Usage-based optimal energy control of residential water heaters
Date
2021-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Water heating contributes up to 40% of a household’s total electricity usage and places
a substantial burden on the electricity grid due to high power ratings and users’ largely
simultaneous hot water usage. It is estimated that South Africa uses 38.5 GWh/day on
water heating. Tanked water heaters can store thermal energy for long periods of time
with a portion lost to the environment. Although many demand response strategies have
been proposed to mitigate costs from time-of-use pricing of electricity, many developing
countries have flat-rate pricing and are heavily reliant on the burning of fossil fuels for
electricity. This thesis explores optimisation to develop a system that provides electric
water heaters (EWHs) with the optimal heating schedule to minimise overall electrical
energy usage without compromising the comfort of the customer.
The efficacy of energy management techniques that model water heaters and the accuracy
of their simulation results rely on representative hot water usage profiles. A probabilistic
data-driven model for modelling individualised hot water profiles and an accompanying
hot water usage simulator is proposed in this thesis. The model is trained and evaluated
using high quality data gathered from 77 residential households which is first refined by
a data cleaning process. A hot water demand predictor is also developed on top of the
probabilistic model to predict future hot water profiles that can be used for optimisation.
A novel dynamic programming (DP) approach is presented to achieve optimal control of
a single node EWH. To accommodate the natural stratification that occurs, a novel A*
search algorithm approach is also presented to achieve optimal control of an EWH with
stratification. The DP and A* approaches produce the optimal plan for hot water usage
profiles with perfect foreknowledge of water drawn from the EWH. The A* approach is
further utilised to produce an optimal plan for the hot water usage profile when water
drawn is predicted. All three conditions are tested with a simulator that is equipped
with a novel temperature feedback controller to minimise the effects of mispredictions
and model inaccuracies between the optimal planning and the execution, and a reactive
water mixer to simulate the user behaviour.
Three strategies are explored for optimal control of domestic water heating that do not
depend on the default thermostat control, namely: matching the delivery temperature
in the hot water; matching the energy delivered in the hot water; and a variation of the
second strategy which provides for Legionella sterilisation. For each of these strategies we
examine the energy used in heating, the energy delivered at the tank outlet, and issues
of convenience to the user to determine how much energy an EWH can save. It was
concluded that the most energy savings is achieved when the energy matching strategy
is used, where 21.9 % is saved when water usages are perfectly known and 9.6 % is saved
when they are predicted.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Waterverhitting dra by tot 40% van die totale elektrisiteitsverbruik van ’n huishouding en plaas ’n aansienlike las op die elektrisiteitsnetwerk as gevolg van ho ̈e drywingsaan- vraag en die grootliks gelyktydige gebruik van warm water deur gebruikers. Daar word beraam dat Suid-Afrika 38.5 GWh/dag op waterverhitting gebruik. Tenkverwarmers kan termiese energie vir lang tydperke stoor met ’n kleiner gedeelte wat in die omgewing ver- lore gaan. Alhoewel daar baie aanvraag-bestuur strategie ̈e voorgestel word om die koste van die prys van tyd-van-gebruik tariewe te verminder, is daar baie vaste pryse in baie ontwikkelende lande en is dit sterk afhanklik van die verbranding van fossielbrandstowwe vir elektrisiteit. Hierdie tesis ondersoek die ontwikkeling van ’n stelsel wat elektriese waterverwarmers (EWHs) voorsien van die optimale skema om die totale elektriese en- ergieverbruik te verminder sonder om die gemak van die gebruiker te benadeel. Die doeltreffendheid van tegnieke vir energiebestuur wat waterverwarmers modelleer en die akkuraatheid van hul simulasie resultate is afhanklik van verteenwoordigende warmwa- tergebruikprofiele. ’n Waarksynlikheids- en datagedrewe model vir die modellering van ge ̈ındividualiseerde warmwaterprofiele en ’n gepaardgaande warmwatergebruiksimulator word in hierdie proefskrif voorgestel. Die model word opgelei en ge ̈evalueer met behulp van ho ̈e kwaliteit data wat versamel is uit 77 residensi ̈ele huishoudings wat eers deur ’n data-skoonmaakproses verfyn word. ’n Voorspeller vir die aanvraag na warm water word met die waarskynlikheidsmodel ontwikkel om toekomstige warmwaterprofiele te voorspel wat gebruik kan word vir optimering. ’n Nuwe dinamiese programmering (DP) benadering word aangebied om optimale beheer van ’n enkele node EWH te bewerkstellig. Om die natuurlike stratifikasie wat voorkom te akkommodeer, word ’n nuwe A* soekalgoritme benadering aangebied om optimale be- heer van ’n EWH met stratifikasie te bewerkstellig. Die DP en A* benaderings lewer die optimale plan vir die warmwatergebruiksprofiel met perfekte voorkennis van die water wat uit die EWH getap gaan word. Die A* benadering word verder gebruik om ’n opti- male plan vir die warmwatergebruiksprofiel op te stel op grond van ’n voorspelling van die water wat uit die EWH getap gaan word. Al drie die toestande word getoets met ’n simulator wat toegerus is met ’n nuwe temperatuurterugvoerbeheerder om die gevolge van verkeerde voorspellings en onakkuraathede tussen die optimale beplanning en die uitvo- ering te minimeer, en ’n reaktiewe watermenger wat die gedrag van die gebruiker simuleer. Drie strategie ̈e word ondersoek vir optimale beheer van huishoudelike waterverwarming wat nie afhang van die standaardtermostaatbeheer nie, naamlik: ooreenstemming met die afleweringstemperatuur in die warm water; ooreenstemming met die energie wat in die warm water gelewer word; en ’n variasie van die tweede strategie wat voorsiening maak vir Legionella sterilisasie. Vir elk van hierdie strategie ̈e ondersoek ons die energie wat gebruik word by die verhitting, die energie wat by die afvoer van die tenk gelewer word, en die verbruiker se gemak om te bepaal hoeveel energie ’n EWH kan bespaar. Daar is tot die gevolgtrekking gekom dat die meeste energiebesparings behaal word wanneer die strategie vir energie ooreenstemming gebruik word, waar 21.9 % bespaar word wanneer waterge- bruik heeltemal bekend is en 9.6 % bespaar word wanneer die watergebruik voorspel word
AFRIKAANSE OPSOMMING: Waterverhitting dra by tot 40% van die totale elektrisiteitsverbruik van ’n huishouding en plaas ’n aansienlike las op die elektrisiteitsnetwerk as gevolg van ho ̈e drywingsaan- vraag en die grootliks gelyktydige gebruik van warm water deur gebruikers. Daar word beraam dat Suid-Afrika 38.5 GWh/dag op waterverhitting gebruik. Tenkverwarmers kan termiese energie vir lang tydperke stoor met ’n kleiner gedeelte wat in die omgewing ver- lore gaan. Alhoewel daar baie aanvraag-bestuur strategie ̈e voorgestel word om die koste van die prys van tyd-van-gebruik tariewe te verminder, is daar baie vaste pryse in baie ontwikkelende lande en is dit sterk afhanklik van die verbranding van fossielbrandstowwe vir elektrisiteit. Hierdie tesis ondersoek die ontwikkeling van ’n stelsel wat elektriese waterverwarmers (EWHs) voorsien van die optimale skema om die totale elektriese en- ergieverbruik te verminder sonder om die gemak van die gebruiker te benadeel. Die doeltreffendheid van tegnieke vir energiebestuur wat waterverwarmers modelleer en die akkuraatheid van hul simulasie resultate is afhanklik van verteenwoordigende warmwa- tergebruikprofiele. ’n Waarksynlikheids- en datagedrewe model vir die modellering van ge ̈ındividualiseerde warmwaterprofiele en ’n gepaardgaande warmwatergebruiksimulator word in hierdie proefskrif voorgestel. Die model word opgelei en ge ̈evalueer met behulp van ho ̈e kwaliteit data wat versamel is uit 77 residensi ̈ele huishoudings wat eers deur ’n data-skoonmaakproses verfyn word. ’n Voorspeller vir die aanvraag na warm water word met die waarskynlikheidsmodel ontwikkel om toekomstige warmwaterprofiele te voorspel wat gebruik kan word vir optimering. ’n Nuwe dinamiese programmering (DP) benadering word aangebied om optimale beheer van ’n enkele node EWH te bewerkstellig. Om die natuurlike stratifikasie wat voorkom te akkommodeer, word ’n nuwe A* soekalgoritme benadering aangebied om optimale be- heer van ’n EWH met stratifikasie te bewerkstellig. Die DP en A* benaderings lewer die optimale plan vir die warmwatergebruiksprofiel met perfekte voorkennis van die water wat uit die EWH getap gaan word. Die A* benadering word verder gebruik om ’n opti- male plan vir die warmwatergebruiksprofiel op te stel op grond van ’n voorspelling van die water wat uit die EWH getap gaan word. Al drie die toestande word getoets met ’n simulator wat toegerus is met ’n nuwe temperatuurterugvoerbeheerder om die gevolge van verkeerde voorspellings en onakkuraathede tussen die optimale beplanning en die uitvo- ering te minimeer, en ’n reaktiewe watermenger wat die gedrag van die gebruiker simuleer. Drie strategie ̈e word ondersoek vir optimale beheer van huishoudelike waterverwarming wat nie afhang van die standaardtermostaatbeheer nie, naamlik: ooreenstemming met die afleweringstemperatuur in die warm water; ooreenstemming met die energie wat in die warm water gelewer word; en ’n variasie van die tweede strategie wat voorsiening maak vir Legionella sterilisasie. Vir elk van hierdie strategie ̈e ondersoek ons die energie wat gebruik word by die verhitting, die energie wat by die afvoer van die tenk gelewer word, en die verbruiker se gemak om te bepaal hoeveel energie ’n EWH kan bespaar. Daar is tot die gevolgtrekking gekom dat die meeste energiebesparings behaal word wanneer die strategie vir energie ooreenstemming gebruik word, waar 21.9 % bespaar word wanneer waterge- bruik heeltemal bekend is en 9.6 % bespaar word wanneer die watergebruik voorspel word
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Usage-based optimal energy, UCTD, Domestic water use, Water heaters, Electric water heaters, Electricity -- Consumption, Electric power