Ανάπτυξη «έξυπνου» συστήματος διαχείρισης θερμικής άνεσης

Abstract

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη ενός έξυπνου θερμοστάτη, ο οποίος να μπορεί να λαμβάνει αποφάσεις σχετικά με τη χρήση συστημάτων θέρμανσης ή ψύξης, χωρίς την ουσιαστική παρέμβαση του χρήστη. Ο θερμοστάτης θα μπορεί να προγραμματίζει εκ των προτέρων τη συμπεριφορά του σε βάθος χρόνου, ως προς τις ώρες λειτουργίας και απενεργοποίησης του, λαμβάνοντας υπόψη το πρόγραμμα του χρήστη όσον αφορά την παρουσία του στο χώρο. Έτσι, θα επιτυγχάνεται η επιθυμητή θερμική άνεση σε συγκεκριμένες ώρες τις ημέρας, ανάλογα με τις προτιμήσεις του χρήστη, ενώ παράλληλα θα επιδιώκεται και η εξοικονόμηση ενέργειας. Για να αναδειχθεί η χρησιμότητα της ανάπτυξης ενός έξυπνου θερμοστάτη, αρχικά στην εργασία γίνεται αναλυτική αναφορά σε διάφορες τεχνολογίες θερμοστατών, καθώς και επεξηγείται η έννοια και η σημασία της θερμικής άνεσης. Παράλληλα παρουσιάζονται μοντέλα προσομοίωσης της συμπεριφοράς κτηρίων, καθώς, όπως θα αναδειχθεί και στη συνέχεια, αποτελούν βασικό συστατικό ενός έξυπνου θερμοστάτη. Η ανάπτυξη του θερμοστάτη διέρχεται τριών βασικών σταδίων, της βαθμονόμησης αυτού, της αξιολόγησης της αποτελεσματικότητας της βαθμονόμησης, καθώς και της αξιολόγησης της λειτουργίας του σε σχέση με συμβατικό θερμοστάτη. Η βαθμονόμηση αναφέρεται στην αναγνώριση από τον θερμοστάτη των θερμικών χαρακτηριστικών του χώρου ελέγχου, πιο συγκεκριμένα, της μέσης θερμοπερατότητας και θερμοχωρητικότητας του κτηρίου, καθώς και της ισχύος των συστημάτων θέρμανσης και ψύξης, που χρησιμοποιούνται για την θέρμανση αυτού. Επίσης, βαθμονομείται και ένας επιπλέον παράγοντας, που αντιπροσωπεύει τα ηλιακά κέρδη του χώρου. Για τις ανάγκες της βαθμονόμησης, για τη λειτουργία του θερμοστάτη αλλά και για την προσομοίωση και αξιολόγηση της λειτουργίας αυτού, είναι απαραίτητη η διαθεσιμότητα σχετικού μοντέλου προσομοίωσης. Τα μοντέλα υπολογισμού που κρίθηκαν κατάλληλα για την θεωρητική πρόβλεψη της συμπεριφοράς του χώρου, είναι: • Μοντέλο EN ISO13790 - απλή ωριαία μέθοδος • Μοντέλο βαθμοωρών Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ανάλυσης, αναφέρεται ότι το μοντέλο των βαθμοωρών κρίνεται καταλληλότερο για τη βαθμονόμηση του θερμοστάτη, καθώς η μέθοδος που προτείνει το ΕΝ ISO13790 απαιτεί μεγάλη επεξεργαστική ισχύ και χρόνο από αυτή που ενδεχομένως διατίθεται για την ικανοποιητική λειτουργία του θερμοστάτη. Η ανάλυση της βαθμονόμησης του θερμοστάτη εξετάζει την επίδραση του χρόνου πραγματικής λειτουργίας του θερμοστάτη για την εξαγωγή των κατάλληλων συντελεστών, καθώς και την απαίτηση επανάληψης αυτής για διαφορετικές εποχές του χρόνου. Με δεδομένο ότι η θέση σε λειτουργία του θερμοστάτη δεν γίνεται σε πραγματικό κτίριο, η αξιολόγηση της διαδικασίας βαθμονόμησης χρησιμοποιεί, αντί για πραγματικές, εκτιμώμενες τιμές θερμοκρασιών βάσει του μοντέλου προσομοίωσης EN ISO13790, το οποίο και θεωρείται αρκετά αξιόπιστο. Η αξιολόγηση βασίζεται στον υπολογισμό της απόκλισης των σχετικών θερμοκρασιών για όλο το έτος. Στη συνέχεια, ο «έξυπνος» θερμοστάτης συγκρίνεται με τον συμβατικό αναλογικό θερμοστάτη, ως προς την κάλυψη θερμικής άνεσης και την εξοικονόμηση ενέργειας. Με την επίγνωση της μεταβολής της θερμοκρασίας του κλιματιζόμενου χώρου, καθώς ο θερμοστάτης είναι εφοδιασμένος με λογισμικό προσομοίωσης της συμπεριφοράς του χώρου, δύναται να προβλέψει ανάγκες για προθέρμανση και να εξοικονομήσει ενέργεια, χωρίς να θυσιάζει την θερμική άνεση. Τέλος, παρατίθενται τα συμπεράσματα της εργασίας και προτείνονται θέματα μελλοντικής έρευνας. Επισημαίνεται, πως η ανάπτυξη του θερμοστάτη μπορεί να επεκταθεί περαιτέρω προς την κατεύθυνση της διαχείρισης της υγρασίας του χώρου, στην περίπτωση διαθεσιμότητας συστημάτων ύγρανσης – αφύγρανσης, καθώς και ελέγχου περιεκτικότητας αέρα σε CO2

The purpose of this paper is to study a smart thermostat, which can make decisions about the use of heating or cooling systems without the user's intervention. The thermostat will be able to program its behaviour over time in terms of operating hours, taking the user's occupancy schedule into account. Thus, the desired thermal comfort at certain times of the day will be achieved according to user preferences, while opportunities to save energy will be sought at the same time. At first, in order to highlight the usefulness of developing a smart thermostat, a detailed reference to various technologies of thermostats, as well as an explanation of the meaning and significance of thermal comfort, is made. At the same time, models of building behaviour simulation are presented, as they are a basic component of a smart thermostat. The thermostat develops three basic stages, calibration, evaluation of the calibration efficiency, and comparison between its and a conventional thermostat’s operation. Calibration refers to the thermostat's ability to recognize the thermal characteristics of the control room,and more specifically, the mean heat transfer coefficient and thermal capacity of the building, as well as the power of the heating and cooling systems used to heat it. An additional factor, which represents the solar gains of the control room, is calibrated, as well. For the needs of the calibration, for the operation of the thermostat and for the simulation and evaluation of this function, the availability of a relevant simulation model is necessary. The calculation models considered appropriate for the theoretical prediction of the behaviour of the control room are: • EN ISO13790 - simple hourly method • Degree-hours method According to the results of the analysis, it is stated that the degree-hours method is considered more suitable being the thermostat calibration model, as the method proposed by EN ISO13790 requires a high processing power and more time than that may be available for the satisfactory operation of the thermostat. The thermostat calibration analysis examines the effect of the actual operating time of the thermostat to extract the appropriate coefficients, as well as the repetition requirement for different seasons. Given that the thermostat is not operating in a real building, the assessment of the calibration procedure uses estimated temperature values based on the EN ISO13790 simulation model, which is considered quite reliable, instead of actual ones. The evaluation is based on the calculation of the relative temperature variation for the whole year. In addition, the smart thermostat is compared to the conventional analog thermostat, in terms of thermal comfort satisfaction and energy savings. Being aware of the change in temperature of the air-conditioned space, as the thermostat is equipped with room behavior simulation software, allows it to predict heating or cooling needs and save energy without sacrificing thermal comfort. Finally, the conclusions of the thesis are presented and recommendations of future research are proposed. It is noted that thermostat development can be further extended in the direction of room humidity management, in the case of humidification - dehumidification systems, as well as control of air content in CO2