13,053 research outputs found

    Energy performance forecasting of residential buildings using fuzzy approaches

    Get PDF
    The energy consumption used for domestic purposes in Europe is, to a considerable extent, due to heating and cooling. This energy is produced mostly by burning fossil fuels, which has a high negative environmental impact. The characteristics of a building are an important factor to determine the necessities of heating and cooling loads. Therefore, the study of the relevant characteristics of the buildings, regarding the heating and cooling needed to maintain comfortable indoor air conditions, could be very useful in order to design and construct energy-efficient buildings. In previous studies, different machine-learning approaches have been used to predict heating and cooling loads from the set of variables: relative compactness, surface area, wall area, roof area, overall height, orientation, glazing area and glazing area distribution. However, none of these methods are based on fuzzy logic. In this research, we study two fuzzy logic approaches, i.e., fuzzy inductive reasoning (FIR) and adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS), to deal with the same problem. Fuzzy approaches obtain very good results, outperforming all the methods described in previous studies except one. In this work, we also study the feature selection process of FIR methodology as a pre-processing tool to select the more relevant variables before the use of any predictive modelling methodology. It is proven that FIR feature selection provides interesting insights into the main building variables causally related to heating and cooling loads. This allows better decision making and design strategies, since accurate cooling and heating load estimations and correct identification of parameters that affect building energy demands are of high importance to optimize building designs and equipment specifications.Peer ReviewedPostprint (published version

    ADAPTS: An Intelligent Sustainable Conceptual Framework for Engineering Projects

    Get PDF
    This paper presents a conceptual framework for the optimization of environmental sustainability in engineering projects, both for products and industrial facilities or processes. The main objective of this work is to propose a conceptual framework to help researchers to approach optimization under the criteria of sustainability of engineering projects, making use of current Machine Learning techniques. For the development of this conceptual framework, a bibliographic search has been carried out on the Web of Science. From the selected documents and through a hermeneutic procedure the texts have been analyzed and the conceptual framework has been carried out. A graphic representation pyramid shape is shown to clearly define the variables of the proposed conceptual framework and their relationships. The conceptual framework consists of 5 dimensions; its acronym is ADAPTS. In the base are: (1) the Application to which it is intended, (2) the available DAta, (3) the APproach under which it is operated, and (4) the machine learning Tool used. At the top of the pyramid, (5) the necessary Sensing. A study case is proposed to show its applicability. This work is part of a broader line of research, in terms of optimization under sustainability criteria.Telefónica Chair “Intelligence in Networks” of the University of Seville (Spain

    A review of daylighting design and implementation in buildings

    Get PDF

    A novel soft computing approach based on FIR to model and predict energy dynamic systems

    Get PDF
    Tesi en modalitat compendi de publicacionsWe are facing a global climate crisis that is demanding a change in the status quo of how we produce, distribute and consume energy. In the last decades, this is being redefined through Smart Grids(SG), an intelligent electrical network more observable, controllable, automated, fully integrated with energy services and the end-users. Most of the features and proposed SG scenarios are based on reliable, robust and fast energy predictions. For instance, for proper planning activities, such as generation, purchasing, maintenance and investment; for demand side management, like demand response programs; for energy trading, especially at local level, where productions and consumptions are more stochastics and dynamic; better forecasts also increase grid stability and thus supply security. A large variety of Artificial Intelligence(AI) techniques have been applied in the field of Short-term electricity Load Forecasting(SLF) at consumer level in low-voltage system, showing a better performance than classical techniques. Inaccuracy or failure in the SLF process may be translated not just in a non-optimal (low prediction accuracy) solution but also in frustration of end-users, especially in new services and functionalities that empower citizens. In this regard, some limitations have been observed in energy forecasting models based on AI such as robustness, reliability, accuracy and computation in the edge. This research proposes and develops a new version of Fuzzy Inductive Reasoning(FIR), called Flexible FIR, to model and predict the electricity consumption of an entity in the low-voltage grid with high uncertainties, and information missing, as well as the capacity to be deployed either in the cloud or locally in a new version of Smart Meters(SMs) based on Edge Computing(EC). FIR has been proved to be a powerful approach for model identification and system ’s prediction over dynamic and complex processes in different real world domains but not yet in the energy domain. Thus, the main goal of this thesis is to demonstrate that a new version of FIR, more robust, reliable and accurate can be a referent Soft Computing(SC) methodology to model and predict dynamic systems in the energy domain and that it is scalable to an EC integration. The core developments of Flexible FIR have been an algorithm that can cope with missing information in the input values, as well as learn from instances with Missing Values(MVs) in the knowledge-based, without compromising significantly the accuracy of the predictions. Moreover, Flexible FIR comes with new forecasting strategies that can cope better with loss of causality of a variable and dispersion of output classes than classical k nearest neighbours, making the FIR forecasting process more reliable and robust. Furthermore, Flexible FIR addresses another major challenge modelling with SC techniques, which is to select best model parameters. One of the most important parameters in FIR is the number k of nearest neighbours to be used in the forecast process. The challenge to select the optimal k, dynamically, is addressed through an algorithm, called KOS(K nearest neighbour Optimal Selection), which has been developed and tested also with real world data. It computes a membership aggregation function of all the neighbours with respect their belonging to the output classes.While with KOS the optimal parameter k is found online, with other approaches such as genetic algorithms or reinforcement learning is not, which increases the computational time.Ens trobem davant una crisis climàtica global que exigeix un canvi al status quo de la manera que produïm, distribuïm i consumim energia. En les darreres dècades, està sent redefinit gràcies a les xarxa elèctriques intel·ligents(SG: Smart Grid) amb millor observabilitat, control, automatització, integrades amb nous serveis energètics i usuaris finals. La majoria de les funcionalitats i escenaris de les SG es basen en prediccions de la càrrega elèctrica confiables, robustes i ràpides. Per les prediccions de càrregues elèctriques a curt termini(SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivell de consumidors al baix voltatge, s’han aplicat una gran varietat de tècniques intel·ligència Artificial(IA) mostrant millor rendiment que tècniques estadístiques tradicionals. Un baix rendiment en SLF, pot traduir-se no només en una solució no-òptima (baixa precisió de predicció) sinó també en la frustració dels usuaris finals, especialment en nous serveis i funcionalitats que empoderarien als ciutadans. En el marc d’aquesta investigació es proposa i desenvolupa una nova versió de la metodologia del Raonament Inductiu Difús(FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), anomenat Flexible FIR, capaç de modelar i predir el consum d’electricitat d’una entitat amb un grau d’incertesa molt elevat, inclús amb importants carències d’informació (missing values). A més, Flexible FIR té la capacitat de desplegar-se al núvol, així como localment, en el que podria ser una nova versió de Smart Meters (SM) basada en tecnologia d’Edge Computing (EC). FIR ja ha demostrat ser una metodologia molt potent per la generació de models i prediccions en processos dinàmics en diferents àmbits, però encara no en el de l’energia. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta tesis és demostrar que una versió millorada de FIR, més robusta, fiable i precisa pot consolidar-se com una metodologia Soft Computing SC) de referencia per modelar i predir sistemes dinàmics en aplicacions per al sector de l’energia i que és escalable a una integració d’EC. Les principals millores de Flexible FIR han estat, en primer lloc, el desenvolupament i test d’un algorisme capaç de processar els valors d’entrada d’un model FIR tot i que continguin Missing Values (MV). Addicionalment, aquest algorisme també permet aprendre d’instàncies amb MV en la matriu de coneixement d’un model FIR, sense comprometre de manera significativa la precisió de les prediccions. En segon lloc, s’han desenvolupat i testat noves estratègies per a la fase de predicció, comportant-se millor que els clàssics k veïns més propers quan ens trobem amb pèrdua de causalitat d’una variable i dispersió en les classes de sortida, aconseguint un procés d’aprenentatge i predicció més confiable i robust. En tercer lloc, Flexible FIR aborda un repte molt comú en tècniques de SC: l’òptima parametrització del model. En FIR, un dels paràmetres més determinants és el número k de veïns més propers que s’utilitzaran durant la fase de predicció. La selecció del millor valor de k es planteja de manera dinàmica a través de l’algorisme KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que s’ha desenvolupat i testat també amb dades reals. Mentre que amb KOS el paràmetre òptim de k es calcula online, altres enfocaments mitjançant algoritmes genètics o aprenentatge per reforç el càlcul és offline, incrementant significativament el temps de resposta, sent a més a més difícil la implantació en escenaris d’EC. Aquestes millores fan que Flexible FIR es pugui adaptar molt bé en aplicacions d’EC. En aquest sentit es proposa el concepte d’un SM de segona generació basat en EC, que integra Flexible FIR com mòdul de predicció d’electricitat executant-se en el propi dispositiu i un agent EC amb capacitat per el trading d'energia produïda localment. Aquest agent executa un innovador mecanisme basat en incentius, anomenat NRG-X-Change que utilitza una nova moneda digital descentralitzada per l’intercanvi d’energia, que s’anomena NRGcoin.Estamos ante una crisis climática global que exige un cambio del status quo de la manera que producimos, distribuimos y consumimos energía. En las últimas décadas, este status quo está siendo redefinido debido a: la penetración de las energías renovables y la generación distribuida; nuevas tecnologías como baterías y paneles solares con altos rendimientos; y la forma en que se consume la energía, por ejemplo, a través de vehículos eléctricos o con la electrificación de los hogares. Estas palancas requieren una red eléctrica inteligente (SG: Smart Grid) con mayor observabilidad, control, automatización y que esté totalmente integrada con nuevos servicios energéticos, así como con sus usuarios finales. La mayoría de las funcionalidades y escenarios de las redes eléctricas inteligentes se basan en predicciones de la energía confiables, robustas y rápidas. Por ejemplo, para actividades de planificación como la generación, compra, mantenimiento e inversión; para la gestión de la demanda, como los programas de demand response; en el trading de electricidad, especialmente a nivel local, donde las producciones y los consumos son más estocásticos y dinámicos; una mejor predicción eléctrica también aumenta la estabilidad de la red y, por lo tanto, mejora la seguridad. Para las predicciones eléctricas a corto plazo (SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivel de consumidores en el bajo voltaje, se han aplicado una gran variedad de técnicas de Inteligencia Artificial (IA) mostrando mejor rendimiento que técnicas estadísticas convencionales. Un bajo rendimiento en los modelos predictivos, puede traducirse no solamente en una solución no-óptima (baja precisión de predicción) sino también en frustración de los usuarios finales, especialmente en nuevos servicios y funcionalidades que empoderan a los ciudadanos. En este sentido, se han identificado limitaciones en modelos de predicción de energía basados en IA, como la robustez, fiabilidad, precisión i computación en el borde. En el marco de esta investigación se propone y desarrolla una nueva versión de la metodología de Razonamiento Inductivo Difuso (FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), que hemos llamado Flexible FIR, capaz de modelar y predecir el consumo de electricidad de una entidad con altos grados de incertidumbre e incluso con importantes carencias de información (missing values). Además, Flexible FIR tiene la capacidad de desplegarse en la nube, así como localmente, en lo que podría ser una nueva versión de Smart Meters (SM) basada en tecnología de Edge Computing (EC). En el pasado, ya se ha demostrado que FIR es una metodología muy potente para la generación de modelos y predicciones en procesos dinámicos, sin embargo, todavía no ha sido demostrado en el campo de la energía. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis es demostrar que una versión mejorada de FIR, más robusta, fiable y precisa puede consolidarse como metodología Soft Computing (SC) de referencia para modelar y predecir sistemas dinámicos en aplicaciones para el sector de la energía y que es escalable hacia una integración de EC. Las principales mejoras en Flexible FIR han sido, en primer lugar, el desarrollo y testeo de un algoritmo capaz de procesar los valores de entrada en un modelo FIR a pesar de que contengan Missing Values (MV). Además, dicho algoritmo también permite aprender de instancias con MV en la matriz de conocimiento de un modelo FIR, sin comprometer de manera significativa la precisión de las predicciones. En segundo lugar, se han desarrollado y testeado nuevas estrategias para la fase de predicción de un modelo FIR, comportándose mejor que los clásicos k vecinos más cercanos ante la pérdida de causalidad de una variable y dispersión de clases de salida, consiguiendo un proceso de aprendizaje y predicción más confiable y robusto. En tercer lugar, Flexible FIR aborda un desafío muy común en técnicas de SC: la óptima parametrización del modelo. En FIR, uno de los parámetros más determinantes es el número k de vecinos más cercanos que se utilizarán en la fase de predicción. La selección del mejor valor de k se plantea de manera dinámica a través del algoritmo KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que se ha desarrollado y probado también con datos reales. Dicho algoritmo calcula una función de membresía agregada, de todos los vecinos, con respecto a su pertenencia a las clases de salida. Mientras que con KOS el parámetro óptimo de k se calcula online, otros enfoques mediante algoritmos genéticos o aprendizaje por refuerzo, el cálculo es offline incrementando significativamente el tiempo de respuesta, siendo además difícil su implantación en escenarios de EC. Estas mejoras hacen que Flexible FIR se adapte muy bien en aplicaciones de EC, en las que la analítica de datos en streaming debe ser fiable, robusta y con un modelo suficientemente ligero para ser ejecutado en un IoT Gateway o dispositivos más pequeños. También, en escenarios con poca conectividad donde el uso de la computación en la nube es limitado y los parámetros del modelo se calculan localmente. Con estas premisas, en esta tesis, se propone el concepto de un SM de segunda generación basado en EC, que integra Flexible FIR como módulo de predicción de electricidad ejecutándose en el dispositivo y un agente EC con capacidad para el trading de energía producida localmente. Dicho agente ejecuta un novedoso mecanismo basado en incentivos, llamado NRG-X-Change que utiliza una nueva moneda digital descentralizada para el intercambio de energía, llamada NRGcoin.Postprint (published version

    Identification of Evolving Rule-based Models.

    Get PDF
    An approach to identification of evolving fuzzy rule-based (eR) models is proposed. eR models implement a method for the noniterative update of both the rule-base structure and parameters by incremental unsupervised learning. The rule-base evolves by adding more informative rules than those that previously formed the model. In addition, existing rules can be replaced with new rules based on ranking using the informative potential of the data. In this way, the rule-base structure is inherited and updated when new informative data become available, rather than being completely retrained. The adaptive nature of these evolving rule-based models, in combination with the highly transparent and compact form of fuzzy rules, makes them a promising candidate for modeling and control of complex processes, competitive to neural networks. The approach has been tested on a benchmark problem and on an air-conditioning component modeling application using data from an installation serving a real building. The results illustrate the viability and efficiency of the approach. (c) IEEE Transactions on Fuzzy System

    Activity-aware HVAC power demand forecasting

    Get PDF
    The forecasting of the thermal power demand is essential to support the development of advanced strategies for the management of local resources on the consumer side, such as heating ventilation and air conditioning (HVAC) equipment in buildings. In this paper, a novel hybrid methodology is presented for the short-term load forecasting of HVAC thermal power demand in smart buildings based on a data-driven approach. The methodology implements an estimation of the building's activity in order to improve the dynamics responsiveness and context awareness of the demand prediction system, thus improving its accuracy by taking into account the usage pattern of the building. A dedicated activity prediction model supported by a recurrent neural network is built considering this specific indicator, which is then integrated with a power demand model built with an adaptive neuro-fuzzy inference system. Since the power demand is not directly available, an estimation method is proposed, which permits the indirect monitoring of the aggregated power consumption of the terminal units. The presented methodology is validated experimentally in terms of accuracy and performance using real data from a research building, showing that the accuracy of the power prediction can be improved when using a specialized modeling structure to estimate the building's activity.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

    An Economic Model-Based Predictive Control to Manage the Users' Thermal Comfort in a Building

    Get PDF
    The goal of maintaining users' thermal comfort conditions in indoor environments may require complex regulation procedures and a proper energy management. This problem is being widely analyzed, since it has a direct effect on users' productivity. This paper presents an economic model-based predictive control (MPC) whose main strength is the use of the day-ahead price (DAP) in order to predict the energy consumption associated with the heating, ventilation and air conditioning (HVAC). In this way, the control system is able to maintain a high thermal comfort level by optimizing the use of the HVAC system and to reduce, at the same time, the energy consumption associated with it, as much as possible. Later, the performance of the proposed control system is tested through simulations with a non-linear model of a bioclimatic building room. Several simulation scenarios are considered as a test-bed. From the obtained results, it is possible to conclude that the control system has a good behavior in several situations, i.e., it can reach the users' thermal comfort for the analyzed situations, whereas the HVAC use is adjusted through the DAP; therefore, the energy savings associated with the HVAC is increased.Spanish Ministry of Science and Innovation [DPI2014-56364-C2-1-R]; EU-ERDF funds; Competitiveness and ERDF funds; Fundacion Iberdrola Espana; Portuguese Foundation for Science & Technology, through IDMEC, under LAETA [ID/EMS/50022/2013
    corecore