Ανάπτυξη και εφαρμογή ευφυών αλγορίθμων ελέγχου και διαχείρισης ενέργειας σε κτίρια, με στόχο την επίτευξη μηδενικού ενεργειακού ισοζυγίου
Authors: Παπαντωνίου Σωτήριος 
Published: August 2021

Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η παρουσίαση της ανάπτυξης και ενσωμάτωσης σύγχρονων αλγορίθμων ελέγχου και βελτιστοποίησης σε κτίρια οι οποίοι: (1) διασφαλίζουν την άνεση των χρηστών, (2) μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας των κτιρίων, (3) ενσωματώνουν και διαχειρίζονται την παραγωγή ενέργειας από ΑΠΕ, (4) μπορούν να ενσωματωθούν σε υπάρχοντα συστήματα διαχείρισης ενέργειας κτιρίων και (5) συμβάλουν στην μετατροπή ενός κτιρίου σε κτίριο μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης.Τα κύρια χαρακτηριστικά των αλγορίθμων ελέγχου και βελτιστοποίησης οι οποίοι αναπτύχθηκαν είναι:•Η ενσωμάτωση προβλεπτικών αλγορίθμων για εξωτερικές και εσωτερικές συνθήκες που συμβάλουν στον υπολογισμό της ενεργειακής συμπεριφοράς των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού.•Η χρήση αλγορίθμων βελτιστοποίησης οι οποίοι υπολογίζουν την βέλτιστη χρήση των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού για τα επόμενα χρονικά βήματα.•Η εφαρμογή κλειστών βρόγχων ελέγχου οι οποίοι ελαχιστοποιούν την διαφορά μεταξύ των επιθυμητών και πραγματικών τιμών.•Ο συνδυασμός των υπολογισμών από το σύστημα βελτιστοποίησης και την ανθρώπινη παρέμβαση, όταν αυτή χρειάζεται, έτσι ώστε πιθανό σφάλμα σε ένα από τα υποσυστήματα δεν θα επηρεάζει το σύνολο του αλγορίθμου βελτιστοποίησης.Τα διαφορετικά υποσυστήματα που ενσωματώνονται στους αλγόριθμους ελέγχου και βελτιστοποίησης είναι:•Υποσύστημα κλειστού βρόγχου για τη διασφάλιση της άνεσης και της μείωσης των απωλειών ενέργειας λόγω σπατάλης.•Υποσύστημα πρόβλεψης της εξωτερικής θερμοκρασίας, διότι αυτή επηρεάζει τη θερμική άνεση του κτηρίου, καθώς και της κατανάλωσης των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού.•Υποσύστημα πρόβλεψης της εσωτερικής θερμοκρασίας το οποίο αξιοποιεί την πρόβλεψη της εξωτερικής θερμοκρασίας και την κατάσταση λειτουργίας των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού.•Υποσύστημα αλγορίθμου βελτιστοποίησης που υπολογίζει τη ρύθμιση του θερμοστάτη για τα επόμενα χρονικά βήματα.•Υποσύστημα παράκαμψης για τα παραπάνω υποσυστήματα, ώστε προσωπικό του κτιρίου, με χρήση κωδικού πρόσβασης και κατάλληλη εκπαίδευση να μπορεί να ενεργοποιεί/ απενεργοποιεί εξ’ αποστάσεως τα κλιματιστικά και τα φώτα.Αναπτύχθηκαν κατάλληλα μοντέλα προσομοίωσης της θερμικής και της οπτικής συμπεριφοράς του κτιρίου, τα οποία επικυρώθηκαν με μετρήσεις πεδίου. Τα θερμικά μοντέλα χρησιμοποιούνται για την αρχική αξιολόγηση της ετήσιας κατανάλωσης των κτιρίων καθώς και την θερμική άνεση των ενοίκων. Τα θερμικά μοντέλα συνδέονται με τους αλγόριθμους ελέγχου. Επιπλέον, τα επικυρωμένα θερμικά μοντέλα αξιοποιούνται για την επιβεβαίωση της συμπεριφοράς των αλγορίθμων ελέγχου κλειστού βρόγχου και για την εκτίμηση της ετήσιας εξοικονόμησης ενέργειας. Τα θερμικά μοντέλα ενσωματώνουν την γεωμετρία των κτηρίων, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους καθώς και τα εσωτερικά κέρδη. Τα αποτελέσματα των θερμικών μοντέλων υποδεικνύουν την κατεύθυνση που πρέπει να ακολουθήσουν οι αλγόριθμοι ελέγχου ώστε να μετατραπεί ένα ενεργοβόρo κτήριο σε κτήριο μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης.Σχεδιάστηκαν ευφυείς αλγόριθμοι ελέγχου για τις κλιματιστικές μονάδες και τα τεχνητά φώτα και ρυθμίστηκαν κατάλληλα με στόχο να συμβάλλουν στη διατήρηση της θερμικής άνεσης και στη μείωση των ενεργειακών απωλειών λόγω σπατάλης ενέργειας. Οι αλγόριθμοι ελέγχου αξιοποιούν τη γνώση των διαχειριστών του συστήματος συντάσσοντας κανόνες, ενώ οι υπόλοιπες παράμετροι προσαρμόζονται εύκολα. Η συμβολή των αλγορίθμων ελέγχου στη μείωση της εξοικονόμησης ενέργειας συμβάλει στη μετατροπή του κοινού κτιρίου σε κτίριο μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης (zero energy building).Αναπτύχθηκαν καινοτόμοι προβλεπτικοί αλγόριθμοι για την εκ προοιμίου εκτίμηση της συμπεριφοράς των συστημάτων θέρμανσης ψύξης και αερισμού. Οι προβλεπτικοί αλγόριθμοι εκτιμούν τις εσωτερικές και εξωτερικές συνθήκες. Η εκ των προτέρων γνώση, βοηθάει στην ανάπτυξη δράσεων που μπορούν να μειώσουν τη μέγιστη ζήτηση ισχύος σε συγκεκριμένες ώρες την μέρα. Με τον τρόπο αυτό μειώνεται η εξάρτηση του κτιρίου από το ηλεκτρικό δίκτυο.Επιπλέον, αναπτύχθηκαν εξελικτικοί αλγόριθμοι βασισμένοι στην γενετική εξέλιξη, ώστε να επιλεχθεί η πιο «συμφέρουσα» λύση για την χρήση των συστημάτων θέρμανσης και ψύξης για τις επόμενες ώρες. Η έξοδος των γενετικών αλγορίθμων μειώνει το συνολικό κόστος χρήσης των κλιματιστικών μονάδων, ενώ παράλληλα διασφαλίζει τη θερμική άνεση. Τέλος, οι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης μπορούν επιπλέον να λαμβάνουν υπόψη την παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ώστε να μετακινούν την μέγιστη ζήτηση ενέργειας όταν οι ΑΠΕ παράγουν την μέγιστη δυνατή ισχύ. Έτσι μειώνεται η μέγιστη ζήτηση ισχύος από τον πάροχο και το κτήριο τείνει προς την μηδενική ενεργειακή κατανάλωση.Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι ελέγχου και βελτιστοποίησης ενσωματώθηκαν στα υπάρχοντα συστήματα διαχείρισης ενέργειας δύο επιλεγμένων Νοσοκομείων (Νοσοκομείο των Χανίων και Νοσοκομείο της Ανκόνα, Ιταλία). Η εξοικονόμηση ενέργειας που επιτεύχθηκε από τη χρήση τους στο Νοσοκομείο των Χανίων είναι 57 % και 55 % για θέρμανση/ψύξη και ηλεκτρικό φωτισμό, ενώ για το Νοσοκομείο της Ανκόνα προέκυψε εξοικονόμηση 75 % για φωτισμό .Η παρούσα εργασία παρουσιάζει ένα ολοκληρωμένο και καινοτόμο σύστημα βελτιστοποίησης και ελέγχου το οποίο μπορεί να ενσωματωθεί είτε σε υπάρχοντα συστήματα διαχείρισης ενέργειας ή σε νέα και μπορεί να μεγιστοποιήσει την εξοικονόμηση ενέργειας. Η χρήση των αλγορίθμων ελέγχου και βελτιστοποίησης έδειξε ότι επιτυγχάνεται σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας χωρίς να υποβαθμίζεται η άνεση (θερμική και οπτική) των ασθενών και των ιατρών. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των νέων αλγορίθμων είναι η δυνατότητα πρόσβασης και παρακολούθησης της συμπεριφοράς τους εξ αποστάσεως μέσω της διαδικτυακής πλατφόρμας Web-Energy Management Control Systems (EMCS).