Detection of abnormal situations and energy efficiency control in heating ventilation and air conditioning (HVAC) systems

Abstract

This research is related to the control of energy consumption and efficiency in building Heating Ventilation and Air Conditioning (HVAC) systems and isprimarily concerned with controlling the function of heating. The main goal of this thesis is to develop a control system that can achieve the following two main control functions: a) detection of unexpected indoor conditions that may result in unnecessary power consumption and b) energy efficiency control regarding optimal balancing of two parameters: the required energy consumption for heating, versus thermal comfort of the occupants. Methods of both orientations were developed in a multi-zone space composed of nine zones where each zone is equipped with a wireless node consisting of temperature and occupancy sensors while all the scattered nodes together form a wireless sensor network (WSN). The main methods of both control functions utilize the potential of the deterministic subspace identification (SID) predictive model which provides the predicted temperature of the zones. In the main method for detecting unexpected situations that can directly affect the thermal condition of the indoor space and cause energy consumption (abnormal situations), the predictive temperature from the SID model is compared with the real temperature and thus possible temperature deviations that indicate unexpected situations are detected. The method successfully detects two situations: the high infiltration gain due to unexpected cold air intake from the external surroundings through potential unforeseen openings (windows, exterior doors, opened ceilings etc) as well as the high heat gain due to onset of fire. With the support of the statistical algorithm for abrupt change detection, Cumulative Sum (CUSUM), the detection of temperature deviations is accomplished with accuracy in a very short time. The CUSUM algorithm is first evaluated at an initial approach to detect power diversions due to the above situations caused by the aforementioned exogenous factors. The predicted temperature of the zone from the SID model utilized appropriately also by the main method of the second control function for energy efficiency control. The time needed for the temperature of a zone to reach the thermal comfort zone threshold from a low initial value is measured by the predicted temperature evolution, and this measurement bases the logic of a control criterion for applying proactive heating to the unoccupied zones or not. Additional key points for the control criterion of the method is the occupation time of the zones as well as the remaining time of the occupants in the occupied zones. Two scenarios are examined: the first scenario with two adjacent zones where the one is occupied and the other is not, and the second scenario with a multi-zone space where the occupants are moving through the zones in a cascademode. Gama and Pareto probability distributions modeled the occupation times of the two-zone scenario while exponential distribution modeled the cascade scenario as the least favorable case. The mobility of the occupants modeled with a semi-Markov process and the method provides satisfactory and reasonable results. At an initial approach the proactive heating of the zones is evaluated with specific algorithms that handle appropriately the occupation time into the zones.

Αυτή η έρευνα σχετίζεται με τον έλεγχο της κατανάλωσης ενέργειας και της απόδοσης σε συστήματα εξαερισμού θέρμανσης και κλιματισμού (HVAC) κτιρίων και ασχολείται πρωτίστως με τον έλεγχο της λειτουργίας της θέρμανσης. Ο κύριος στόχος αυτής της Διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος ελέγχου που μπορεί να επιτύχει τις ακόλουθες δύο κύριες λειτουργίες: α) ανίχνευση απροσδόκητων εσωτερικών συνθηκών που μπορεί να οδηγήσουν σε περιττή κατανάλωση ενέργειας και β) έλεγχος ενεργειακής απόδοτικότητας σχετικά με τη βέλτιστη εξισορρόπηση δύο παραμέτρων: την απαιτούμενη κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση, έναντι της θερμικής άνεσης των παρευρισκομένων. Οι μέθοδοι και των δύο προσανατολισμών αναπτύχθηκαν σε έναν πολυζωνικό χώρο που αποτελείται από εννέα ζώνες όπου κάθε ζώνη είναι εξοπλισμένη με έναν ασύρματο κόμβο που αποτελείται από αισθητήρες θερμοκρασίας και κατάληψης χώρου, ενώ όλοι οι διάσπαρτοι κόμβοι μαζί σχηματίζουν ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων (WSN). Οι κύριες μέθοδοι και των δύο λειτουργιών ελέγχου χρησιμοποιούν το δυναμικό του προγνωστικού μοντέλου ντετερμινιστικής αναγνώρισης υποχώρου (SID) που παρέχει την προβλεπόμενη θερμοκρασία των ζωνών. Στην κύρια μέθοδο ανίχνευσης απροσδόκητων καταστάσεων που μπορούν να επηρεάσουν άμεσα τη θερμική κατάσταση του εσωτερικού χώρου και να προκαλέσουν κατανάλωση ενέργειας (μη φυσιολογικές καταστάσεις), η προγνωστική θερμοκρασία από το μοντέλο SID συγκρίνεται με την πραγματική θερμοκρασία και έτσι ανιχνεύονται πιθανές αποκλίσεις θερμοκρασίας που υποδηλώνουν απροσδόκητες καταστάσεις. Η μέθοδος ανιχνεύει με επιτυχία δύο καταστάσεις: το υψηλό κέρδος διείσδυσης λόγω απροσδόκητης εισαγωγής κρύου αέρα από το εξωτερικό περιβάλλον μέσω πιθανών απρόβλεπτων ανοιγμάτων (παράθυρα, εξωτερικές πόρτες, ανοιχτές οροφές κ.λπ.) καθώς και το υψηλό κέρδος θερμότητας λόγω έναρξης πυρκαγιάς. Με την υποστήριξη του στατιστικού αλγορίθμου ανίχνευσης απότομων αλλαγών, Συσωρευτικού αθροίσματος (CUSUM), η ανίχνευση των αποκλίσεων θερμοκρασίας επιτυγχάνεται με ακρίβεια σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Ο αλγόριθμος CUSUM αξιολογείται αρχικά σε μια αρχική προσέγγιση για τον εντοπισμό εκτροπών ισχύος λόγω των παραπάνω καταστάσεων που προκαλούνται από τους προαναφερθέντες εξωγενείς παράγοντες. Η προβλεπόμενη θερμοκρασία της ζώνης από το μοντέλο SID χρησιμοποιήθηκε κατάλληλα και από την κύρια μέθοδο της δεύτερης λειτουργίας ελέγχου για τον έλεγχο της ενεργειακής απόδοτικότητας. Ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει η θερμοκρασία μιας ζώνης στο κατώφλι της ζώνης θερμικής άνεσης από μια χαμηλή αρχική τιμή μετριέται με την προβλεπόμενη εξέλιξη της θερμοκρασίας και αυτή η μέτρηση βασίζεται στη λογική ενός κριτηρίου ελέγχου για την εφαρμογή προληπτικής θέρμανσης στις μη κατειλημμένες ζώνες ή όχι. Πρόσθετα βασικά σημεία για το κριτήριο ελέγχου της μεθόδου είναι ο χρόνος κατάληψης των ζωνών καθώς και ο υπόλοιπος χρόνος των παρευρισκόμενων στις κατεχόμενες ζώνες (χώρους). Εξετάζονται δύο σενάρια: το πρώτο σενάριο με δύο παρακείμενες ζώνες όπου η μία είναι κατειλημμένη και η άλλη όχι και το δεύτερο σενάριο με χώρο πολλαπλών ζωνών όπου οι ένοικοι κινούνται μέσα στις ζώνες σε καταρράκτη. Οι κατανομές πιθανοτήτων Gama και Pareto μοντελοποίησαν τους χρόνους κατάληψης του σεναρίου δύο ζωνών ενώ η εκθετική κατανομή μοντελοποίησε το σενάριο καταρράκτη ως τη λιγότερο ευνοϊκή περίπτωση. Η κινητικότητα των επιβατών που διαμορφώθηκε με τη διαδικασία Semi-Markov και η μέθοδος παρέχει ικανοποιητικά και λογικά αποτελέσματα. Σε μια αρχική προσέγγιση η προληπτική θέρμανση των ζωνών αξιολογείται με συγκεκριμένους αλγόριθμους που χειρίζονται κατάλληλα τον χρόνο κατάληψης στις ζώνες.