Dynamic modeling and simulation of a building energy systems, supporting the design of smart supervision systems

This monograph, which is part of longer term research work on energy efficiency, filed entitled “SMAPP ENERGY” carried out by an Italian company called ‘ETC Srl.’ which basically deals with building energy systems. In particular, this paper work is to provide a model of the entire system (including the building, heating system, components and the control part); to finally have a model which will gives a realistic result as the real time test sites. This work is a part of Smapp Energy project to help them to understand the energy consumption during the winter season. Also this thesis work will be helpful in terms of a simulator for the building where the heating system is going to be implemented. To procure the above mentioned goal, the thesis work starts by discussing the concept of building energy systems, its components, basic understanding of thermodynamics, energy balance principles, some building performance tools, and motivation of using Modelica. A major outcome of these review is that some software’s which simulates the building energy performance are too detailed, which provides the below mentioned problems; • Simulation time is tending to be too long. • Much more information of a single component required by the tool to carry out the analysis is of hardly use for the purpose of system-level dynamic simulation for modelling and control of energy efficient buildings. • Moreover, these simulations tool doesn’t meet the multi-physical phenomena that take part in overall energy performance of the buildings; this is realized by co-simulator that is often far from easy to use. To overcome all these issues, a Modelica for energy building simulations previously developed at Politecnico di Milano , is used as a main source of the library, but some of the components are adjusted and created for the purpose of this thesis work, the final goal of this research work is mentioned below, • Optimize the energy consumption using the set points, and having different test case scenarios to tweak the best optimization of the building in cost effective manner. • Obtaining a versatile model simulator, this can be used on developing the Smart App. • Demonstrate the whole winter cycle from Oct-15 to April-15, with less simulation time. • Modelling and validating a “Heat Pump” model, with less complication. Finally, these models or the components which are designed should be able to manage complex systems while maintaining simulation time definitely reasonable, that is sufficiently accurate for the description at the system-level for both the design and control of buildings.

Questa monografia, che fa parte di un lavoro di ricerca a lungo termine sull'efficienza energetica, ha presentato il titolo "SMAPP ENERGY" realizzato da una società italiana chiamata "ETC Srl." che si occupa fondamentalmente di sistemi energetici degli edifici. In particolare, questo lavoro cartaceo consiste nel fornire un modello dell'intero sistema (compresi l'edificio, il sistema di riscaldamento, i componenti e la parte di controllo), per avere finalmente un modello che fornirà un risultato affidabile come i siti di test in tempo reale. Questo lavoro fa parte del progetto Smapp Energy per aiutarli a comprendere il consumo energetico durante la stagione invernale. Anche questo lavoro di tesi sarà utile in termini di un simulatore per l'edificio in cui verrà implementato il sistema di riscaldamento. Per ottenere il suddetto obiettivo, il lavoro su tesi inizia discutendo il concetto di costruzione di sistemi energetici, le sue componenti, la comprensione di base della termodinamica, i principi di equilibrio energetico, alcuni strumenti di performance degli edifici e la motivazione dell'uso di Modelica. Un risultato importante di queste revisioni è che alcuni software che simulano le prestazioni energetiche dell'edificio sono troppo dettagliati, il che fornisce i problemi di seguito indicate, • Il tempo di simulazione tende a essere troppo lungo. • Molte più informazioni di un singolo componente richiesto dallo strumento per eseguire l'analisi sono difficilmente utilizzabili ai fini della simulazione dinamica a livello di sistema per la modellazione e il controllo di edifici efficienti dal punto di vista energetico. • Inoltre, questo strumento di simulazione non soddisfa i fenomeni multi-fisici che prendono parte alle prestazioni energetiche complessive degli edifici; questo è realizzato da un co-simulatore che è spesso tutt'altro che facile da usare. Per superare tutti questi problemi, una libreria Modelica per la simulazione energetica degli edifice, svilupppata in precendenza al Politecnico di Milano è utilizzata come fonte principale della biblioteca, ma alcuni componenti sono adattati e creati ai fini di questo lavoro di tesi, l'obiettivo finale di questo lavoro di ricerca è menzionato sotto, • Ottimizza il consumo di energia utilizzando i set point e convalidando con il consumo in tempo reale del sito di test. • Ottenendo un modello versatile, questo può essere utilizzato su futuri lavori futuri. • Dimostrare l'intero ciclo invernale da ottobre 15 a aprile 15, con meno tempo di simulazione. • Modellazione e validazione di un modello "Pompa di calore", con meno complicazioni. Infine, questi modelli o i componenti progettati dovrebbero essere in grado di gestire sistemi complessi mantenendo nel contempo il tempo di simulazione decisamente ragionevole, che è sufficientemente accurato per la descrizione a livello di sistema sia per la progettazione che per il controllo degli edifici.