Augmenting occupant thermal experience with cyber-physical-social systems : a case study on adaptive vents

Abstract

Buildings use more than 30% of global energy, while 36% of this energy comes from direct combustion of fossil fuels. Hence, buildings constitute a considerable share of CO2 emissions and has a large contribution to climate change related problems. The highest share (almost half) of the total energy consumption in buildings is due to heating, cooling and air conditioning (HVAC). Particularly, the increasing demand for space cooling is pushing this share up. Thus, HVAC systems are considered as one of the key contributors of the total energy consumption and the adverse environmental impacts of buildings. Recent developments in technology offer promising tools to leverage interactions between occupants and the building systems. The energy efficiency of HVAC operations is not only a technical concern, what is more is that it requires to modifications considering human behavior. The convergence of physical systems in built environment with the information and communication technologies, as well as the human dimension makes it necessary to co-evaluate these distinct realms during the design and operation of building systems. The cyber-physical-social systems (CPSS) approach has a promising potential to facilitate this interdependence. A novel HVAC interface is presented in this thesis study. An Adaptive Vent System (AVS), is proposed to enable localized and customized thermal management in built environment for a better thermal experience of occupants and higher level of energy efficiency for building operators. The system is designed as a CPSS and composed of: (i) a novel diffuser design with individually operable flaps, (ii) thermal agents, (iii) a user interface, and (iv) a control and communication unit. It enables asymmetric air-inlet to manage indoor temperature distribution and aims to match varieties in temperature with the differences in occupant demands. The system is intended to decrease the conditioned air volume that results in HVAC energy efficiency without sacrificing occupant comfort. The design and operation of complex building energy systems like AVS is a challenging task. In order to assist this process, a methodological framework is presented that outlines the development process, from the early definition to prototyping and performance analysis. The framework is based on a novel CPSS modeling approach that combines hybrid dynamic modelling (for cyber and physical aspects) with human behavior modeling (for social aspects). A prototype of the proposed AVS was deployed in an office of an academic building in order to conduct experiments and validate CPSS and computational fluid dynamics (CFD) models. Both experiments and simulation based assessments of system operation shows that system can generate temperature difference between opposite sides of a room in a controllable manner. It is also shown that this difference results in considerable change in thermal sensation of occupants and can pave the way for energy savings with localization inside the rooms. The core reason for efficient HVAC operation with AVS is the usage of less amount of thermally conditioned air by minimizing the conditioning of unnecessary parts of the room. Moreover, the system leverages occupant interaction by delivering advanced control options (enhanced perceived control) for more customized practices. The interplay between the building energy management and the localization and customization of thermal management can maximize demand flexibility of buildings, that is a key concern for demand side management and energy planning. Hence, the new AVS system is to leverage overall thermal experience in built environment in an energy efficient way and help decreasing the environmental impact of buildings.Binalar, dünya enerji tüketiminin %30'undan fazla bir kısmından sorumlu olmakla birlikte, binalardaki enerji tüketiminin %36'sı fosil yakıtların doğrudan yakılması şeklinde gerçekleşmektedir. Bu nedenle binalar, CO2 salınımının önemli bir kısmını gerçekleştirmekte olup, iklim değişikliğinden kaynaklı sorunların oluşmasına da ciddi katkıda bulunmaktadırlar. Binalardaki enerji tüketiminin önemli bir kısmı (yaklaşık olarak yarısı) ısıtma, soğutma ve havalandırma (HVAC) işlemleri için gerçekleşmektedir. Artmakta olan soğutma talebi ise bu oranı daha da artırma eğilimindedir. Dolayısıyla, çevresel, teknik ve sosyal etkenlere tabi olan HVAC sistemleri, binaların toplam enerji tüketiminin ve olumsuz çevresel etkilerinin azaltılmasında önemli bir role sahiptir. Son yıllardaki teknolojik gelişmeler, bina kullanıcıları ile sistemleri arasındaki etkileşimin artırılması için umut vaat eden araçlar sunmaktadır. HVAC işlemlerinin enerji verimliliği artık sadece teknik bir konu olmayıp, insan davranışlarına dair değerlendirmeleri de içermesi beklenen bir konu haline gelmiştir. Bu nedenle, binalardaki fiziksel sistemler ile bilgi ve iletişim teknolojileri ve insani boyut arasındaki yakınsama, bina sistemlerinin tasarım ve işletme süreçlerinde farklı düzlemlerdeki olguların birlikte değerlendirilmesini zorunlu kılmaktadır. Siber-fiziksel-sosyal sistem (SFSS) yaklaşımı, bu ilişkiselliği pekiştirme potansiyeli içermektedir. Bu tez çalışması, özgün bir HVAC arayüzü sunmaktadır. Geliştirilen uyarlanabilir havalandırma sisteminin (UHS), bina ortamında daha iyi bir ısıl deneyim sunmak üzere sınırlandırılmış ve özelleştirilmiş ısı yönetimi sağlaması ve daya yüksek seviyede enerji verimliliği sunması hedeflenmiştir. Bir SFSS olarak tasarlanan söz konusu sistem şu bileşenlerden oluşmaktadır: (i) birbirinden bağımsız hareket edebilen hareketli kanatçıklara sahip özgün difüzör, (ii) ısıl ölçüm birimleri, (iii) kullanıcı arayüzü ve (iv) kontrol ve iletişim birimi. Sistem, oda içerisinde sıcaklık dağılımını kontrol etmek üzere asimetrik hava girişi sağlayabilmekte ve bu şekilde oluşturulan sıcaklık farklılıklarını bina sakinlerinin tercihlerindeki farklılıklar ile eşleştirebilmeyi mümkün kılmaktadır. Bu sayede, toplam şartlandırılmış hava miktarının azaltılması ve kullanıcıların konforundan taviz vermeksizin enerji verimliliğinin artırılması hedeflenmektedir. UHS gibi karmaşık bina enerji sistemlerinin tasarımı ve işletilmesi oldukça zor işlemlerdir. Bu süreçleri kolaylaştırmak için, başlangıçtaki tanımlamadan ilkörnek geliştirme ve performans analizine kadar geliştirme sürecini ana hatlarıyla belirleyen bir yöntemsel çerçeve sunulmuştur. Bu çerçeve yapı, SFSS'lerin modellenmesi için hibrid dinamik modelleme (siber ve fiziksel olgular için) ile davranış modellemeyi (sosyal olgular için) bir araya getiren özgün bir modelleme yaklaşımı üzerine kurulmuştur. Deneysel çalışmaları gerçekleştirmenin yanı sıra SFSS ve HAD modellerinin doğrulamasını da sağlamak üzere, bir akademik binada bulunan bir ofiste, geliştirilen UHS'nin bir ilkörneği kurulmuştur. Sistemin çalışmasını incelemek için yapılan deneyler ve simülasyonlar, odanın iki tarafı arasında kontrollü bir biçimde sıcaklık farkı oluşturabildiğini göstermiştir. Ayrıca, bu sıcaklık farkının, kullanıcıların ısıl hissiyatında ayırt edilebilir bir fark oluşturduğu ve sağlanan sınırlandırma ile enerji kazanımları elde edilmesini mümkün kılacağı da gösterilmiştir. UHS ile gerçekleştirilen HVAC işlemlerinin verimliliğindeki ana etken, gerekli olmayan noktaların iklimlendirilmesinin en aza indirilerek, şartlandırılan hava miktarının azaltılmasıdır. Bununla birlikte sistem, daha özelleştirilmiş bir kullanım için gelişmiş kontrol seçenekleri sunarak (algılanan kontrol düzeyinin yükseltilmesi), kullanıcı etkileşimini artırmaktadır. Bina enerji yönetimi ile sınırlandırılmış ve özelleştirilmiş ısı yönetimi arasındaki ilişki, talep tarafı yönetimi ve enerji planlaması için kritik öneme sahip talep esnekliğinin ençoklanmasını da sağlayabilmektedir. Bu açılardan bakıldığında UHS, binalarda ısıl deneyimi bütüncül olarak ve enerji verimli bir biçimde geliştirebilir ve binaların çevreye etkisini azaltabilir.