design methodologies and comparison of efficient building temperature control

The motivation for this research stems from the need to reduce energy consumption in building heating systems without compromising their performance. HVAC systems have been identified as one of the key solutions to accomplish this, given their low energy consumption. However, to achieve effective control of heating systems, advanced control strategies must be implemented, and control-oriented models must be developed for simulation and verification purposes. In this project, a simplified control-oriented model has been designed and tested for the simulation and control of the heating system. Three different control techniques, including two autonomous PID tuning algorithms and an MPC-based receding horizon control, were implemented to optimize the heating system’s temperature performance with minimal energy consumption. After tuning, satisfactory results were achieved on two different control schemes, centralized and cascade, which were then transferred to the actual control model, demonstrating its reliability. This research also conducted a robustness analysis on the presented control techniques, demonstrating that they are capable of providing effective temperature control despite changes in the building’s parameters. This work, therefore, provides a model that describes the heating system’s behaviour, which can be applied to buildings with unknown or limited data. Furthermore, it offers a reliable control system that optimizes temperature performance and energy consumption with minimal data requirements, offering great potential for the future of building heating systems.

La motivazione di questa ricerca nasce dalla necessità di ridurre il consumo energetico dei sistemi di riscaldamento negli edifici, senza comprometterne le prestazioni. I sistemi HVAC sono stati identificati come una delle soluzioni chiave per raggiungere questo obiettivo, dato il loro basso consumo energetico. Tuttavia, per ottenere un controllo efficace dei sistemi di riscaldamento, è necessario implementare strategie di controllo avanzate e sviluppare modelli orientati al controllo per scopi di validazione e simulazione. In questa tesi, è stato progettato e testato un modello per la simulazione e il controllo del sistema di riscaldamento. Sono state implementate tre diverse tecniche di controllo, tra cui due algoritmi di regolazione PID e un MPC basato sulla tecnica di reciding horizon, per ottimizzare le prestazioni di temperatura del sistema di riscaldamento, con un consumo energetico minimo. Dopo la messa a punto, sono stati ottenuti risultati soddisfacenti su due differenti schemi di controllo, centralizzato e in cascata, che sono stati poi trasferiti al modello di controllo reale, dimostrando la sua affidabilità. Questa ricerca ha anche condotto un’analisi di robustezza sulle tecniche di controllo presentate, dimostrando che sono in grado di fornire una regolazione efficace della temperatura indipendentemente dalle variazioni dei parametri dell’edificio. Questo lavoro, quindi, fornisce un modello che descrive il comportamento del sistema di riscaldamento e che può essere applicato a edifici con dati sconosciuti o limitati. Infine, lo studio condotto, dimostra di avere un grande potenziale per il futuro dei sistemi di riscaldamento degli edifici.