Sensitivity analysis and evolutionary optimization for building design

In order to achieve global carbon reduction targets, buildings must be designed to be energy efficient. Building performance simulation methods, together with sensitivity analysis and evolutionary optimization methods, can be used to generate design solution and performance information that can be used in identifying energy and cost efficient design solutions. Sensitivity analysis is used to identify the design variables that have the greatest impacts on the design objectives and constraints. Multi-objective evolutionary optimization is used to find a Pareto set of design solutions that optimize the conflicting design objectives while satisfying the design constraints; building design being an inherently multi-objective process. For instance, there is commonly a desire to minimise both the building energy demand and capital cost while maintaining thermal comfort. Sensitivity analysis has previously been coupled with a model-based optimization in order to reduce the computational effort of running a robust optimization and in order to provide an insight into the solution sensitivities in the neighbourhood of each optimum solution. However, there has been little research conducted to explore the extent to which the solutions found from a building design optimization can be used for a global or local sensitivity analysis, or the extent to which the local sensitivities differ from the global sensitivities. It has also been common for the sensitivity analysis to be conducted using continuous variables, whereas building optimization problems are more typically formulated using a mixture of discretized-continuous variables (with physical meaning) and categorical variables (without physical meaning). This thesis investigates three main questions; the form of global sensitivity analysis most appropriate for use with problems having mixed discretised-continuous and categorical variables; the extent to which samples taken from an optimization run can be used in a global sensitivity analysis, the optimization process causing these solutions to be biased; and the extent to which global and local sensitivities are different. The experiments conducted in this research are based on the mid-floor of a commercial office building having 5 zones, and which is located in Birmingham, UK. The optimization and sensitivity analysis problems are formulated with 16 design variables, including orientation, heating and cooling setpoints, window-to-wall ratios, start and stop time, and construction types. The design objectives are the minimisation of both energy demand and capital cost, with solution infeasibility being a function of occupant thermal comfort. It is concluded that a robust global sensitivity analysis can be achieved using stepwise regression with the use of bidirectional elimination, rank transformation of the variables and BIC (Bayesian information criterion). It is concluded that, when the optimization is based on a genetic algorithm, that solutions taken from the start of the optimization process can be reliably used in a global sensitivity analysis, and therefore, there is no need to generate a separate set of random samples for use in the sensitivity analysis. The extent to which the convergence of the variables during the optimization can be used as a proxy for the variable sensitivities has also been investigated. It is concluded that it is not possible to identify the relative importance of variables through the optimization, even though the most important variable exhibited fast and stable convergence. Finally, it is concluded that differences exist in the variable rankings resulting from the global and local sensitivity methods, although the top-ranked solutions from each approach tend to be the same. It also concluded that the sensitivity of the objectives and constraints to all variables is obtainable through a local sensitivity analysis, but that a global sensitivity analysis is only likely to identify the most important variables. The repeatability of these conclusions has been investigated and confirmed by applying the methods to the example design problem with the building being located in four different climates (Birmingham, UK; San Francisco, US; and Chicago, US)

Das Elektrofahrzeug als flexibler Verbraucher und Energiespeicher im Smart Home

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Integration eines rückspeisefähigen Elektrofahrzeugs in das Energiemanagement-System eines Smart Home. Ziel ist es, das Elektrofahrzeug bestmöglich als flexibel steuerbaren Verbraucher und Energiespeicher zu nutzen und somit die lokale Eigenstromnutzung zu maximieren sowie Stromkosten zu senken. Der Informationsaustausch zwischen Elektrofahrzeug und Energiemanagement-System wird über den Kommunikationsstandard ISO/IEC 15118 realisiert

Optimierung thermischer Verhältnisse bei der Bahnplanung für das thermische Spritzen mit Industrierobotern

Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung und Optimierung von neuartigen Bahnen für Industrieroboter beim thermischen Spritzen auf komplexen Freiformoberflächen unter besonderer Berücksichtigung der thermischen Verhältnisse in dem Werkstück. Thermisches Spritzen ist ein Produktionsprozess, bei dem eine Werkstückoberfläche mit geschmolzenem Material beschichtet wird, so dass die Oberfläche die gewünschten Oberflächeneigenschaften aufweist. Ein Alleinstellungsmerkmal des präsentierten Systems ist der modulare Aufbau, der vor allem eine in diesem Bereich unübliche Trennung zwischen der Initialbahnplanung und der Bahnoptimierung vorsieht. Die Basis des Gesamtsystems bilden verschiedene Simulationskomponenten, wie die Beschichtungssimulation, die thermische Simulation und die Robotersimulation. Die Initialbahnplanung erzeugt flächenüberdeckende Bahnen auf einem Werkstück unter Berücksichtigung verschiedener Qualitätsmerkmale. Dazu werden die Bahnen über flexible Bahnstrukturen repräsentiert, darunter neuartige Strukturen, wie die Rand-zu-Rand Bahnen und die Punkt-zu-Punkt Bahnen. Die Qualität der Bahnen wird über verschiedene Zielfunktionen bewertet, die neben der Schichtqualität vor allem die thermischen Varianzen berücksichtigen, welche bisher nur selten in Betracht gezogen wurden, obwohl sie großen Einfluss auf die endgültige Schichtqualität haben. Weitere praxisrelevante Zielkriterien, wie die Roboterachsbeschleunigungen und der Overspray, welcher das Material beschreibt, das nicht auf der funktionalen Fläche abgelagert wird, werden ebenfalls beachtet. Das Problem der Initialbahnplanung wird als mehrkriterielles Optimierungsproblem formuliert und mit Hilfe eines Evolutionären Algorithmus optimiert. Verschiedene Varianten für die Operatoren des Evolutionären Algorithmus werden verwendet und gegeneinander evaluiert. Hieraus wird die Kombination von Operatoren bestimmt, mit der der Algorithmus mit hoher Konvergenzgeschwindigkeit strukturell gute Bahnen für den anschließenden Bahnoptimierungsprozess erzeugt. Die Bahnoptimierung wird für die Verbesserung vorhandener Bahnen bezüglich der Beschichtungsfehler und der Ausführbarkeit mit Robotern verwendet. Ein neuartiges Konzept zur kombinierten Anwendung des in der Arbeit entwickelten, analytischen Auftragsmodells mit einer externen Blackbox Simulation wird verwendet, um die Bahnen mit Hilfe des Verfahrens der nichtlinearen konjugierten Gradienten zu optimieren. Die Fehler werden hierbei über die externe Simulation und die Gradienten über das analytische Auftragsmodell bestimmt. Die Verwendung der Bahnoptimierung beschränkt sich nicht nur auf die Optimierung der Bahnen, die von der Initialbahnplanung erstellt worden sind, sondern kann ebenfalls genutzt werden, um bereits erstellte Bahnen an andere Spritzprozesse oder ähnliche Werkstückgeometrien anzupassen. Hierdurch lässt sich der erhebliche Aufwand zur Generierung neuer Bahnen stark reduzieren. Zum Abschluss der Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das die bisher unberücksichtigte Roboterdynamik in das System miteinbezieht. Dazu wird eine Dynamikkorrektur präsentiert, die die Bahnen mit Hilfe einer Roboterherstellersoftware in den dynamisch zulässigen Bereich projiziert. Diese Projektion wird in einer weiteren Optimierungsschleife alternierend mit der Bahnoptimierung genutzt, um eine dynamisch zulässige Bahn zu erzeugen, die sehr gute Ergebnisse bezüglich der Qualitätsmaße liefert