[논문 리뷰] Decentralized and Distributed Temperature Control via HVAC Systems in Energy Efficient Buildings

Xuan Zhang, Wenbo Shi외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 10.

Building Energy and Comfort Optimization참고 문헌 22인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 에너지 효율적인 건물의 HVAC 시스템을 위한 탈중앙화되고 분산된 실시간 제어 방안을 제안하며, 간섭 측정이나 예측 없이도 사용자 편안함과 에너지 절약을 균형 잡는다. 정적인 최적화 문제를 수립하고 볼록화 근사 또는 온화한 볼록성 가정을 사용함으로써, 저자들은 열역학적 동역학을 최적 평형 상태로 이끄는 기울기 기반 알고리즘을 설계하였으며, 이는 확장성, 제약 조건 충족, 그리고 최소한의 센서 및 계산 자원으로도 간섭에 대해 강건함을 보장한다.

ABSTRACT

In this paper, we design real-time decentralized and distributed control schemes for Heating Ventilation and Air Conditioning (HVAC) systems in energy efficient buildings. The control schemes balance user comfort and energy saving, and are implemented without measuring or predicting exogenous disturbances. Firstly, we introduce a thermal dynamic model of building systems and formulate a steady-state resource allocation problem, which aims to minimize the aggregate deviation between zone temperatures and their set points, as well as the building energy consumption, subject to practical operating constraints, by adjusting zone flow rates. Because this problem is nonconvex, we propose two methods to (approximately) solve it and to design the real-time control. In the first method, we present a convex relaxation approach to solve an approximate version of the steady-state optimization problem, where the heat transfer between neighboring zones is ignored. We prove the tightness of the relaxation and develop a real-time decentralized algorithm to regulate the zone flow rate. In the second method, we introduce a mild assumption under which the original optimization problem becomes convex, and then a real-time distributed algorithm is developed to regulate the zone flow rate. In both cases, the thermal dynamics can be driven to equilibria which are optimal solutions to those associated steady-state optimization problems. Finally, numerical examples are provided to illustrate the effectiveness of the designed control schemes.

연구 동기 및 목표

• HVAC 시스템이 건물 에너지 사용의 40%를 차지하는 에너지 비효율성 문제를 해결한다.
• 중앙 집중식 센서, 통신, 계산에 의존도를 줄이는 확장 가능한 실시간 제어 전략을 개발한다.
• 간섭 측정이나 예측이 필요 없이 사용자 편안함과 에너지 소비를 균형 잡는다.
• 유량 제한 및 열역학적 동역학과 같은 실용적 운영 제약 조건 하에서도 시스템 전반의 성능을 확보한다.
• 최소한의 인프라 오버헤드로 실제 건물에 구현 가능한 제어 알고리즘을 설계한다.

제안 방법

• 설정 온도에서의 온도 편차와 총 에너지 소비의 가중합을 최소화하는 비볼록 정적 최적화 문제를 수립한다.
• 상호 존 간 열전달을 忽시함으로써 볼록 근사 접근법을 제안하고, 온화한 조건 하에서 이 근사가 타당함을 증명한다.
• 지역 측정 및 통신을 사용하여 존 공기 유량을 조절하는 탈중앙화 기울기 기반 제어기를 설계한다.
• 열저항 및 열용량 비율에 대한 온화한 가정을 도입함으로써 원래 문제를 볼록화하여 분산 최적화를 가능하게 한다.
• 볼록화된 문제의 최적 해로 수렴하는 기울기 기반 알고리즘을 사용한 분산 제어기를 개발한다.
• 개별 존 제어기를 집계하여 공동 규모의 HVAC 관리에 이 프레임워크를 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HVAC 시스템에 대해 간섭 측정이나 예측 없이도 사용자 편안함과 에너지 효율성을 균형 잡는 탈중앙화 및 분산 제어 체계를 설계할 수 있는가?
• RQ2 HVAC 제어를 위한 비볼록 정적 최적화 문제를 최적성과 확장성을 유지하면서 근사적으로 해결할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ3 HVAC 제어 문제의 볼록 근사가 타당한 조건은 무엇이며, 이로 인해 전역 최적해를 확보할 수 있는가?
• RQ4 제안된 분산 제어기가 외기 온도 및 점유자 수 변화와 같은 간섭에 대해 수렴성과 강건성 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 사용자 편안함과 에너지 절약 사이의 상충 관계는 무엇이며, 제어기 파rameter를 통해 어떻게 조정할 수 있는가?

주요 결과

• 상호 존 간 열전달을 忽시하는 볼록 근사 접근법은 온화한 조건 하에서 타당함을 입증하여 전역 최적해를 보장한다.
• 탈중앙화 제어기는 다양한 조건 하에서도 존 온도를 설정값으로부터 ±1.5°C 이내로 유지하며, 근사 모델과 정확한 모델 간 편차가 최소화됨을 확인하였다.
• 편안함에 대한 가중치(w)를 0.1에서 1.0 p.u.로 증가시킬 경우, 설정값에서의 온도 편차가 약간 증가함을 통해 편안함과 에너지 절약 사이의 상충관계를 확인하였다.
• 피크 부하 기간(예: 12–16시) 동안 총 공기 유량이 최대 용량에 도달함으로써 제약 조건 하에서도 효과적인 부하 관리가 이루어짐을 나타냈다.
• 보조 변수(ζi)는 모든 시나리오에서 양수를 유지하여, 볼록 근사가 모든 상황에서 타당함을 확인하였다.
• 총 유량 용량이 감소함(예: 16시 이후 0.5에서 0.4 kg/s로)되어도 분산 제어기는 시스템 안정성과 수렴성을 유지함으로써 용량 변화에 강건함을 입증하였다.