Detection of abnormal situations and energy efficiency control in heating ventilation and air conditioning (HVAC) systems
Authors: Σκλαβούνος Δημήτριος 
Published: August 2023

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.