Advanced energy management strategies for HVAC systems in smart buildings

The efficacy of the energy management systems at dealing with energy consumption in buildings has been a topic with a growing interest in recent years due to the ever-increasing global energy demand and the large percentage of energy being currently used by buildings. The scale of this sector has attracted research effort with the objective of uncovering potential improvement avenues and materializing them with the help of recent technological advances that could be exploited to lower the energetic footprint of buildings. Specifically, in the area of heating, ventilating and air conditioning installations, the availability of large amounts of historical data in building management software suites makes possible the study of how resource-efficient these systems really are when entrusted with ensuring occupant comfort. Actually, recent reports have shown that there is a gap between the ideal operating performance and the performance achieved in practice. Accordingly, this thesis considers the research of novel energy management strategies for heating, ventilating and air conditioning installations in buildings, aimed at narrowing the performance gap by employing data-driven methods to increase their context awareness, allowing management systems to steer the operation towards higher efficiency. This includes the advancement of modeling methodologies capable of extracting actionable knowledge from historical building behavior databases, through load forecasting and equipment operational performance estimation supporting the identification of a building’s context and energetic needs, and the development of a generalizable multi-objective optimization strategy aimed at meeting these needs while minimizing the consumption of energy. The experimental results obtained from the implementation of the developed methodologies show a significant potential for increasing energy efficiency of heating, ventilating and air conditioning systems while being sufficiently generic to support their usage in different installations having diverse equipment. In conclusion, a complete analysis and actuation framework was developed, implemented and validated by means of an experimental database acquired from a pilot plant during the research period of this thesis. The obtained results demonstrate the efficacy of the proposed standalone contributions, and as a whole represent a suitable solution for helping to increase the performance of heating, ventilating and air conditioning installations without affecting the comfort of their occupants.L’eficàcia dels sistemes de gestió d’energia per afrontar el consum d’energia en edificis és un tema que ha rebut un interès en augment durant els darrers anys a causa de la creixent demanda global d’energia i del gran percentatge d’energia que n’utilitzen actualment els edificis. L’escala d’aquest sector ha atret l'atenció de nombrosa investigació amb l’objectiu de descobrir possibles vies de millora i materialitzar-les amb l’ajuda de recents avenços tecnològics que es podrien aprofitar per disminuir les necessitats energètiques dels edificis. Concretament, en l’àrea d’instal·lacions de calefacció, ventilació i climatització, la disponibilitat de grans bases de dades històriques als sistemes de gestió d’edificis fa possible l’estudi de com d'eficients són realment aquests sistemes quan s’encarreguen d'assegurar el confort dels seus ocupants. En realitat, informes recents indiquen que hi ha una diferència entre el rendiment operatiu ideal i el rendiment generalment assolit a la pràctica. En conseqüència, aquesta tesi considera la investigació de noves estratègies de gestió de l’energia per a instal·lacions de calefacció, ventilació i climatització en edificis, destinades a reduir la diferència de rendiment mitjançant l’ús de mètodes basats en dades per tal d'augmentar el seu coneixement contextual, permetent als sistemes de gestió dirigir l’operació cap a zones de treball amb un rendiment superior. Això inclou tant l’avanç de metodologies de modelat capaces d’extreure coneixement de bases de dades de comportaments històrics d’edificis a través de la previsió de càrregues de consum i l’estimació del rendiment operatiu dels equips que recolzin la identificació del context operatiu i de les necessitats energètiques d’un edifici, tant com del desenvolupament d’una estratègia d’optimització multi-objectiu generalitzable per tal de minimitzar el consum d’energia mentre es satisfan aquestes necessitats energètiques. Els resultats experimentals obtinguts a partir de la implementació de les metodologies desenvolupades mostren un potencial important per augmentar l'eficiència energètica dels sistemes de climatització, mentre que són prou genèrics com per permetre el seu ús en diferents instal·lacions i suportant equips diversos. En conclusió, durant aquesta tesi es va desenvolupar, implementar i validar un marc d’anàlisi i actuació complet mitjançant una base de dades experimental adquirida en una planta pilot durant el període d’investigació de la tesi. Els resultats obtinguts demostren l’eficàcia de les contribucions de manera individual i, en conjunt, representen una solució idònia per ajudar a augmentar el rendiment de les instal·lacions de climatització sense afectar el confort dels seus ocupant

Advanced energy management strategies for HVAC systems in smart buildings

The efficacy of the energy management systems at dealing with energy consumption in buildings has been a topic with a growing interest in recent years due to the ever-increasing global energy demand and the large percentage of energy being currently used by buildings. The scale of this sector has attracted research effort with the objective of uncovering potential improvement avenues and materializing them with the help of recent technological advances that could be exploited to lower the energetic footprint of buildings. Specifically, in the area of heating, ventilating and air conditioning installations, the availability of large amounts of historical data in building management software suites makes possible the study of how resource-efficient these systems really are when entrusted with ensuring occupant comfort. Actually, recent reports have shown that there is a gap between the ideal operating performance and the performance achieved in practice. Accordingly, this thesis considers the research of novel energy management strategies for heating, ventilating and air conditioning installations in buildings, aimed at narrowing the performance gap by employing data-driven methods to increase their context awareness, allowing management systems to steer the operation towards higher efficiency. This includes the advancement of modeling methodologies capable of extracting actionable knowledge from historical building behavior databases, through load forecasting and equipment operational performance estimation supporting the identification of a building’s context and energetic needs, and the development of a generalizable multi-objective optimization strategy aimed at meeting these needs while minimizing the consumption of energy. The experimental results obtained from the implementation of the developed methodologies show a significant potential for increasing energy efficiency of heating, ventilating and air conditioning systems while being sufficiently generic to support their usage in different installations having diverse equipment. In conclusion, a complete analysis and actuation framework was developed, implemented and validated by means of an experimental database acquired from a pilot plant during the research period of this thesis. The obtained results demonstrate the efficacy of the proposed standalone contributions, and as a whole represent a suitable solution for helping to increase the performance of heating, ventilating and air conditioning installations without affecting the comfort of their occupants.L’eficàcia dels sistemes de gestió d’energia per afrontar el consum d’energia en edificis és un tema que ha rebut un interès en augment durant els darrers anys a causa de la creixent demanda global d’energia i del gran percentatge d’energia que n’utilitzen actualment els edificis. L’escala d’aquest sector ha atret l'atenció de nombrosa investigació amb l’objectiu de descobrir possibles vies de millora i materialitzar-les amb l’ajuda de recents avenços tecnològics que es podrien aprofitar per disminuir les necessitats energètiques dels edificis. Concretament, en l’àrea d’instal·lacions de calefacció, ventilació i climatització, la disponibilitat de grans bases de dades històriques als sistemes de gestió d’edificis fa possible l’estudi de com d'eficients són realment aquests sistemes quan s’encarreguen d'assegurar el confort dels seus ocupants. En realitat, informes recents indiquen que hi ha una diferència entre el rendiment operatiu ideal i el rendiment generalment assolit a la pràctica. En conseqüència, aquesta tesi considera la investigació de noves estratègies de gestió de l’energia per a instal·lacions de calefacció, ventilació i climatització en edificis, destinades a reduir la diferència de rendiment mitjançant l’ús de mètodes basats en dades per tal d'augmentar el seu coneixement contextual, permetent als sistemes de gestió dirigir l’operació cap a zones de treball amb un rendiment superior. Això inclou tant l’avanç de metodologies de modelat capaces d’extreure coneixement de bases de dades de comportaments històrics d’edificis a través de la previsió de càrregues de consum i l’estimació del rendiment operatiu dels equips que recolzin la identificació del context operatiu i de les necessitats energètiques d’un edifici, tant com del desenvolupament d’una estratègia d’optimització multi-objectiu generalitzable per tal de minimitzar el consum d’energia mentre es satisfan aquestes necessitats energètiques. Els resultats experimentals obtinguts a partir de la implementació de les metodologies desenvolupades mostren un potencial important per augmentar l'eficiència energètica dels sistemes de climatització, mentre que són prou genèrics com per permetre el seu ús en diferents instal·lacions i suportant equips diversos. En conclusió, durant aquesta tesi es va desenvolupar, implementar i validar un marc d’anàlisi i actuació complet mitjançant una base de dades experimental adquirida en una planta pilot durant el període d’investigació de la tesi. Els resultats obtinguts demostren l’eficàcia de les contribucions de manera individual i, en conjunt, representen una solució idònia per ajudar a augmentar el rendiment de les instal·lacions de climatització sense afectar el confort dels seus ocupantsPostprint (published version

State-of-the-art on research and applications of machine learning in the building life cycle

Fueled by big data, powerful and affordable computing resources, and advanced algorithms, machine learning has been explored and applied to buildings research for the past decades and has demonstrated its potential to enhance building performance. This study systematically surveyed how machine learning has been applied at different stages of building life cycle. By conducting a literature search on the Web of Knowledge platform, we found 9579 papers in this field and selected 153 papers for an in-depth review. The number of published papers is increasing year by year, with a focus on building design, operation, and control. However, no study was found using machine learning in building commissioning. There are successful pilot studies on fault detection and diagnosis of HVAC equipment and systems, load prediction, energy baseline estimate, load shape clustering, occupancy prediction, and learning occupant behaviors and energy use patterns. None of the existing studies were adopted broadly by the building industry, due to common challenges including (1) lack of large scale labeled data to train and validate the model, (2) lack of model transferability, which limits a model trained with one data-rich building to be used in another building with limited data, (3) lack of strong justification of costs and benefits of deploying machine learning, and (4) the performance might not be reliable and robust for the stated goals, as the method might work for some buildings but could not be generalized to others. Findings from the study can inform future machine learning research to improve occupant comfort, energy efficiency, demand flexibility, and resilience of buildings, as well as to inspire young researchers in the field to explore multidisciplinary approaches that integrate building science, computing science, data science, and social science

Machine learning techniques to forecast non-linear trends in smart environments

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Artificial intelligence in construction asset management: a review of present status, challenges and future opportunities

The built environment is responsible for roughly 40% of global greenhouse emissions, making the sector a crucial factor for climate change and sustainability. Meanwhile, other sectors (like manufacturing) adopted Artificial Intelligence (AI) to solve complex, non-linear problems to reduce waste, inefficiency, and pollution. Therefore, many research efforts in the Architecture, Engineering, and Construction community have recently tried introducing AI into building asset management (AM) processes. Since AM encompasses a broad set of disciplines, an overview of several AI applications, current research gaps, and trends is needed. In this context, this study conducted the first state-of-the-art research on AI for building asset management. A total of 578 papers were analyzed with bibliometric tools to identify prominent institutions, topics, and journals. The quantitative analysis helped determine the most researched areas of AM and which AI techniques are applied. The areas were furtherly investigated by reading in-depth the 83 most relevant studies selected by screening the articles’ abstracts identified in the bibliometric analysis. The results reveal many applications for Energy Management, Condition assessment, Risk management, and Project management areas. Finally, the literature review identified three main trends that can be a reference point for future studies made by practitioners or researchers: Digital Twin, Generative Adversarial Networks (with synthetic images) for data augmentation, and Deep Reinforcement Learning

Multiobjective optimization of building energy consumption and thermal comfort based on integrated BIM framework with machine learning-NSGA II

publishedVersionPaid open acces

Demand forecasting model for load shifting strategy in building energy management system

Among the sectors with the highest energy consumption are transport, industries, and buildings. Buildings are responsible for the third part of energy consumption and almost 40% of CO2 emissions worldwide. The search to improve the comfort of the occupants inside the buildings has brought a consequence that buildings are increasingly equipped with devices that help to improve the thermal comfort, visual comfort, and air quality inside the buildings, causing more energy demand regardless of the type of building making buildings an untapped efficiency potential.This doctoral thesis presents a model for forecasting electricity demand in buildings based on machine learning for load-shifting strategies, which can be implemented in building energy management systems. First, the state of the art of building energy management systems is analyzed, as well as the different management strategies used within these systems. Second, within the predictive control model management strategy, the forecast models of energy consumption in buildings are analyzed, as well as the methods, input variables, prediction horizon, and metrics. Finally, about the analysis carried out on the energy consumption forecasting models, a short-term energy consumption forecasting strategy based on machine learning is developed that allows forecasting the demand for the next 24 hours from any time of the previous day.Dentro de los sectores de mayor consumo energético se encuentran: el transporte, las industrias y los edificios. Siendo los edificios responsables de una tercera parte del consumo de energía y casi un 40% de las emisiones de CO2 a nivel mundial. La búsqueda por mejorar el confort de los ocupantes dentro de los edificios ha traído como consecuencia que los edificios estén cada vez más equipados con dispositivos que ayudan a mejorar el confort térmico, el confort visual y la calidad de aire dentro de los edificios. Causando que cada vez más la demanda de energía de los edificios independientemente del tipo de edificio que sean se encuentre en crecimiento y haciendo que los edificios sean un potencial de eficiencia sin explotar. Esta tesis doctoral presenta un modelo para pronóstico de la demanda eléctrica en edificios basado en aprendizaje automático para estrategias de desplazamiento de cargas, el cual puede ser implementado en sistemas de gestión energética para edificios. En primer lugar, se analiza el estado del arte de los sistemas de gestión energética de edificios, así como las diferentes estrategias de gestión que se utilizan dentro de estos sistemas. En segundo lugar, dentro de la estrategia de gestión de modelo de control predictivo se analiza los modelos de pronóstico de consumo de energía en edificios, así como los métodos, variables de entrada, horizonte de predicción y métricas. Por último, en referencia al análisis realizado sobre los modelos de pronóstico de consumo de energía se desarrolla una estrategia de pronóstico de demanda a corto plazo basada en aprendizaje automático que permite pronosticar la demanda de las próximas 24 horas a partir de cualquier hora del día anterior.Escuela de DoctoradoDoctorado en Ingeniería Industria