Efficient energy management in a building with storages via sporadic model predictive control.

The problem of optimally controlling a building equipped with energy storages is considered and formulated in order to be naturally compatible with a predictive control approach. The focus is restricted to thermal systems, since they are among the most relevant and influential. A general form to state the addressed problem is introduced and its complexity (coarsely) quantified with respect to the intended applications. In particular, a formal statement of the problem under analysis is presented, and the required mathematical notation is established. Our effort consists in trying to lighten the burden that is required to solve the complex optimization problem considered. In this view, an approach, named "Sporadic Model Predictive Control", is presented. Thanks to this control technique, the optimization process should not be carried out at each sampling time, but only when considered necessary. The proposed control scheme is analysed in a view to outline its tuning. A proof-of-concept case is addressed and solved, showing the capabilities of the approach. A real numerical optimization system is in place and, specifically, the application is carried on using the Modelica modelling language and the GenOpt optimization tool. This allows to additionally demonstrate that the approach can effectively bring engineering models into play also for control and management purposes, thereby joining and streamlining the design and the operation phases of a project. Finally, the use of Modelica models positions this thesis as a contribution to a long-term research that is being carried out on building energy efficiency. The proposed approach, applied to an illustrative thermal system, has been proved working. As a result, a method and a procedure are now available to use optimization tools in conjunction with modeling and simulation environments. Therefore, the addressed method and procedure allow the resolution of the presented optimization problem, that, otherwise, could not have been solved in a reasonable computation time.

In questa tesi si considera il problema di controllare in modo ottimale ed efficiente, da un punto di vista energetico, un edificio dotato di accumuli di energia. In questo studio ci si focalizza strettamente su sistemi termici, dal momento che sono tra i piu rilevanti e influenti, e il problema di controllo considerato viene formulato in modo tale da essere compatibile con un approccio di tipo predittivo. Si introduce una generica formalizzazione del problema in analisi e se ne quantifica a grandi linee la complessità, in base alle possibili applicazioni a cui questo si presta. In particolare, si forniscono tutte le notazioni matematiche necessarie alla sua formulazione e utili per introdurre le possibili operazioni che il sistema può compiere. Il nostro intento principale consiste nel provare ad alleggerire il pesante carico computazionale richiesto dalla risoluzione del problema di ottimizzazione considerato che, in base al numero di vincoli a cui e sottoposto, può rivelarsi molto complesso. In quest'ottica, si presenta un approccio da noi denominato "Sporadic Model Predictive Control". Grazie a questa tecnica di controllo, il processo di ottimizzazione non deve più essere risolto a ogni passo di campionamento dell'orizzonte di predizione, ma solo quando considerato necessario. Lo schema di controllo proposto viene quindi analizzato in modo da delinearne le sue principali caratteristiche e la sua messa a punto. Per validare le capacità dell'approccio proposto per la risoluzione del problema in analisi, si definisce un esempio applicativo e lo si risolve in modo da mostrarne il funzionamento. A questo ne viene messo a punto un sistema reale di ottimizzazione numerica e, nello specifico, l'applicazione viene portata a termine usando il linguaggio di modellazione Modelica e utilizzando GenOpt come strumento di ottimizzazione. In questo modo si dimostra come l'approccio in esame può efficacemente far entrare in gioco modelli di tipo ingegneristico anche per scopi di gestione del controllo, unendo quindi e ottimizzando le fasi di design e di funzionamento di un progetto. Inoltre, si sottolinea che l'utilizzo di modelli di tipo Modelica rende questa tesi un contributo a una ricerca a lungo termine finalizzata al conseguimento di efficienza energetica negli edifici. L'approccio proposto, applicato a un sistema termico esemplificativo, viene quindi validato per quanto riguarda il suo effettivo funzionamento. In conclusione, sono ora disponibili un metodo e una procedura che permettono di usare strumenti di ottimizzazione calati nello scenario di ambienti di modellazione e simulazione. Pertanto, il metodo e la procedura considerati consentono la risoluzione del problema di ottimizzazione presentato, il quale, altrimenti, non sarebbe stato risolvibile in un tempo computazionale ragionevole.