[論文レビュー] Distributed Control of Multi-zone HVAC Systems Considering Indoor Air Quality

Yu Yang, Seshadhri Srinivasan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Building Energy and Comfort Optimization参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、熱的快適性と室内大気質（IAQ）を二酸化炭素（CO2）濃度で表す要因を同時に最適化しながらエネルギーコストを最小化する、二段階分散制御手法（TLDM）を提案する。階層的で分散型の計算フレームワークにより、熱的快適性制御とIAQ規制を分離することで、保証されたIAQ適合性を達成しつつ、ほぼ最適なエネルギー削減を実現し、中央集権的および既存の分散手法よりも8–10%のエネルギー削減効果を示した。

ABSTRACT

This paper studies a scalable control method for multi-zone heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) systems to optimize the energy cost for maintaining thermal comfort and indoor air quality (IAQ) (represented by CO2) simultaneously. This problem is computationally challenging due to the complex system dynamics, various spatial and temporal couplings as well as multiple control variables to be coordinated. To address the challenges, we propose a two-level distributed method (TLDM) with a upper level and lower level control integrated. The upper level computes zone mass flow rates for maintaining zone thermal comfort with minimal energy cost, and then the lower level strategically regulates zone mass flow rates and the ventilation rate to achieve IAQ while preserving the near energy saving performance of upper level. As both the upper and lower level computation are deployed in a distributed manner, the proposed method is scalable and computationally efficient. The near-optimal performance of the method in energy cost saving is demonstrated through comparison with the centralized method. In addition, the comparisons with the existing distributed method show that our method can provide IAQ with only little increase of energy cost while the latter fails. Moreover, we demonstrate our method outperforms the demand controlled ventilation strategies (DCVs) for IAQ management with about 8-10% energy cost reduction.

研究の動機と目的

• 熱的快適性と室内大気質（IAQ）を同時に維持する必要が高まる中、エネルギー効率の良いHVAC制御のニーズに対応すること。特にCO2濃度に注目する。
• 多ゾーンHVACシステムにおける結合されたダイナミクスと制御変数に起因する計算複雑性を克服すること。
• IAQ適合性を保証しつつエネルギー効率を損なわない、スケーラブルな分散制御フレームワークを開発すること。
• 熱的快適性とIAQの共同最適化が、従来の戦略と比較して顕著なエネルギー削減をもたらすことを実証すること。

提案手法

• 本手法は二段階分散アーキテクチャを採用する：上位制御（ULC）は、最小限のエネルギーコストでゾーンの質量流量を計算する。
• 下位制御（LLC）は、IAQ制約を満たすためにゾーンの質量流量と換気率を調整し、ULCのエネルギー効率を維持する。
• ULCとLLCの両方が分散最適化技術を用いることで、大規模な多ゾーンシステムにおいてもスケーラビリティと計算効率を実現する。
• ULCは、熱的快適性制約を満たす条件下でエネルギーコストを最小化する凸最適化問題を解く。
• LLCは、リアルタイムのCO2濃度と占有人数に基づいて動的に外気換気を制御することで、IAQ適合性を確保する。
• 問題の構造を活用して熱的快適性制御とIAQ制御を分離し、効率的で分散型の計算を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散制御フレームワークは、多ゾーンHVACシステムにおいてIAQ適合性を確保しつつ、ほぼ最適なエネルギー削減を達成できるか？
• RQ2 提案された二段階分散手法は、中央集権的および既存の分散制御戦略と比較して、エネルギー効率およびIAQパフォーマンスの面でどのように差をつけるか？
• RQ3 HVACシステムにCO2制御を統合する際の、エネルギーコストとIAQ適合性のトレードオフは何か？
• RQ4 TLDMの階層的構造は、中央集権的手法と比較して、スケーラビリティと計算効率をどのように向上させるか？
• RQ5 TLDMは、IAQを維持しつつ、DCV戦略に比べてどの程度エネルギー削減効果を上回るか？

主な発見

• TLDMは、中央集権的最適解と比較して約4%のサブ最適性ギャップを示し、ほぼ最適なエネルギーコスト削減を達成した。
• 50ゾーンのシミュレーションにおいて、TLDMは、占有人数のみに基づく換気戦略に依存する需要制御換気（DCV）戦略と比較して、総エネルギーコストを8–10%削減した。
• TLDMは、高占有人数時であっても、すべてのゾーンでCO2濃度を0–800 ppmの目標範囲内に維持できた。
• 分散実装のおかげで、スケーラビリティと計算効率が顕著に向上し、中央集権的手法よりも著しく短い計算時間となった。
• DTBSS手法とは異なり、IAQ適合性を確保できないという欠陥を持つが、TLDMはIAQとエネルギー削減の両方を達成でき、エネルギーコストの増加はわずかであった。
• TLDMの換気率は占有人数のパターンに動的に適合し、高占有人数時には増加し、ピーク時以外では減少することで、効率的なIAQ管理が実現された。