Ημερολόγιο Εκδηλώσεων

ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Όνοματεπώνυμο Φοιτητή:  Νικήτα Βασιλική

Α.Μ.:  2020050086

Ημερομηνία Παρουσίασης:  Τρίτη 29/09/2026

Ώρα: 15:00-16:00

Αίθουσα:  https://tuc-gr.zoom.us/j/99901219249?pwd=N3R6bNNwFeUfkjjffh1ChjfBtyM8ON.1

Θέμα ΔE « Προγνωστικός έλεγχος με συνεκτίμηση των φύλων για θερμική άνεση και ενεργειακή απόδοση σε κοινόχρηστους χώρους: Μια προσέγγιση μεικτού ακέραιου προγραμματισμού βασισμένη σε υποκατάστατα μοντέλα »

Title « Gender-Aware Predictive Control for Thermal Comfort and Energy Efficiency in Shared Spaces: A Surrogate-Based Mixed-Integer Approach »

Επιβλέπων: Νικόλαος Διαγγελάκης

Τριμελής Εξεταστική Επιτροπή:

1 Νικόλαος Διαγγελάκης

2 Διονυσία Κολοκοτσά

3 Φίλιππος Λυγεράκης

Περίληψη:  Η παρούσα διατριβή αναπτύσσει έναν ελεγκτή προγνωστικού μοντέλου (model predictive controller) για έναν χώρο που μοιράζονται ένας άνδρας και μία γυναίκα, όπου το επίπεδο άνεσης του καθενός αντιμετωπίζεται ξεχωριστά. Η θερμική απόκριση του χώρου και ο δείκτης άνεσης προσεγγίζονται μέσω υποκατάστατων μοντέλων νευρωνικών δικτύων, τα οποία εκπαιδεύτηκαν με δεδομένα από προσομοιώσεις στο EnergyPlus, και ενσωματώνονται ακριβώς στον έλεγχο ως περιορισμοί μικτών ακεραίων (mixed-integer constraints). Η αίσθηση της γυναίκας εκφράζεται σε μια διορθωμένη κλίμακα που τοποθετεί το ουδέτερο σημείο της σε τιμή PMV +0,24, ενώ για κάθε άτομο ορίζεται ένα εξατομικευμένο εύρος θερμικής αντίστασης ένδυσης. Επιλύεται ανά 30 λεπτά, σε ορίζοντα δύο ωρών, ένα πρόβλημα τετραγωνικού προγραμματισμού μικτών ακεραίων που εξισορροπεί την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος HVAC και τη δυσφορία των δύο ατόμων, ενώ ο ελεγκτής αξιολογείται σε διάταξη κλειστού βρόχου με το EnergyPlus για πέντε αντιπροσωπευτικές ημέρες.

Με την άνεση και την ενέργεια να σταθμίζονται ισότιμα ​​μεταξύ των χρηστών και τον συντελεστή βαρύτητας της άνεσης να ορίζεται στο 0,65, και οι δύο χρήστες παρέμειναν εντός του εύρους ±0,5 της ουδέτερης αίσθησης για το 90% του χρόνου, με ενεργειακό κόστος 8,1 kWh κατά τη διάρκεια των πέντε ημερών. Σε σύγκριση με έναν κατά τα άλλα πανομοιότυπο ελεγκτή που εφαρμόζει το τυπικό μοντέλο άνεσης και ένα ενιαίο εύρος ένδυσης και για τους δύο, το ποσοστό του χρόνου που η γυναίκα χρήστης βρισκόταν εντός του ορίου άνεσης αυξήθηκε από 75% σε 90%, χωρίς απώλεια για τον άνδρα χρήστη, με κόστος 5% περισσότερης ενέργειας, ενώ κάθε βελτιστοποίηση ολοκληρωνόταν σε περίπου πέντε δευτερόλεπτα για διάστημα ελέγχου 30 λεπτών. Έτσι, οι δύο χρήστες απολάμβαναν ισότιμη άνεση αντί για άνεση κατά μέσο όρο, με την ίδια μέση απόλυτη τιμή αίσθησης (0,24), ενώ με το τυπικό μοντέλο η δυσφορία κατανέμονταν άνισα μεταξύ τους (0,25 για τον άνδρα και 0,38 για τη γυναίκα χρήστη). Με την ίδια κατανάλωση ενέργειας, ο ελεγκτής που λάμβανε υπόψη το φύλο πέτυχε χαμηλότερη συνολική δυσφορία σε κάθε ημέρα με απαίτηση θέρμανσης. Το όφελος ήταν μεγαλύτερο σε μέτριες τιμές βαρύτητας της άνεσης και εξαλείφθηκε σε υψηλές τιμές, όπου το άνω όριο της επιθυμητής τιμής (setpoint) καθίστατο ο περιοριστικός παράγοντας και η πρόσθετη θέρμανση μετέθετε τη δυσφορία από τον έναν χρήστη στον άλλον.

Από την επαλήθευση των υποκατάστατων μοντέλων (surrogates) προέκυψαν δύο μεθοδολογικά συμπεράσματα. Μια δοκιμασία απόκρισης σε βηματική μεταβολή αποκάλυψε ότι ο τρόπος κωδικοποίησης της κατάστασης απενεργοποίησης του θερμοστάτη καθιστούσε το μοντέλο της ζώνης σχεδόν αναίσθητο στην τιμή-στόχο (setpoint), παρά τους δείκτες υψηλής ακρίβειας· η διόρθωση αυτού του ζητήματος αύξησε την προβλεπόμενη στατική απολαβή (static gain) κατά τρεις έως πέντε φορές. Η ανασύνθεση των προβλέψεων, στις οποίες βασίζονταν οι αποφάσεις του συστήματος ελέγχου κλειστού βρόχου, έδειξε στη συνέχεια ότι το εναπομένον σφάλμα αυξάνεται ανάλογα με την προσπάθεια που καταβάλλει ο ελεγκτής, από 0,6 °C στη χαμηλότερη στάθμιση άνεσης έως 5,9 °C στην υψηλότερη, και εξηγεί την περιττή θέρμανση που παρατηρήθηκε στη συγκεκριμένη περίπτωση.

Η διατριβή καταδεικνύει ότι οι διαφορές μεταξύ των χρηστών μπορούν να αναπαρασταθούν ρητά εντός ενός προγνωστικού ελεγκτή, αντί να εξαλείφονται μέσω της χρήσης μέσων τιμών, και ότι αυτή η προσέγγιση αίρει μια μετρήσιμη ανισότητα στον τρόπο κατανομής της άνεσης σε έναν κοινόχρηστο χώρο, με ενεργειακό κόστος της τάξης του λίγου τοις εκατό. Επιπλέον, τεκμηριώνεται ότι τα υποκατάστατα μοντέλα που προορίζονται για σκοπούς ελέγχου πρέπει να επαληθεύονται ως προς την απόκρισή τους στα σήματα ελέγχου, εντός του πεδίου λειτουργίας που διαμορφώνει ο ίδιος ο ελεγκτής, και όχι μόνο ως προς την ακρίβειά τους σε ένα σύνολο δεδομένων ελέγχου (test set).

Abstract:  This thesis develops a model predictive controller for a zone shared by a male and a female occupant, in which the comfort of each is represented separately. The thermal response of the zone and the comfort index are approximated by neural-network surrogates trained on EnergyPlus simulations, and both are embedded exactly as mixed-integer constraints. The female sensation is expressed on a corrected scale that places her neutral point at a PMV of +0.24, and each occupant is given an individual clothing insulation range. A Mixed-Integer Quadratic Program that trades HVAC electricity against the discomfort of both occupants is solved every 30 minutes over a two-hour horizon, and the controller is evaluated in closed loop with EnergyPlus over five representative days.

With comfort and energy weighted equally between the occupants and a comfort weight of 0.65, both occupants remained within ±0.5 of neutral sensation for 90% of the time, at a cost of 8.1 kWh over the five days. Compared with an otherwise identical controller that applies the standard comfort model and a single clothing range to both, the share of time the female occupant spent within the comfort band rose from 75% to 90%, with no loss for the male occupant, for 5% more energy, each optimization being solved in about five seconds against a control interval of 30 minutes. The two occupants were then equally comfortable rather than comfortable on average, with the same mean absolute sensation of 0.24, whereas under the standard model the discomfort was distributed unevenly between them, 0.25 for the male and 0.38 for the female occupant. At equal energy use the gender-aware controller achieved lower combined discomfort on every day with heating demand. The benefit was largest at moderate comfort weights and disappeared at high ones, where the upper setpoint bound became the binding constraint and additional heating shifted discomfort from one occupant to the other.

Two methodological findings emerged from the validation of the surrogates. A step-response test revealed that the encoding of the switched-off thermostat state had left the zone model almost insensitive to the setpoint despite high accuracy metrics, and correcting it raised the predicted static gain three- to fivefold. Reconstructing the predictions on which the closed-loop decisions were based then showed that the remaining error grows with the effort the controller makes, from 0.6 °C at the lowest comfort weight to 5.9 °C at the highest, and accounts for the unnecessary heating observed there.

The thesis shows that the difference between occupants can be represented explicitly inside a predictive controller, rather than averaged away, and that doing so removes a measurable inequity in how comfort is distributed in a shared space, at an energy cost of a few percent. It also establishes that surrogate models intended for control must be validated on their response to the control inputs, in the operating region the controller itself creates, and not only on their accuracy over a test set.