Ανάπτυξη και εφαρμογή ευφυών αλγορίθμων ελέγχου και διαχείρισης ενέργειας σε κτίρια, με στόχο την επίτευξη μηδενικού ενεργειακού ισοζυγίου

Abstract

The scope of the present doctoral thesis is to develop and integrate building optimization and control algorithms which: (1) safeguard the comfort of occupants, (2) reduce the energy consumption of the HVAC equipment, (3) embody and manage the energy production from RES, (4) can be integrated in existing and new BEMS and (5) facilitate the transformation of any building towards a zero energy building. The main characteristics of the developed BOC algorithms are to:•Integrate predictive models for outdoor and indoor conditions to facilitate calculation of the performance of the HVAC systems.•Incorporate optimization algorithms which predict the optimum operation of the HVAC systems in the near future.•Apply close loop control which minimizes the difference between the set-points and the actual values.•Combine the calculations from the optimization with human interference, when required, in order to guarantee that potential failure of a subsystem is not affecting the whole BOC structure.The different sub-systems which compose the BOC algorithms are:A closed loop control algorithm for safeguarding the comfort conditions and reduce the energy consumption from waste energy.A predictive algorithm for outdoor conditions which affect the buildings’ fabric and the operation of the HVAC systemsA predictive algorithm for indoor conditions which estimate the indoor conditions under the predicted outdoor conditions and the use of the HVAC systemAn optimization algorithm which sets the set-point of the AHU for the near future in order to exploit the thermal mass of the buildings’ fabric.An override sequence which bypasses all the system and allows authorized/trained personnel to send commands directly to the HVAC and artificial lights.Thermal and lighting models of hospital facilities are developed and validated with collected measurements. The thermal models are used to preliminary estimate energy requirements of buildings and the comfort of occupants. Furthermore, the thermal modes are used for the fine-tuning of the control algorithms and the estimation of their energy efficiency potential. The thermal models incorporate the geometry of the buildings, the construction characteristics and the internal gains. The thermal models are connected with the BOC algorithms development software. The thermal models point the direction the developed algorithms should follow to transform the energy consuming buildings to zero energy ones.Advanced control algorithms for AHU and artificial lights are designed and fine-tuned to safeguard the comfort level and reduce the energy losses from wasted energy. The control algorithms use the knowledge from the users in the form of rules and their parameters are easily fine-tuned, if required. The reduction of the energy losses contribute to the target of zero energy buildings.Innovative identification algorithms are developed in order to estimate in advance the conditions of the facilities in order to adjust the usage of the HVAC equipment. The identification algorithms predict indoor and outdoor conditions. The a priori knowledge assists the definition of plans which can reduce the energy consumption of the next hours of operation, reducing the power demand for specific hours of the day.Furthermore, optimization algorithms using genetic techniques are used to select the most “profitable” operation of the HVAC system in the next hours. The solution selected from the optimization algorithm minimizes the operational cost of the HVAC system over the next hours while the comfort level can be maintained. The optimization algorithms can integrate additional energy efficiency technologies such as RES and swift the loads when RES provide power.The BOC algorithms are integrated in specific facilities of the two Hospitals (Hospital of Chania and Hospital of Ancona, Italy) and the energy efficiency are calculated at 57% and 55% for the Air handling Units and the artificial lights respectively for the hospital of Chania and 75 % for the artificial lights in the hospital of Ancona.The present thesis provides a completed innovative optimization and control system which can be applied to existing BEMS or new ones in order to maximize the energy efficiency of the systems. The optimization and control system has achieved significant energy efficiency in both pilot hospitals, without compromising the comfort (visual or thermal) of patients. Another significant advantage the new control algorithms is the ability to be accessed and monitored from distance by means of a Web-EMCS internet platform.

Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η παρουσίαση της ανάπτυξης και ενσωμάτωσης σύγχρονων αλγορίθμων ελέγχου και βελτιστοποίησης σε κτίρια οι οποίοι: (1) διασφαλίζουν την άνεση των χρηστών, (2) μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας των κτιρίων, (3) ενσωματώνουν και διαχειρίζονται την παραγωγή ενέργειας από ΑΠΕ, (4) μπορούν να ενσωματωθούν σε υπάρχοντα συστήματα διαχείρισης ενέργειας κτιρίων και (5) συμβάλουν στην μετατροπή ενός κτιρίου σε κτίριο μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης.Τα κύρια χαρακτηριστικά των αλγορίθμων ελέγχου και βελτιστοποίησης οι οποίοι αναπτύχθηκαν είναι:•Η ενσωμάτωση προβλεπτικών αλγορίθμων για εξωτερικές και εσωτερικές συνθήκες που συμβάλουν στον υπολογισμό της ενεργειακής συμπεριφοράς των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού.•Η χρήση αλγορίθμων βελτιστοποίησης οι οποίοι υπολογίζουν την βέλτιστη χρήση των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού για τα επόμενα χρονικά βήματα.•Η εφαρμογή κλειστών βρόγχων ελέγχου οι οποίοι ελαχιστοποιούν την διαφορά μεταξύ των επιθυμητών και πραγματικών τιμών.•Ο συνδυασμός των υπολογισμών από το σύστημα βελτιστοποίησης και την ανθρώπινη παρέμβαση, όταν αυτή χρειάζεται, έτσι ώστε πιθανό σφάλμα σε ένα από τα υποσυστήματα δεν θα επηρεάζει το σύνολο του αλγορίθμου βελτιστοποίησης.Τα διαφορετικά υποσυστήματα που ενσωματώνονται στους αλγόριθμους ελέγχου και βελτιστοποίησης είναι:•Υποσύστημα κλειστού βρόγχου για τη διασφάλιση της άνεσης και της μείωσης των απωλειών ενέργειας λόγω σπατάλης.•Υποσύστημα πρόβλεψης της εξωτερικής θερμοκρασίας, διότι αυτή επηρεάζει τη θερμική άνεση του κτηρίου, καθώς και της κατανάλωσης των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού.•Υποσύστημα πρόβλεψης της εσωτερικής θερμοκρασίας το οποίο αξιοποιεί την πρόβλεψη της εξωτερικής θερμοκρασίας και την κατάσταση λειτουργίας των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού.•Υποσύστημα αλγορίθμου βελτιστοποίησης που υπολογίζει τη ρύθμιση του θερμοστάτη για τα επόμενα χρονικά βήματα.•Υποσύστημα παράκαμψης για τα παραπάνω υποσυστήματα, ώστε προσωπικό του κτιρίου, με χρήση κωδικού πρόσβασης και κατάλληλη εκπαίδευση να μπορεί να ενεργοποιεί/ απενεργοποιεί εξ’ αποστάσεως τα κλιματιστικά και τα φώτα.Αναπτύχθηκαν κατάλληλα μοντέλα προσομοίωσης της θερμικής και της οπτικής συμπεριφοράς του κτιρίου, τα οποία επικυρώθηκαν με μετρήσεις πεδίου. Τα θερμικά μοντέλα χρησιμοποιούνται για την αρχική αξιολόγηση της ετήσιας κατανάλωσης των κτιρίων καθώς και την θερμική άνεση των ενοίκων. Τα θερμικά μοντέλα συνδέονται με τους αλγόριθμους ελέγχου. Επιπλέον, τα επικυρωμένα θερμικά μοντέλα αξιοποιούνται για την επιβεβαίωση της συμπεριφοράς των αλγορίθμων ελέγχου κλειστού βρόγχου και για την εκτίμηση της ετήσιας εξοικονόμησης ενέργειας. Τα θερμικά μοντέλα ενσωματώνουν την γεωμετρία των κτηρίων, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους καθώς και τα εσωτερικά κέρδη. Τα αποτελέσματα των θερμικών μοντέλων υποδεικνύουν την κατεύθυνση που πρέπει να ακολουθήσουν οι αλγόριθμοι ελέγχου ώστε να μετατραπεί ένα ενεργοβόρo κτήριο σε κτήριο μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης.Σχεδιάστηκαν ευφυείς αλγόριθμοι ελέγχου για τις κλιματιστικές μονάδες και τα τεχνητά φώτα και ρυθμίστηκαν κατάλληλα με στόχο να συμβάλλουν στη διατήρηση της θερμικής άνεσης και στη μείωση των ενεργειακών απωλειών λόγω σπατάλης ενέργειας. Οι αλγόριθμοι ελέγχου αξιοποιούν τη γνώση των διαχειριστών του συστήματος συντάσσοντας κανόνες, ενώ οι υπόλοιπες παράμετροι προσαρμόζονται εύκολα. Η συμβολή των αλγορίθμων ελέγχου στη μείωση της εξοικονόμησης ενέργειας συμβάλει στη μετατροπή του κοινού κτιρίου σε κτίριο μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης (zero energy building).Αναπτύχθηκαν καινοτόμοι προβλεπτικοί αλγόριθμοι για την εκ προοιμίου εκτίμηση της συμπεριφοράς των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού. Οι προβλεπτικοί αλγόριθμοι εκτιμούν τις εσωτερικές και εξωτερικές συνθήκες. Η εκ των προτέρων γνώση, βοηθάει στην ανάπτυξη δράσεων που μπορούν να μειώσουν τη μέγιστη ζήτηση ισχύος σε συγκεκριμένες ώρες την μέρα. Με τον τρόπο αυτό μειώνεται η εξάρτηση του κτιρίου από το ηλεκτρικό δίκτυο.Επιπλέον, αναπτύχθηκαν εξελικτικοί αλγόριθμοι βασισμένοι στην γενετική εξέλιξη, ώστε να επιλεχθεί η πιο «συμφέρουσα» λύση για την χρήση των συστημάτων θέρμανσης και ψύξης για τις επόμενες ώρες. Η έξοδος των γενετικών αλγορίθμων μειώνει το συνολικό κόστος χρήσης των κλιματιστικών μονάδων, ενώ παράλληλα διασφαλίζει τη θερμική άνεση. Τέλος, οι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης μπορούν επιπλέον να λαμβάνουν υπόψη την παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ώστε να μετακινούν την μέγιστη ζήτηση ενέργειας όταν οι ΑΠΕ παράγουν την μέγιστη δυνατή ισχύ. Έτσι μειώνεται η μέγιστη ζήτηση ισχύος από τον πάροχο και το κτήριο τείνει προς την μηδενική ενεργειακή κατανάλωση.Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι ελέγχου και βελτιστοποίησης ενσωματώθηκαν στα υπάρχοντα συστήματα διαχείρισης ενέργειας δύο επιλεγμένων Νοσοκομείων (Νοσοκομείο των Χανίων και Νοσοκομείο της Ανκόνα, Ιταλία). Η εξοικονόμηση ενέργειας που επιτεύχθηκε από τη χρήση τους στο Νοσοκομείο των Χανίων είναι 57 % και 55 % για θέρμανση/ψύξη και ηλεκτρικό φωτισμό, ενώ για το Νοσοκομείο της Ανκόνα προέκυψε εξοικονόμηση 75 % για φωτισμό .Η παρούσα εργασία παρουσιάζει ένα ολοκληρωμένο και καινοτόμο σύστημα βελτιστοποίησης και ελέγχου το οποίο μπορεί να ενσωματωθεί είτε σε υπάρχοντα συστήματα διαχείρισης ενέργειας ή σε νέα και μπορεί να μεγιστοποιήσει την εξοικονόμηση ενέργειας. Η χρήση των αλγορίθμων ελέγχου και βελτιστοποίησης έδειξε ότι επιτυγχάνεται σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας χωρίς να υποβαθμίζεται η άνεση (θερμική και οπτική) των ασθενών και των ιατρών. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των νέων αλγορίθμων είναι η δυνατότητα πρόσβασης και παρακολούθησης της συμπεριφοράς τους εξ αποστάσεως μέσω της διαδικτυακής πλατφόρμας Web-Energy Management Control Systems (EMCS).