scholarly journals A digital twin framework for improving energy efficiency and occupant comfort in public and commercial buildings

2021 ◽  
Vol 4 (S2) ◽  
Author(s):  
Anders Clausen ◽  
Krzysztof Arendt ◽  
Aslak Johansen ◽  
Fisayo Caleb Sangogboye ◽  
Mikkel Baun Kjærgaard ◽  
...  

AbstractModel Predictive Control (MPC) can be used in the context of building automation to improve energy efficiency and occupant comfort.Ideally, the MPC algorithm should consider current- and planned usage of the controlled environment along with initial state and weather forecast to plan for optimal comfort and energy efficiency.This implies the need for an MPC application which 1) considers multiple objectives, 2) can draw on multiple data sources, and 3) provides an approach to effectively integrate against heterogeneous building automation systems to make the approach reusable across different installations.To this end, this paper presents a design and implementation of a framework for digital twins for buildings in which the controlled environments are represented as digital entities. In this framework, digital twins constitute parametrized models which are integrated into a generic control algorithm that uses data on weather forecasts, current- and planned occupancy as well as the current state of the controlled environment to perform MPC. This data is accessed through a generic data layer to enable uniform data access. This enables the framework to switch seamlessly between simulation and real-life applications and reduces the barrier towards reusing the application in a different control environment.We demonstrate an application of the digital twin framework on a case study at the University of Southern Denmark where a digital twin has been used to control heating and ventilation.From the case study, we observe that we can switch from rule-based control to model predictive control with no immediate adverse effects towards comfort or energy consumption. We also identify the potential for an increase in energy efficiency, as well as introduce the possibility of planning energy consumption against local electricity production or market conditions, while maintaining occupant comfort.

2017 ◽  
Author(s):  
Γεώργιος Κόντες

Τα τελευταία χρόνια, η βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης κτηρίων έχει λάβει σημαντική προσοχή. Αυτό το ενδιαφέρον είναι δικαιολογημένο, μιας και τα κτήρια είναι υπεύθυνα για ένα μεγάλο ποσοστό της τελικής κατανάλωσης ενέργειας. Συγκεκριμένα, στην Ευρώπη το 40% της ολικής κατανάλωσης ενέργειας χρησιμοποιείται για τη λειτουργία των κτηρίων, ενώ ένα μεγάλο ποσοστό από αυτή την ενέργεια χρησιμοποιείται για την επίτευξη θερμικής άνεσης στους εσωτερικούς χώρους. Επομένως η βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης κτηρίων κατά τη διάρκεια της χρήσης τους έχει πολλαπλά οφέλη και προς την κατεύθυνση της μείωσης της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας και προς την κατεύθυνση της βελτίωσης της θερμικής άνεσης των χρηστών.Στην ενεργειακή διαχείριση των κτηρίων, κεντρικό ρόλο παίζουν τα Συστήματα Διαχείρισης Κτηρίων (Building Management System (BMS)) ή Συστήματα Αυτοματισμού και Ελέγχου Κτηρίων (Building Automation and Control Systems (BACS)). Τα συτήματα αυτά προσφέρουν λειτουργίες παρακολούθησης της απόδοσης του κτηρίου, καθώς και λειτουργίες ελέγχου όλων των συστημάτων Θέρμανσης, Ψύξης και Κλιματισμού (Heating Ventilation and Air Conditioning (HVAC)). Πολυ συχνά η εγκατάσταση και η παράδοση των BMS στοχεύει στην σωστή εγκατάσταση του εξοπλισμού και στην επίτευξη κάποιας βασικής λειτουργικότητας στον μικρότερο δυνατό χρόνο και όχι στην βελτιστοποίηση της ολικής λειτουργίας του συστήματος. Για το τελευταίο, έχουν αναπτυχθεί επεκτάσιμα και ευέλικτα συστήματα BMS. Εδώ το BMS χωρίζεται σε δύο διακριτά μέρη: στην τοπική εγκατάσταση και στην απομακρυσμένη εγκατάσταση. Η τοπική εγκατάσταση περιλαμβάνει την διαχείριση των τοπικών βρόχων ελέγχου (για παράδειγμα PID ελεγκτές), καθώς και τη συλλογή δεδομένων και την αποστολή τους στο απομακρυσμένο σύστημα. Το απομακρυσμένο σύστημα με τη σειρά του είναι υπεύθυνο για την εκτέλεση πιο πολύπλοκων υπηρεσιών, συνήθως σε ένα περιβάλλον υπολογιστικού νέφους (cloud-based). Η διαθεσιμότητα μιας τέτοιας υπολογιστικής πλατφόρμας επιτρέπει την υλοποίηση και χρήση εξελιγμένων και πολύπλοκων υπηρεσιών ενεργειακής διαχείρισης κτηρίων, που δεν θα μπορούσαν να αναπτυχθούν στον εξοπλισμό που είναι διαθέσιμος στην τοπική εγκατάσταση, λόγω της υπολογιστικής τους πολυπλοκότητας.Αυτό το περιβάλλον ευνοεί και την ανάπτυξη εξελιγμένων αλγορίθμων/μεθοδολογιών ενεργειακής διαχείρισης κτηρίων. Μια από τις πιο διαδεδομένες μεθοδολογίες τέτοιου τύπου είναι ο Προβλεπτικός Έλεγχος με χρήση Μοντέλων (Model Predictive Control (MPC)). Εδώ ένα μοντέλο του κτηρίου, καθώς και προβλέψεις για τις μελλοντικές και καιρικές συνθήκες και την πληρότητα του κτηρίου, είναι διαθέσιμα. Χρησιμοποιώντας αυτές τις διαθέσιμες πληροφορίες, μπορεί να οριστεί ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης ώστε να σχεδιάσουμε βελτιστοποιημένες αποφάσεις ελέγχου για όλα τα συστήματα του κτηρίου και για ορισμένο χρονικό διάστημα στο μέλλον (π.χ. για τις επόμενες 24 ώρες). Οι διαφορετικές αυτές στρατηγικές ελέγχου αξιολογούνται με βάση το μοντέλο ως προς μια ορισμένη συνάρτηση κόστους (π.χ. η συνολική κατανάλωση ενέργειας του κτηρίου) και ένα σύνολο περιορισμών στην (θερμική, οπτική, ακουστική, κ.λ.π.) άνεση των χρηστών του κτηρίου. Στη συνέχεια, μόνο η πρώτη απόφαση ελέγχου εφαρμόζεται στα συστήματα του κτηρίου και η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται.Η κλασική εκδοχή αυτής της μεθοδολογίας στο πεδίο της ενεργειακής διαχείρισης κτηρίων έχει συγκεκριμένα μειονεκτήματα, κυρίως ως προς την ικανότητα να συμπεριλάβει με γενικό τρόπο πιο πολύπλοκους δείκτες θερμικής άνεσης, όπως είναι ο δείκτης Fanger, καθώς και η απαίτηση για γραμμικά ή διγραμμικά μοντέλα κτηρίων, ώστε το τελικό πρόβλημα βελτιστοποίησης να είναι κυρτό (convex).Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία έχει σαν στόχο να αντιμετωπίσει αυτά τα μειονεκτήματα, διατηρώντας παράλληλα και τα πλεονεκτήματα του MPC. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία έχει τη δυνατότητα να σχεδιάζει βελτιστοποιημένες αποφάσεις ελέγχου για όλα τα συστήματα του κτηρίου ταυτόχρονα. Αρχικά, σχεδιάζεται ένα σετ από παραμετρικούς ελεγκτές για όλα τα συστήματα του κτηρίου, ακολουθώντας τα σχετικά πρότυπα στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια – και με δεδομένες τις προβλέψεις για τις καιρικές συνθήκες και την πληρότητα του κτηρίου – ένας στοχαστικός αλγόριθμος βασισμένος σε μετα-μοντέλα χρησιμοποιείται για να σχεδιαστούν υποψήφιες στρατηγικές ελέγχου για το κτήριο. Οι στρατηγικές αυτές αξιολογούνται χρησιμοποιώντας ένα λεπτομερές μοντέλο προσομοίωσης του κτηρίου (που έχει δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας λογισμικά θερμικής προσομοίωσης κτηρίων όπως για παράδειγμα το EnergyPlus και το TRNSYS). Τέλος, η τελική (βελτιστοποιημένη) στρατηγική ελέγχου αποστέλλεται στο κτήριο ώστε να εφαρμοστεί στα συστήματα του κτηρίου.Για την επαλήθευση της αποτελεσματικότητας της προτεινόμενης μεθοδολογίας, μια σειρά πειραμάτων σχεδιάστηκε και εκτελέστηκε τόσο σε επίπεδο προσομοίωσης όσο και σε πραγματικές συνθήκες, χρησιμοποιώντας δύο κτήρια, ένα στην Κρήτη και ένα στη Γερμανία. Τα πειράματα σε περιβάλλον προσομοίωσης χρησιμεύουν ώστε να διαπιστωθεί η αποτελεσματικότητα της μεθόδου σε ελεγχόμενο περιβάλλον, χωρίς τυχαίες μεταβολές, ενώ τα πειράματα σε πραγματικές συνθήκες καταδεικνύουν την αποτελεσματικότητα και τη σταθερότητα της προτεινόμενης μεθόδου σε πραγματικές συνθήκες, όπου επιδρούν στοχαστικές διαταραχές στο σύστημα τόσο από τις καιρικές συνθήκες όσο και από τις ενέργειες των χρηστών.Σε όλα τα πειράματα η προτεινόμενη μεθοδολογία κατάφερε να αποδώσει σημαντικά καλύτερα συγκριτικά με την υπάρχουσα στρατηγική ελέγχου των κτηρίων, η οποία χρησιμοποιείται σαν σημείο αναφοράς. Αυτό συμβαίνει γιατί οι στατικές και βασισμένες σε ένα σύνολο προκαθορισμένων κανόνων υπάρχουσες στρατηγικές ελέγχου δεν είναι σε θέση να αντιμετωπίσουν όλες τις προβλεπόμενες και μη διαταραχές που επιδρούν στο σύστημα. Σε αντίθεση, η προτεινόμενη μεθοδολογία με τη χρήση του αναλυτικού μοντέλου θερμικής προσομοίωσης, καθώς και της μεθόδου βελτιστοποίησης είναι σε θέση να σχεδιάζει πιο αποδοτικές στρατηγικές ελέγχου, προσαρμοσμένες στις αναμενόμενες μελλοντικές συνθήκες.Μια σημαντική παράμετρος που διερευνήθηκε μέσω των πειραμάτων είναι το θέμα του ελέγχου βασισμένου στην θερμική άνεση των χρηστών, μιας και είναι ξεκάθαρο από τα αποτελέσματα πως μια στείρα συζήτηση για εξοικονόμηση ενέργειας είναι άστοχη χωρίς σαφή αναφορά στην θερμική άνεση των χρηστών, καθώς υπάρχει ένα σαφές αντιστάθμισμα μεταξύ των δύο (είναι ανταγωνιστικά κριτήρια). Η ανάπτυξη μεθόδων που επιτρέπουν την αυτόματη ρύθμιση της θερμικής άνεσης στους εσωτερικούς χώρους κτηρίων είναι ένα από τα κύρια στοιχεία των εξελιγμένων BMS. Από την άλλη πλευρά, πολύ συχνά η θερμική άνεση ορίζεται σαν μια προκαθορισμένη περιοχή τιμών της θερμοκρασίας του αέρα σε κάθε ζώνη του κτηρίου. Όπως καταδεικνύουν τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας, αν και αυτή η υπόθεση είναι αληθής σε συγκεκριμένα κτήρια και HVAC συστήματα, στη γενική περίπτωση δεν αρκεί για να εξασφαλίσει πραγματική θερμική άνεση για τους χρήστες του κτηρίου, με επιζήμιες επιπτώσεις στην υγεία και την αποδοτικότητα των χρηστών. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιούμε τον δείκτη Fanger, ο οποίος είναι ένας ορισμός θερμικής άνεσης που περιέχεται στο πρότυπο (ISO) 7730. Ο δείκτης αυτός συνυπολογίζει – ανάμεσα και σε άλλες παραμέτρους – τις επιπτώσεις της θερμοκρασίας αέρα και της θερμοκρασίας λόγω ακτινοβολίας, καθώς και της υγρασίας στους χώρους του κτηρίου.


2021 ◽  
Vol 11 (1) ◽  
Author(s):  
Muhammad Arif Budiyanto ◽  
Muhammad Hanzalah Huzaifi ◽  
Simon Juanda Sirait ◽  
Putu Hangga Nan Prayoga

AbstractSustainable development of container terminals is based on energy efficiency and reduction in CO2 emissions. This study estimated the energy consumption and CO2 emissions in container terminals according to their layouts. Energy consumption was calculated based on utility data as well as fuel and electricity consumptions for each container-handling equipment in the container terminal. CO2 emissions were estimated using movement modality based on the number of movements of and distance travelled by each container-handling equipment. A case study involving two types of container terminal layouts i.e. parallel and perpendicular layouts, was conducted. The contributions of each container-handling equipment to the energy consumption and CO2 emissions were estimated and evaluated using statistical analysis. The results of the case study indicated that on the CO2 emissions in parallel and perpendicular layouts were relatively similar (within the range of 16–19 kg/TEUs). These results indicate that both parallel and perpendicular layouts are suitable for future ports based on sustainable development. The results can also be used for future planning of operating patterns and layout selection in container terminals.


2020 ◽  
Vol 53 (2) ◽  
pp. 15771-15776
Author(s):  
Murali Padmanabha ◽  
Lukas Beckenbach ◽  
Stefan Streif

2011 ◽  
Vol 44 (1) ◽  
pp. 9266-9271
Author(s):  
Nan Yang ◽  
Dewei Li ◽  
Jun Zhang ◽  
Yugeng Xi

2010 ◽  
Vol 64 (3) ◽  
Author(s):  
Michal Kvasnica ◽  
Martin Herceg ◽  
Ľuboš Čirka ◽  
Miroslav Fikar

AbstractThis paper presents a case study of model predictive control (MPC) applied to a continuous stirred tank reactor (CSTR). It is proposed to approximate nonlinear behavior of a plant by several local linear models, enabling a piecewise affine (PWA) description of the model used to predict and optimize future evolution of the reactor behavior. Main advantage of the PWA model over traditional approaches based on single linearization is a significant increase of model accuracy which leads to a better control quality. It is also illustrated that, by adopting the PWA modeling framework, MPC strategy can be implemented using significantly less computational power compared to nonlinear MPC setups.


Author(s):  
Klaudia Horváth ◽  
Eric Duviella ◽  
Lala Rajaoarisoa ◽  
Rudy R. Negenborn ◽  
Karine Chuquet

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document