title: Διαχείριση ενέργειας κτηρίου με φωτοβολταϊκό σύστημα βασισμένη σε πολυκριτηριακή
βελτιστοποίηση
title: Energy management of building with photovoltaic system based on multi-objective optimization
Creators: name: Κωτσελης Φωτιος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία υλοποιείται ένα σύστημα διαχείρισης ενέργειας κτηρίου, που τροφοδοτείται τόσο από το ηλεκτρικό δίκτυο, όσο και από φωτοβολταϊκό σύστημα και τη συστοιχία μπαταριών που διαθέτει. Το παρόν σύστημα αναλαμβάνει να χρονοπρογραμματίζει και να ενεργοποιεί αυτόματα τις συσκευές ενός κτηρίου σε ένα πλήρες εικοσιτετράωρο, φροντίζοντας να αξιοποιεί την ηλιακή ενέργεια με το βέλτιστο δυνατό τρόπο, να ελαχιστοποιεί το κόστος αγοράς από το ηλεκτρικό δίκτυο, να μεριμνά για τη σταθερότητά του και να διατηρεί την θερμική και προσωπική άνεση των χρηστών.
Για την πραγματοποίηση αυτής της προσομοίωσης, λαμβάνεται υπόψη το κτήριο το οποίο θα εισαχθεί στο σύστημα, με τα δομικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά του. Επίσης, καταγράφεται η δραστηριότητα και η ενδυματολογική μόνωση των χρηστών που το κατοικούν, καθώς και η τοποθεσία και η ημέρα του έτους με τα αντίστοιχα μετεωρολογικά δεδομένα της, που επηρεάζουν τη θερμοκρασία του και την παραγωγή ενέργειας της φωτοβολταϊκής συστοιχίας.
Παράλληλα, λαμβάνονται υπόψη η κατανάλωση ενέργειας και η διάρκεια των συσκευών του κτηρίου, η απόδοση και το μέγεθος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και των μπαταριών, όπως επίσης και η μεταβαλλόμενη τιμή αγοραπωλησίας ενέργειας από το ηλεκτρικό δίκτυο.
Με τα παραπάνω δεδομένα, που μπορούν να μεταβάλλονται σε κάθε προσομοίωση, το σύστημα διαχείρισης ενέργειας δοκιμάζει και εν τέλει επιλέγει τις κατάλληλες ώρες της ημέρας για τη λειτουργία της κάθε συσκευής, συνυπολογίζοντας και το εκάστοτε επιθυμητό χρονικό περιθώριο που θέτει ο χρήστης, καθώς και τη βαρύτητα που επιλέγει να δώσει σε κάθε κριτήριο της βελτιστοποίησης. Κατ’ αυτό τον τρόπο επιφέρει ισορροπία στις ανέσεις του χρήστη και στο
κόστος κατανάλωσης ενέργειας, εκμεταλλευόμενο στο έπακρο τους διαθέσιμους πόρους του.
Τα αποτελέσματα βελτιστοποίησης έδειξαν ότι η αξιοποίηση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος σε ένα κτήριο με δυνατότητα αποθήκευσης της περίσσειας ενέργειας δύναται να επιφέρει μείωση του κόστους κατανάλωσης ενέργειας από 20.41 % έως 277 %, με την ανώτατη τιμή να καταγράφεται σε περιόδους που η διαθέσιμη ηλιακή ενέργεια είναι αυξημένη. Παράλληλα, το κόστος, όπως και τα υπόλοιπα κριτήρια της βελτιστοποίησης που αφορούν τη θερμική άνεση του χρήστη αλλά και τη σταθερότητα του ηλεκτρικού δικτύου, παρουσιάζουν βελτίωση με την
ταυτόχρονη χρήση του συστήματος διαχείρισης ενέργειας. Ανάλογα με τη βαρύτητα που δίνεται στα κριτήρια της βελτιστοποίησης αλλά και την εποχή του χρόνου, η χρήση του συστήματος διαχείρισης ενέργειας δύναται να επιφέρει επιπλέον μείωση από 24.71 % έως 93.6 % στο ημερήσιο κόστος της ενέργειας. Αντίστοιχα, σε σενάρια κατά τα οποία δίνεται η μέγιστη βαρύτητα στο εκάστοτε κριτήριο, η θερμική άνεση του χρήστη δύναται να βελτιωθεί από 41.55 % έως και 100 % και η σταθερότητα του ηλεκτρικού δικτύου από 40.77 % έως και 98.2 %.
description: In this thesis, a Building Energy Management System (BEMS) is implemented, powered by both the electricity grid and the photovoltaic systems with battery arrays it comprises. This system undertakes to schedule and automatically activate the devices of a building in a full 24-hour cycle, ensuring that solar energy is utilized in the best possible way, minimizing the cost of purchasing energy from the electricity grid, ensuring its stability, and maintaining the thermal and personal comfort of the users.
To carry out this simulation, the building which will be introduced into the system is taken into account, with its structural and energy characteristics. Likewise, the activity and clothing insulation of the users who inhabit it are recorded, as well as the location and day of the year with their corresponding meteorological data, which affect its temperature and the energy production of the photovoltaic panels.
At the same time, the consumption and duration of the building's devices, the efficiency and size of the photovoltaic panels and batteries, as well as the variable purchase price from the electricity grid are taken into account.
With the above data, which can be changed in each simulation, the system tests and ultimately selects the appropriate hours of the day for the operation of each device - for any of those it is allowed to decide on - calculating the desired time range of the user at any given time, as well as the weight it chooses to give to each unit of optimization. In this way, it achieves a balance between user comfort and energy consumption costs, making the most of its available resources.
The optimization results indicated that the utilization of a photovoltaic system in a building with the capability to store surplus energy can lead to a reduction in energy consumption costs ranging from 20.41% to 277%, with the maximum reduction occurring during periods of increased solar energy availability. At the same time, the cost, along with other optimization criteria concerning the user's thermal comfort and the stability of the electrical grid, show improvement with the simultaneous use of the energy management system. Depending on the
weight given to the optimization criteria and the time of year, the use of the energy management system can bring about an additional reduction in daily energy costs ranging from 24.71% to 93.6%. Similarly, in scenarios where maximum weight is given to each criterion, the user's thermal comfort can be improved by 41.55% to 100%, and the stability of the electrical grid by 40.77% to 98.2%.