Βελτιστοποιημένη λειτουργία συστημάτων ηλιοπροστασίας σε συνδυασμό με θερμοστατικό έλεγχο στα κτήρια

Abstract

This work suggests a new methodology of a whole building simulation-based control of building shading systems. The thermostat control is also considered synchronously to study the effect of adding new control systems. The problem is focusing on the users’ viewpoint by describing a “user satisfaction” function, which is attempted to be optimized. The suggested approach allows users to choose their comfort factors with their limits and the allowed energy spent to provide view to the outside. Users can grade all shading positions regarding view and the suggested approach seeks for minimizing energy consumption and maximizing view to the outside taking notice of visual and thermal comfort satisfaction. The problem described as an optimization problem and new tools has been built and new functionality to current tools has been added. The initial typical approach used optimization algorithms such as the simplex method of Nelder and Mead, the pattern search method of Hooke and Jeeves, the genetic algorithm, the Particle Swarm Optimization and their hybrid and parallel versions. Results show that such algorithms cannot achieve satisfactory performance, because of the needed long runtime, which restricts real-time use of them. The provided solution produced an innovative optimization strategy by adding domain expert knowledge to the problem. This strategy cut the problem into parts, which can be solved synchronously with great performance. The suggested strategy outperforms the typical approach both on runtime and results reliability. This work produced several new tools to the research community. New optimization algorithms and packages have been added to GenOpt, such as the ECJ and JGAP. The programming code of the genetic algorithm of JGAP has been altered to improve parallel performance. The pattern search of Hooke and Jeeves has been modified to a synchronously parallel version. A hybrid version of the genetic algorithm and the pattern search has been produced. Code to couple GenOpt with Radiance has been provided as well. A new methodology of shading systems control has been produced. This methodology has included thermostat control as well and can be extended to other building systems. Results gathered and provided some simple rules for shading control, which follows the logic of the “user satisfaction” approach. A new viewpoint of building design and control optimization has been provided and showed the directions to future building optimization tools.

Στην παρούσα εργασία προτείνεται μία μεθοδολογία ελέγχου συστημάτων ηλιοπροστασίας, η οποία βασίζεται στη χρήση αναλυτικού καθολικού υπολογιστικού μοντέλου κτηρίου. Για να συνεκτιμηθεί η επιρροή της προσθήκης νέων παραμέτρων στο πρόβλημα, εφαρμόζεται η προτεινόμενη μεθοδολογία συγχρόνως και στη λειτουργία του θερμοστάτη. Το πρόβλημα προσεγγίζεται από την οπτική γωνία των χρηστών και αντιμετωπίζεται ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, σχηματίζοντας μία συνάρτηση «ικανοποίησης των χρηστών», στην οποία απαιτείται να βελτιστοποιηθεί η τιμή της. Η προτεινόμενη προσέγγιση επιτρέπει στους χρήστες να επιλέξουν τους δείκτες άνεσης και τα όρια αυτών, καθώς και την ποσότητα της ενέργειας που επιτρέπεται να ξοδευτεί προς όφελος της παροχής θέας προς τα έξω. Οι χρήστες μπορούν να βαθμολογήσουν τις θέσεις του συστήματος ηλιοπροστασίας ως προς την παροχή θέας και η προτεινόμενη μεθοδολογία επιδιώκει την ελαχιστοποίηση της ενεργειακής κατανάλωσης και τη μεγιστοποίηση της παροχής θέας προς τα έξω, λαμβάνοντας υπόψη την ικανοποίηση των κριτηρίων θερμικής και οπτικής άνεσης. Το πρόβλημα της εργασίας έχει περιγραφεί ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης και για την επίλυσή του κατασκευάστηκαν νέα λογισμικά εργαλεία και προστέθηκαν νέες λειτουργικότητες σε υφιστάμενα. Στην αρχική προσέγγιση το πρόβλημα επιδιώκεται να επιλυθεί με τη χρήση αλγορίθμων βελτιστοποίησης, όπως η μέθοδος simplex των Nelder και Mead, η αναζήτηση σε μοτίβο των Hooke και Jeeves, οι γενετικοί αλγόριθμοι, η μέθοδος των Particle Swarm Optimization και οι υβριδικές και παράλληλες εκδόσεις αυτών. Σ’ αυτή την προσέγγιση οι αλγόριθμοι δεν επιτυγχάνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα, διότι ο μεγάλος χρόνος εξαγωγής αποτελέσματος δεν επιτρέπει τη χρήση τους σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Για την επίλυση του προβλήματος της εργασίας κατασκευάστηκε μια καινοτόμος στρατηγική βελτιστοποίησης, ειδικά διαμορφωμένη για το συγκεκριμένο πρόβλημα, η οποία εισάγει στο πρόβλημα τις γνώσεις μηχανικού, ώστε να κατευθυνθεί η αναζήτηση πιο γρήγορα προς τη βέλτιστη λύση. Αυτή η στρατηγική χωρίζει το πρόβλημα σε υπό-προβλήματα, τα οποία μπορούν να επιλυθούν συγχρόνως με εξαιρετική απόδοση. Γίνεται σύγκριση μεταξύ των τυπικών προσεγγίσεων βελτιστοποίησης και της προτεινόμενης στρατηγικής και αναγνωρίζεται η ανωτερότητά της τόσο στην ταχύτητα εύρεσης της λύσης όσο και στην αξιοπιστία των αποτελεσμάτων της. Για την ολοκλήρωση της εργασίας απαιτήθηκε η προσαρμογή μεθόδων και εργαλείων βελτιστοποίησης στη βελτιστοποίηση συστημάτων κτηρίων. Στο διεθνώς αναγνωρισμένο από την ερευνητική κοινότητα εργαλείο βελτιστοποίησης GenOpt, προστέθηκαν νέα πακέτα αλγορίθμων βελτιστοποίησης, όπως είναι το ECJ και το JGAP. Στο JGAP έγιναν τροποποιήσεις στον κώδικα, ώστε να αυξηθεί σημαντικά η απόδοση του γενετικού αλγορίθμου του. Η μέθοδος αναζήτησης σε μοτίβο των Hooke και Jeeves τροποποιήθηκε, ώστε να έχει τη δυνατότητα παράλληλης επεξεργασίας. Κατασκευάστηκε υβριδική έκδοση του γενετικού αλγορίθμου με την αναζήτηση σε μοτίβο. Δόθηκε η δυνατότητα συνεργασίας του GenOpt με το λογισμικό οπτικής προσομοίωσης Radiance. Η εργασία παρήγαγε μία νέα μεθοδολογία ελέγχου συστημάτων ηλιοπροστασίας, η οποία επεκτείνεται και στον έλεγχο του θερμοστάτη και μπορεί να επεκταθεί αντίστοιχα και στον έλεγχο άλλων συστημάτων κτηρίων. Στα αποτελέσματα περιλαμβάνονται και μερικοί απλοί κανόνες λειτουργίας συστημάτων ηλιοπροστασίας, οι οποίοι ακολουθούν τη λογική της προτεινόμενης «ικανοποίησης των χρηστών». Επίσης, αναδείχθηκε μία νέα οπτική προσέγγισης προβλημάτων βελτιστοποίησης του σχεδιασμού και της λειτουργίας κτηρίων και δόθηκαν κατευθύνσεις ως προς τη λειτουργικότητα που πρέπει να διαθέτουν τα μελλοντικά λογισμικά εργαλεία βελτιστοποίησης.