Συστήματα υποστήριξης αποφάσεων διαχείρισης και εξοικονόμησης ενέργειας σε κτίρια Έξυπνων Πόλεων με χρήση καινοτόμων διαδικτυακών εργαλείων

Abstract

Cities are becoming more and more focal points of our economies and societies. Energy is an essential component of life in cities, as it supports the whole spectrum of their economic activities and secures a certain level of quality of live. Climate change and the subsequent problems, caused by the on-going urbanization of cities, require urgent actions. To meet their public policy objectives under these circumstances, cities need to change and develop in a smart way, taking into account the issues of energy efficiency and sustainability. The proposed Framework and the novel Decision Support Tools for Cities’ Energy Assessment and Optimization contribute to the transition from “Traditional Cities” to Smart “Energy Cities". In this context the main objective of this doctoral thesis is to present a Decision Support Framework able to assess and optimize the energy use in Smart Cities.The proposed methodology is addressed to the local authorities of the cities, so as to optimize the energy use in their premises and achieve significant reduction in CO2 emissions. In particular, this thesis contributes to the development of the proposed novel Framework based on two pillars: “Assessment” and “Management”. The ‘Assessment’ pillar highlights the strengths, the underperforming sectors and the potentials of a city in terms of energy optimization. The ‘Management’ pillar includes a number of targeted action plans that can be used by the energy managers of a city. The proposed actions in this pillar derive from the DSS for Energy Management component of the Framework that offers short-term scenarios on a weekly basis, and from the DSS for Energy Efficiency component that offers long-term scenarios on a yearly basis.Moreover, this thesis contributes to the development of a number of web based components. The ‘Assessment’ pillar makes use of the Smart City Energy Assessment Framework tool (e-SCEAF), which can provide fruitful results for the assessment of the energy behavior and performance of a city. The ‘Management’ pillar makes use of the Thermal Comfort Validator (TCV) with the relevant action plan for temperature control of buildings and the Building Energy Management software (BEMAT). TCV software can assist energy managers in adjusting thermal comfort parameters in order to optimize energy use and maintain comfort levels in acceptable ranges. BEMAT software is able to collect real energy consumption data and calculate automatically the energy savings from a list of improvement scenarios. The novelty of the proposed Framework lies on the merging of multidisciplinary data sources from the following domains: weather, building monitoring, users’ feedback, energy prices and energy production.The pilot application of the proposed methodology (through the support of the information systems developed) in a real problem (three representative European cities) provided the possibility to evaluate its completeness and the reliability of the results. The cities selected were: Savona in Italy, Sant Cugat in Spain and Zaanstad in the Netherlands. Five municipal buildings were examined: the Colombo-Pertini School and the Campus in Savona, the City Hall and the Theater in Sant Cugat, and the Town Hall in Zaanstad.It is worth mentioning that the proposed methodology, in September 2017, was published at the Elsevier's Energy Procedia Journal and has been selected as "a key scientific article contributing to research excellence in science and engineering" by the Canadian research association AIE - Advances In Engineering. Also, part of the proposed methodology, and specifically for the online application Building Energy Management Tool (BEMAT), Mr Papastamatiou received the “Best Paper Award” at the 6th IEEE International Conference on Information, Intelligence, Systems and Applications (IISA 2015) at the Ionian University in Corfu, Greece.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας υποστήριξης αποφάσεων για την εξοικονόμηση και την διαχείριση ενέργειας στα κτίρια των «Έξυπνων Πόλεων». Η διατριβή έχει ως στόχο να συμβάλλει στην κάλυψη του επιστημονικού «κενού» που εντοπίσθηκε σχετικά με την προώθηση των Συστημάτων Υποστήριξης Αποφάσεων (ΣΥΑ) και της αξιοποίησης των Τεχνολογιών Πληροφοριών και Επικοινωνιών (ΤΠΕ) για την δημιουργία των ενεργειακά βιώσιμων και «Έξυπνων Πόλεων». Μέσα από την εμπεριστατωμένη ανάλυση των βασικών παραμέτρων του προβλήματος και των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων επιτυγχάνεται ο σχεδιασμός ενός αξιόπιστου και συνεπούς πλαισίου υποστήριξης των τελικών αποφασιζόντων.Σε πρώτο επίπεδο, η διατριβή συμβάλλει στην ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας με στόχο την υποστήριξη των τοπικών και περιφερειακών αρχών προς την κατεύθυνση των Ενεργειακά Έξυπνων Πόλεων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία στοχεύει στην ενεργειακή εξοικονόμηση και διαχείριση της ενέργειας στις κτιριακές υποδομές των πόλεων, ώστε να επιτευχθεί σημαντική μείωση στην κατανάλωση ενέργειας και την εκπομπή ρυπογόνων αερίων. Το πρωτότυπο πλαίσιο που προτείνεται περιλαμβάνει δύο πυλώνες: την «Αξιολόγηση» (Assessment) και τη «Διαχείριση» (Management). Ο πυλώνας «Αξιολόγηση» επισημαίνει τα ισχυρά σημεία, τους τομείς χαμηλής απόδοσης και τις δυνατότητες μιας πόλης για ενεργειακή βελτίωση. Αφού οι τοπικές αρχές της πόλης διακρίνουν τους τομείς χαμηλής απόδοσης της πόλης, που επισημαίνονται στο στάδιο της «Αξιολόγησης», συνεχίζουν με το επόμενο στάδιο της «Διαχείρισης» όπου και επιλέγουν να εφαρμόσουν κατάλληλα προσαρμοσμένες δράσεις για τις πόλεις τους, ώστε να βελτιωθεί η εξοικονόμηση ενέργειας στις κτιριακές τους εγκαταστάσεις. Οι προτεινόμενες δράσεις εξοικονόμησης ενέργειας προκύπτουν από δύο ΣΥΑ που έχουν αναπτυχθεί: Το ΣΥΑ για τη Διαχείριση Ενέργειας, που περιλαμβάνει το Σχέδιο Δράσης για την «Ρύθμιση της θερμοκρασίας εσωτερικών χώρων», και το ΣΥΑ για την Εξοικονόμηση Ενέργειας, που περιλαμβάνει μακροπρόθεσμα σενάρια εξοικονόμησης ενέργειας. Σε δεύτερο επίπεδο, η διατριβή συμβάλλει στην ανάπτυξη πρότυπων διαδικτυακών εργαλείων, που έγκεινται στο ευρύτερο επιστημονικό πεδίο της υποστήριξης αποφάσεων και είναι προσαρμοσμένα κατάλληλα στο τρέχον πρόβλημα. Συγκεκριμένα για την υλοποίηση του πυλώνα «Αξιολόγηση» αναπτύχθηκε το διαδικτυακό εργαλείο Αξιολόγησης Ενέργειας για τις Έξυπνες Πόλεις «e-SCEAF-Smart City Energy Assessment Framework tool», και για την υλοποίηση του πυλώνα «Διαχείριση» αναπτύχθηκαν το διαδικτυακό εργαλείο αξιολόγησης θερμικής άνεσης «TCV -Thermal Comfort Validator» και το διαδικτυακό εργαλείο ενεργειακής εξοικονόμησης κτιρίων «ΒΕΜΑΤ - Building Energy Management Tool».Ως πεδίο εφαρμογής της προτεινόμενης μεθοδολογίας και των πληροφοριακών συστημάτων επιλέχθηκαν τρεις αντιπροσωπευτικές ευρωπαϊκές πόλεις: η Σαβόνα στην Ιταλία, το Σαν Κουγκάτ στην Ισπανία και το Ζάανσταντ στην Ολλανδία. Τα αποτελέσματα αφορούν πέντε δημοτικά κτίρια: το Σχολείο «Savona Colombo-Pertini» και η Πανεπιστημιούπολη «Savona Campus» στη Σαβόνα, το Δημαρχείο και το Θέατρο στο Σαν Κουγκάτ και το Δημαρχείο στο Ζάανσταντ. Αξίζει να σημειωθεί ότι η μεθοδολογία που προτείνεται στη διατριβή δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Energy Procedia, Elsevier και απέσπασε τη διάκριση «Κey Scientific Article Contributing to Research Excellence in Science and Engineering» του καναδικού οργανισμού «Advances In Engineering - ΑΙΕ». Επίσης, μέρος της προτεινόμενης μεθοδολογίας και συγκεκριμένα η παρουσίαση του εργαλείου ενεργειακής διαχείρισης κτιρίων «ΒΕΜΑΤ – Building Energy Management Tool» βραβεύτηκε ως η καλύτερη εργασία στο 6ο Διεθνές Συνέδριο της IEEE για την Πληροφορική, τα Ευφυή Συστήματα και τις Εφαρμογές. Τέλος, η δημοσιευμένη εργασία στο περιοδικό Information Fusion, Elsevier για το εργαλείο ενεργειακής αξιολόγησης πόλεων και κτιρίων «e-SCEAF - Smart City Energy Assessment Framework Tool», απέσπασε το «Θωμαΐδειο Βραβείο για την Πρόοδο Επιστημών και Τεχνών» του ΕΜΠ.