title: Real-Time control of smart energy buildings 
title: Έλεγχος σε πραγματικό χρόνο για έξυπνα ενεργειακά κτίρια
Creators: name: Κυριακου Ελευθεριος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: The real-time management and control of Building Energy Systems (BES) is crucial for improving both energy resilience and efficiency. By utilizing real-time control alongside ongoing monitoring and adjusting to variations in energy supply and demand, BES ensures a consistent and dependable power supply for local areas, even during grid disruptions or power outages. Additionally, real-time operation facilitates demand response strategies, allowing users to effectively control their energy use and expenses. This approach is essential in updating and safeguarding modern energy infrastructure, contributing to its sustainability. In this work, system identification and parameter estimation techniques are used. The developed tools can be very useful in energy management and real-time control applications of building energy systems. A detailed model of the building energy system is also developed, which is the basis on which the applied identification techniques are based, as well as any real-time control system of the building energy system.
description: Η λειτουργία των ενεργειακών συστημάτων κτιρίων σε πραγματικό χρόνο έχει ιδιαίτερη σημασία λόγω της ικανότητάς της να ενισχύει την ανθεκτικότητα και αποδοτικότητα ενεργειακών συστημάτων. Ο έλεγχος σε πραγματικό χρόνο, σε συνδυασμό με τη συνεχή παρακολούθηση και την προσαρμογή στις διακυμάνσεις της προσφοράς-ζήτησης ενέργειας, εξασφαλίζει σταθερή και αξιόπιστη παροχή ενέργειας στις τοπικές κοινότητες, ακόμη και κατά τη διάρκεια διαταραχών ή διακοπών του δικτύου. Επιπλέον, η λειτουργία σε πραγματικό χρόνο υποστηρίζει μηχανισμούς απόκρισης στη ζήτηση, επιτρέποντας στους χρήστες να διαχειρίζονται ενεργά την κατανάλωση ενέργειας και το κόστος της. Συνολικά, διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στον εκσυγχρονισμό και τη μελλοντική διασφάλιση της σύγχρονης ενεργειακής υποδομής, καθιστώντας την πιο βιώσιμη. 
Στην παρούσα εργασία γίνεται χρήση τεχνικών αναγνώρισης συστήματος και εκτίμησης παραμέτρων. Τα αναπτυχθέντα εργαλεία μπορούν να είναι πολύ χρήσιμα σε εφαρμογές διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου πραγματικού χρόνου κτιριακών ενεργειακών συστημάτων. Επίσης, αναπτύσσεται λεπτομερές μοντέλο του κτιριακού ενεργειακού συστήματος, το οποίο αποτελεί τη βάση που στηρίζονται οι εφαρμοσθείσες τεχνικές αναγνώρισης, καθώς και όποιο σύστημα ελέγχου πραγματικού χρόνου του ενεργειακού συστήματος του κτιρίου.
Η χρήση της ομαδοποίησης K-means σε δεδομένα εσωτερικής θερμοκρασίας θερμικών ζωνών κτιρίων αποσκοπεί στην ταξινόμηση αυτών των ζωνών σε ομάδες με παρόμοια μοτίβα θερμοκρασίας. Ο πρωταρχικός στόχος είναι ο εντοπισμός και η ομαδοποίηση παρόμοιων μοτίβων θερμοκρασίας εντός των θερμικών ζωνών του κτιρίου. Κάθε συστάδα αντιπροσωπεύει ένα σύνολο θερμικών ζωνών που παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά θερμοκρασίας. Με την ομαδοποίηση των δεδομένων θερμοκρασίας, μπορούμε να χαρακτηρίσουμε διαφορετικούς τύπους θερμικών ζωνών εντός του κτιρίου. Για παράδειγμα, ορισμένες συστάδες μπορεί να αντιστοιχούν σε δωμάτια που είναι γενικά θερμότερα, ψυχρότερα ή έχουν πιο σταθερές θερμοκρασίες. Η κατανόηση αυτών των συστάδων μπορεί να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση των συστημάτων θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού. Με την αναγνώριση ζωνών με παρόμοια προφίλ θερμοκρασίας, το σύστημα θέρμανσης - ψύξης μπορεί να διαχειριστεί πιο αποτελεσματικά για τη διατήρηση των επιθυμητών θερμοκρασιών, οδηγώντας ενδεχομένως σε εξοικονόμηση ενέργειας.
Συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος της εργασίας, αναπτύχθηκε ένα ακριβές μοντέλο για την εκτίμηση της εσωτερικής θερμοκρασίας των θερμικών ζωνών του κτιρίου, το οποίο είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση της ενέργειας και την άνεση των ενοίκων. Το μοντέλο χρησιμοποιεί τέσσερις βασικές εισόδους: τα εσωτερικά θερμικά φορτία εντός των θερμικών ζωνών, τα οποία περιλαμβάνουν τη θερμότητα που παράγεται από τους ανθρώπους, τον φωτισμό και τις ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές, την κατανάλωση ενέργειας του συστήματος θέρμανσης - ψύξης, τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, η οποία επηρεάζει τη θερμική ισορροπία μεταξύ του κτιρίου και του περιβάλλοντός του, και την ηλιακή ακτινοβολία, η οποία επηρεάζει τη θερμοκρασία του εσωτερικού χώρου μέσω της άμεσης και έμμεσης θέρμανσης. Για να το πετύχουμε αυτό, εφαρμόζουμε προηγμένες τεχνικές μοντελοποίησης, συγκεκριμένα την αναγνώριση συστημάτων και τα νευρωνικά δίκτυα. Η αναγνώριση συστήματος περιλαμβάνει τη δημιουργία μαθηματικών μοντέλων με βάση τα παρατηρούμενα δεδομένα για την αποτύπωση της δυναμικής συμπεριφοράς των θερμικών ζωνών, ενώ τα νευρωνικά δίκτυα προσφέρουν μια προσέγγιση με βάση τα δεδομένα για την εκμάθηση πολύπλοκων, μη γραμμικών σχέσεων μεταξύ των εισόδων και της εσωτερικής θερμοκρασίας. 
Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, γίνεται χρήση τεχνικών εκτίμησης παραμέτρων. Οι τεχνικές εκτίμησης παραμέτρων είναι συμβάλουν σημαντικά στην αποδοτικότητα, την αξιοπιστία και τη βελτιστοποίηση της χρήσης ενέργειας. Η ακριβής εκτίμηση παραμέτρων αποτελεί τη βάση για αξιόπιστα ενεργειακά μοντέλα, ενισχύοντας την ακρίβεια πρόβλεψης και επιτρέποντας καλύτερο σχεδιασμό και κατανομή πόρων. 
Συγκεκριμένα, η εργασία αυτή παρουσιάζει μια εξελιγμένη προσέγγιση για τη διαχείριση της ενέργειας του κτιρίου σε πραγματικό χρόνο μέσω της ακριβούς εκτίμησης των εσωτερικών θερμικών κερδών. Αξιοποιώντας ένα θερμικό μοντέλο κτιρίου και χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο βελτιστοποίηση σμήνους σωματιδίων, ελαχιστοποιούνται οι αποκλίσεις μεταξύ των εκτιμώμενων και των πραγματικών εσωτερικών θερμοκρασιών των θερμικών ζωνών του κτιρίου, οδηγώντας σε βελτιστοποιημένη απόδοση των συστημάτων θέρμανσης - ψύξης και βελτιώνοντας τις συνθήκες άνεσης των ενοίκων. Πιο αναλυτικά, το θερμικό μοντέλο του κτιρίου εκτιμά την εσωτερική θερμοκρασία για κάθε θερμική ζώνη χρησιμοποιώντας τις δεδομένες εισόδους. Οι εκτιμώμενες εσωτερικές θερμοκρασίες συγκρίνονται με τις πραγματικές εσωτερικές θερμοκρασίες που έχουν μετρηθεί στο κτίριο. Το σφάλμα για κάθε θερμική ζώνη υπολογίζεται ως η διαφορά μεταξύ της εκτιμώμενης και της πραγματικής εσωτερικής θερμοκρασίας. Τα σφάλματα από όλες τις θερμικές ζώνες αθροίζονται για να σχηματιστεί η αντικειμενική συνάρτηση. Ο αλγόριθμος PSO ρυθμίζει επαναληπτικά τα εκτιμώμενα εσωτερικά θερμικά κέρδη για την ελαχιστοποίηση της αντικειμενικής συνάρτησης, μειώνοντας έτσι το συνολικό σφάλμα και ευθυγραμμίζοντας τις εκτιμώμενες εσωτερικές θερμοκρασίες με τις πραγματικές μετρήσεις. Η μεθοδολογία καταδεικνύει την αποτελεσματικότητα της χρήσης δεδομένων εισόδου σε πραγματικό χρόνο, όπως η θερμοκρασία περιβάλλοντος, η ηλιακή ακτινοβολία και η κατανάλωση ισχύος των συστημάτων θέρμανσης - ψύξης, για τη βελτίωση των προβλέψεων του μοντέλου και τη διασφάλιση ενεργειακά αποδοτικών λειτουργιών του κτιρίου. Η ενσωμάτωση του τυχαιοκρατικού αλγορίθμου βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων σε αυτό το πλαίσιο υπογραμμίζει τις δυνατότητές του στην επίλυση σύνθετων προκλήσεων βελτιστοποίησης στο πλαίσιο της ενεργειακής διαχείρισης κτιρίων.