Master's Thesis

Simulation Models of Energy Resources for High-Level Control Design

Final Thesis 2.71 MB

Author of thesis: Bc. Jan Kučera

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michal Touš, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Bužga

Abstract:

This diploma thesis focuses on the development of computationally efficient and easily configurable simulation models of selected energy sources, intended for future use in the design of supervisory control based on machine learning. The thesis develops models of a heat pump, a cogeneration unit, and a photovoltaic system. For the heat pump and cogeneration unit, a data-driven modelling approach based on regression relationships was applied, with the configuration reduced to a main power-related parameter. The photovoltaic system was modelled using the pvlib library, while the design procedure was modified so that the system can be defined by the required installed capacity. Finally, the developed models were integrated into a common simulation environment, which also includes supplementary models such as a battery storage system, a thermal storage tank, and a simplified 1R1C building model. The functionality of the environment was verified through a case study comparing temperature-based and economically oriented control strategies. The results show that the proposed environment is capable of capturing the operational, energy-related, and economic impacts of different control strategies and represents a suitable basis for the further development of supervisory control methods.

Keywords:

simulation model, heat pump, cogeneration unit, photovoltaic system, regression analysis, machine learning

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Byla předvedena prezentace závěrečné práce a zodpovězeny otázky oponenta práce. Doplňující dotaz na způsob ověření předvedéných modelů a využití reálných dat pro ověření, bylo zodpovězeno. Otázka na zjednodušení v ekonomickém vyhodnocení modelu, bylo zodpovězeno. Dotaz na detaily předvedené strategie řízení modelu (teplotní strategie), bylo zodpovězeno. Dotaz na provedení tepelného čerpadla a způsob jeho fungování (nákres na tabuli a energetická bilance), bylo předvedeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Process Engineering (N-PRI-P)

Composition of Committee

prof. Dr. Ing. Marcus Reppich (předseda)
doc. Ing. Martin Pavlas, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Skryja, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Lošák, Ph.D. (člen)
Mgr. Ing. Marek Vondra, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Touš, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá tvorbou výpočetně efektivních a snadno konfigurovatelných simulačních modelů tří častých energetických zdrojů – tepelného čerpadla, kogenerační jednotky a fotovoltaického systému – určených pro návrh nadřazeného řízení. Hlavním výstupem je sada regresních modelů a algoritmů usnadňujících konfiguraci zdrojů pro simulaci. Funkčnost je demonstrována případovou studií porovnávající teplotní a ekonomickou řídicí strategii.

Diplomantovi se podařilo nashromáždit a kriticky zpracovat data z různorodých zdrojů (katalogy výrobců tepelných čerpadel, databáze provozních dat tepelných čerpadel, katalogy kogeneračních jednotek, databáze CECMod a CECInverter) v míře dostatečné pro sestavení požadovaných modelů.

Za nejsilnější stránku práce považuji promyšlenou architekturu modelů založenou na relativizaci provozních charakteristik vůči referenčnímu bodu. Tento přístup umožnil modelování provozu bez ohledu na velikost zdroje a redukci konfigurace každého zdroje na jediný vstupní parametr, přičemž model z něj automaticky odvodí kompletní provozní charakteristiku. To přímo cílí na deklarovaný účel práce – efektivní opakované simulace pro trénink řídicího agenta. Oceňuji rovněž korektní interpretaci výsledků, kdy autor vysvětluje důvody dosažených parametrů nebo upozorňuje na nedostatky modelů.

Slabší stránkou jsou formální nedostatky, kterých je v textu více, než by odpovídalo jinak dobré odborné úrovni: nekonzistentní číslování rovnic (např. více vztahů číslovaných jako (1)), nedořešené křížové odkazy „na obrázku XX", v Tab. 8 shodné rovnice pro skupiny MEDIUM a LARGE (chyba přepisu) a drobné překlepy. Tyto nedostatky jsou převážně kosmetické, snižují však celkový dojem.

Autor pracoval samostatně, zkoumal různá řešení a navrhoval postupy, které následně ověřoval s pomocí dostupných dat.

Práce splňuje všechny čtyři cíle zadání, prokazuje inženýrskou kompetenci autora, a tudíž ji doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Petr Bužga

Diplomant se věnuje tvorbě regresních modelů vybraných typů energetických zdrojů s cílem jejich využití pro trénování AI agentů. Práce je logicky členěna, jasně definuje cíle a vymezuje řešené problémy.

Práce obsáhle a na velmi dobré úrovni rozebírá volbu zdrojových dat, jejich zpracování, a následnou tvorbu regresních modelů. Pozitivně hodnotím metodický přístup k jejich návrhu. Autor také vhodně volí a dobře vysvětluje metody validace. Výsledné modely vykazují reálnou schopnost zobecnění na neznámá zařízení, což je pro účely systémových simulací klíčové. Dále oceňuji kritický a vědecky správný přístup autora k vyhodnocení vlastních modelů. Vzhledem k deklarovanému účelu považuji jeho přístup i dosaženou přesnost za plně obhajitelnou a správnou. Naopak mi v práci chybí alespoň nějaká rešerše, zda podobné modely již existují a v čem se přístup autora odlišuje.

V závěru práce se autor věnuje ověření modelů v simulaci. Správně popisuje vymezení simulovaného prostředí s 1R1C modelem budovy, akumulační nádrží a baterií, včetně jeho limitů. Je zde sice použito nějaké ekonomické řízení, ale chybí detailnější vysvětlení, jakým způsobem je řízení v simulaci implementováno, podle čeho se rozhoduje a jaké k tomu byly využity nástroje. Pro ověření správnosti modelů je však případová studie dostačující.

Práce s citacemi má na poměry diplomové práce určité rezervy. Často je řešena pouze formou jednoho odkazu na konci celého odstavce. V teoretických pasážích by si uváděné informace zasloužily hlubší podložení dalšími relevantními zdroji z odborné literatury.

Po stylistické stránce je text kvalitní a čtivý, nicméně vykazuje nemalé množství formálních a grafických nedostatků. V textu se objevuje chybné odsazování odstavců, nekonzistentní značení tabulek a špatně formátované křížové odkazy na obrázky v textu. Místy se vyskytuje horší slovosled, chybějící mezery mezi slovy, přetékající text přes grafické objekty či jednoznakové předložky ponechané na koncích řádků. Celkový dojem z práce bohužel kazí také schémata v nízkém rozlišení. Grafy jsou sice vizuálně zajímavé, ale v některých případech nepřehledné kvůli příliš velkému množství položek v legendě, která je společná pro více grafů zároveň.

Přes zmíněné nedostatky autor splnil všechny cíle a prokázal, že navržené modely jsou vhodné pro trénování AI agentů. Práce pokrývá celý postup od přípravy dat přes tvorbu a validaci modelů až po jejich nasazení v simulačním prostředí, což jí dává praktický přesah a potvrzuje schopnost autora samostatné odborné práce, kritického myšlení a správné aplikace metodických postupů. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. Jaké nástroje a prostředí jste použil pro implementaci simulace? Jak je simulace strukturována a jaké jsou její hlavní komponenty? Jak se rozhoduje navržené ekonomické řízení zdrojů?
  2. Dosažená hodnota koeficientu determinace u tepelných čerpadel se pohybuje mezi 0,6 a 0,7. Existuje nějaká hranice přesnosti, pod kterou by modely nebyly použitelné? Jaké další faktory kromě konstrukční variability mezi výrobci mohou přispívat k nepřesnosti modelů?
  3. Existují obdobné modely či přístupy k simulaci energetických zdrojů určené pro trénování agentů? V čem se Váš přístup od nich liší?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová