé vody a odběr tepla otopnou soustavou, jsou fyzicky emulovány laboratoří na základě souběžně běžící simulace chování budovy při různých klimatických podmínkách měnících se během dne. Na Obr. 2 je ukázka architektury HiL testbedu, který jsme postavili na ČVUT UCEEB v rámci projektu TAČR TK04020326.

Obr. 2 – Rozsah HiL testbedu, který je aktuálně v provozu na ČVUT UCEEB

Napříč laboratořemi v současné době neexistuje osvědčený standard řešení architektury testbedu. V současnosti jsou v provozu testbedy využívající TRNSYS, Modelicu, Matlab/Simulink nebo EnergyPlus jako simulační software. Komunikační middlewary jsou nejčastěji napsané ve Fortranu, C, C++, Pythonu nebo Javě. Nejčastěji používaný komunikační protokol zajišťující komunikaci mezi middlewarem a PLC je ModBus TCP/IP, některé testbedy využívají také MQTT, BACnet a CANbus. Existují i starší testbedy, které pro výměnu dat mezi simulačním softwarem a PLC využívají zápis a čtení do/ze textového souboru.

Testbed na ČVUT UCEEB

Testbed na ČVUT UCEEB je v Laboratoři tepelných čerpadel v provozu od loňského roku. Využívá simulační software TRNSYS a na míru vyvinutý komunikační middleware napsaný v Pythonu. Použitý komunikační protokol je ModBus TCP/IP. Testbed prozatím prošel zkušebními testy pro ověření jeho kvality a následně byl využit pro odlaďování pokročilých regulačních algoritmů implementovaných do PLC tepelného čerpadla. Ověření kvality testbedu bylo publikováno v časopise VVI v článku „Rozšíření laboratoře tepelných čerpadel o testbed pro pokročilé testování metodou Hardware-in-the-Loop“ [12].

Laboratoř ČVUT UCEEB je vybavena dvojitým boxem pro zkoušení tepelných čerpadel země-voda, voda-voda a vzduch-voda, a také zkoušení zařízení se specifickými chladivovými okruhy. Testování probíhá tak, že tepelné čerpadlo nebo celý testovaný systém umístíme do vnitřního boxu klimatické komory s regulovanou teplotou vzduchu a napojíme na testbed tvořený mobilními emulátory a pomocnými periferními systémy vytápění a chlazení laboratoře.

Obr. 3 – Klimatická komora laboratoře tepelných čerpadel ČVUT UCEEB

Provoz otopné soustavy fyzicky nahrazujeme (emulujeme) pomocí emulátoru vytápění. Ten pro testovaný zdroj tepla v každém okamžiku zajišťuje teplotu a průtok zpátečky z otopné soustavy, které odpovídají dynamickému chování předpokládané otopné soustavy v předpokládané budově (dáno počítačovou simulací, simulační model je vyvíjen na míru požadavkům testu). K emulování odběrů teplé vody používáme emulátor přípravy teplé vody. Emulátor odevzdává teplo do pomocné laboratorní akumulační nádrže chladu. Pomocná nádrž simuluje spotřebič teplé vody na odběrném místě.

Obr. 4 – Zapojení typového systému testovaného metodou HiL

V případě odlaďování regulačních algoritmů v projektu „Pokročilé řízení tepelného čerpadla podle kvality energetického mixu“ jsme potřebovali testovanému PLC poskytnout data o předpovědi počasí a cen elektrické energie. Na reálné instalaci budou předpovědi získávány dotazem na servery poskytovatele cen a předpovědi počasí, nicméně při laboratorním zkoušení je nutné vyvinuté algoritmy otestovat s vybranými typizovanými profily cen a předpovědi počasí. Z toho důvodu není možné při laboratorním testování žádat o data na skutečných serverech poskytovatelů.

Proto byl pro účely laboratorního testování zprovozněn také HTTP server, který simuluje skutečné servery poskytovatelů dat, tzn. poskytuje odpovědi ve stejném formátu a struktuře jako servery skutečných poskytovatelů, ale v payloadu odpovědi na GET požadavek vrací naše vlastní typizované profily cen a předpovědi počasí. Můžeme tak kontrolovaně testovat různé scénáře a kombinace klimatických dat a průběhů cen elektrické energie (vysoká, nízká volatilita apod.).

Testbed je zatím stále ve vývoji. Máme v plánu jej dále vylepšovat a využívat v dalších projektech nebo zakázkách smluvního výzkumu.

Obr. 5 – Schéma datových toků v testbedu na ČVUT UCEEB v rozsahu pro projekt TAČR TK04020326

Zahraniční testbedy

V zahraničí je v současné době v provozu několik laboratoří, které umožňují testovat systémy s tepelnými čerpadly metodou HiL. Na univerzitě v Aachenu je v provozu testbed navržený pro testování systémů s tepelnými čerpadly vzduch-voda a voda-voda do tepelného výkonu až 30 kW. Parametry klimatické komory jsou následující: objem 33 m³, vytápění 40 kW, chlazení 10 kW, minimální teplota −17 °C, maximální průtok vzduchu 4000 m³/h, maximální měrná vlhkost 12 kg/h. HiL testbed řídí PLC, které si předává data se simulačním softwarem prostřednictvím SQL databáze. Simulaci budovy zajišťuje software Modelica (Dymola). Testbed byl použit mimo jiné pro odlaďování prediktivních regulačních algoritmů implementovaných do PLC tepelného čerpadla [9]. Schéma testbedu je na Obr. 6.

Obr. 6 – Testbed v Aachenu [11]

Další testbed je v provozu v laboratoři ve finské Aalto Uni. Specializuje se hlavně na testování zařízení určených pro nasazení do budov s téměř nulovou spotřebou energie (nZEB). Testbed obsahuje umulátor nZEB budovy, emulátor tepelného čerpadla země-voda se zemními vrty a emulátor odběru TV. V testbedu se testují různé regulační strategie provozu TČ. Schéma zapojení testbedu je na Obr. 7.

Obr. 7 – Testbed v Aalto University [11]

Obr. 8 – Testbed v Seilab [11]

Testbed v Seilab v Katalánsku disponuje podobně jako testbed na ČVUT UCEEB klimatickou komorou pro zkoušení tepelných čerpadel s možností nastavení různých klimatických podmínek pro detailní test tepelného čerpadla. Dále obsahuje emulátory tepelného zatížení pro vytápění, přípravu teplé vody a emulátor fotovoltaického systému instalovaný na střeše budovy (špičkový výkon 3,5 kWp). Klimatická komora má objem 45 m³, rozsah teplot je −30 až +60 °C, relativní vlhkost upravitelná v rozsahu 15 až 98 %, maximální průtok vzduchu 8 000 až 10 000 m³/h. Použitý simulační software je TRNSYS, Energy Plus a IDA-ICE v kombinaci s Labview. Schéma testbedu je na Obr. 8.

Závěr

Cílem příspěvku bylo představit čtenářům pokročilé metody pro odlaďování softwaru pro řízení systémů s tepelnými čerpadly. HiL testbedy umožňují efektivní odladění softwaru ještě před nasazením regulátoru na reálné instalaci.

Poděkování

Článek vznikl v rámci výzkumného projektu TAČR TK04020326 – Pokročilé řízení tepelného čerpadla podle kvality energetického mixu, který byl podpořen Technologickou agenturou ČR.

Doplňkové zdroje

Zdrojový kód ke komunikačnímu middlewaru, který byl vyvinut pro testbed na ČVUT UCEEB, je k dispozici na GitHubu autorky: https://github.com/langeeri/trnsys-plc-middleware

Zdroje

1. MA Z., WANG S., XIAO F. Online performance evaluation of alternative control strategies for building cooling water systems prior to in situ implementation. In: Appl Energy, vol. 86, no. 5, pp. 712–721, May 2009, Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2008.05.017.
2. HAASE P., THOMAS B. Test and optimization of a control algorithm for demand-oriented operation of CHP units using hardware-in-the-loop. Appl Energy, vol. 294, p. 116974, Jul. 2021, Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116974.
3. Jiang Z., Cai J., Moses P.S. Smoothing control of solar photovoltaic generation using building thermal loads. Appl Energy, vol. 277, p. 115523, Nov. 2020, Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115523.
4. SONG Y., PESKOVA M., ROLANDO D., ZUCKER G., MADANI H. Estimating electric power consumption of in-situ residential heat pump systems: A data-driven approach. In: Appl Energy, vol. 352, p. 121971, Dec. 2023. ISSN 0306-2619. Dostupné z: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023ApEn..35221971S/abstract.
5. TEJEDA DE LA CRUZ A., RIVIERE P., MARCHIO D., CAURET O., MILU A. Hardware in the loop test bench using Modelica: A platform to test and improve the control of heating systems. Appl Energy, vol. 188, pp. 107–120, Feb. 2017, Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.092.
6. HUANG S., WANG W., BRAMBLEY M. R., GOYAL S., ZUO W. An agent-based hardware-in-the-loop simulation framework for building controls. Energy Build, vol. 181, pp. 26–37, Dec. 2018, Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.09.038
7. HALLER, M.Y.: Dynamic whole system testing of combined renewable heating systems – the current state of the art, Energy Build. 66 (2013) 667–677. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.07.052.
8. MENEGON, D., PERSSON, T., HABERL, R., BALES, Ch., HALLER, M.: Direct characterisation of the annual performance of solar thermal and heat pump systems using a six-day whole system test, Renewable Energy, Vol. 146, February 2020, pp. 1337–1353.
9. D. MENEGON, A. SOPPELSA, R. FEDRIZZI: Development of a new dynamic test procedure for the laboratory characterization of a whole heating and cooling system, Appl. Energy 205 (2017), pp. 976–990,
   https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.08.120
10. EL-BAZ, W.; MAYERHOFER, L.; TZSCHEUTSCHLER, P.; WAGNER, U. Hardware in the Loop Real-Time Simulation for Heating Systems: Model Validation and Dynamics Analysis. Energies 2018, 11, 3159.
    https://doi.org/10.3390/en11113159
11. PÉAN, T.Q., SALOME, J.: Laboratory facilities used to test energy flexibility in buildings, A technical report from IEA EBC Annex 67 Energy Flexible Buildings, 91 str., IREC, Spain
12. LANGEROVÁ, E., MATUŠKA, T. Rozšíření laboratoře tepelných čerpadel o testbed pro pokročilé testování metodou Hardware-in-the-Loop. Vytápění, větrání, instalace, roč. 33, č. 3, s. 98–102. ISSN 1210-1389.