Συγκριτική αξιολόγηση τεχνικών βελτιστοποίησης για τον προγραμματισμό λειτουργίας συστημάτων HVAC υπό κριτήρια θερμικής άνεσης

Abstract

Η ενεργειακή διαχείριση στα κτίρια αποτελεί ένα σύνθετο και πολυπαραγοντικό ζήτημα, όπου απαιτείται η συνεχής εξισορρόπηση ανάμεσα στη διασφάλιση της θερμικής άνεσης των ενοίκων και τη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης των συστημάτων Θέρμανσης, Εξαερισμού και Κλιματισμού (HVAC). Στον τομέα της ενεργειακής διαχείρισης σε έξυπνα κτίρια, οι τεχνικές βελτιστοποίησης προσφέρουν ένα ισχυρό πλαίσιο για τη διαμόρφωση αποδοτικότερων και βιωσιμότερων στρατηγικών. Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ανάπτυξη, εφαρμογή και συγκριτική αξιολόγηση μοντέλων προγνωστικής μοντελοποίησης και αλγορίθμων βελτιστοποίησης για τη βέλτιστη διαχείριση συστημάτων HVAC σε πραγματικό περιβάλλον γραφείων.

Αρχικά, συλλέχθηκαν και επεξεργάστηκαν ωριαίες χρονοσειρές δεδομένων θερμοκρασίας και κατανάλωσης ενέργειας. Μέσα από τα δεδομένα αυτά αναπτύχθηκαν προβλεπτικά μοντέλα εσωτερικής θερμοκρασίας, ικανά για σταθερές, μακροπρόθεσμες, αναδρομικές προβλέψεις.

Έπειτα, διαμορφώθηκε το πρόβλημα βελτιστοποίησης με στόχο την ελαχιστοποίηση της ενεργειακής κατανάλωσης αλλά και την τήρηση των ορίων θερμικής άνεσης κατά τις ώρες εργασίας. Για την επίλυσή του εφαρμόστηκαν και συγκρίθηκαν πέντε διαφορετικές τεχνικές: ένας άπληστος (Greedy) αλγόριθμος, Μικτός Ακέραιος Γραμμικός Προγραμματισμός (MILP), Μεικτός Ακέραιος Τετραγωνικός Προγραμματισμός (MIQP), ένας Γενετικός Αλγόριθμος (Genetic Algorithm) και η Προσομοιωμένη Ανόπτηση (Simulated Annealing).

Τέλος, πραγματοποιήθηκε εκτενής αξιολόγηση των μεθόδων εξετάζοντας δύο διαφορετικούς χώρους σε χρονικό ορίζοντα μιας ημέρας και σε διαφορετικές εποχιακές συνθήκες (θέρμανση και ψύξη). Η ανάλυση των αποτελεσμάτων επιτρέπει τη συγκριτική αποτίμηση της συμπεριφοράς του κάθε αλγορίθμου, αναδεικνύοντας τις καταλληλότερες προσεγγίσεις για την έξυπνη ενεργειακή διαχείριση κτιριακών εγκαταστάσεων.