Βελτιστοποιημένη λειτουργία συστημάτων ηλιοπροστασίας σε συνδυασμό με θερμοστατικό έλεγχο στα κτήρια
Authors: Μαχαιράς Βασίλειος 
Published: August 2021

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.