Model engineering for the adaptive control of energy efficient buildings and components

Recently, new advances in ITC technologies discovered unforeseen scenarios that deeply influenced the original idea of smart home providing new insights that, at the end, generalised to the actual idea of smart environments. Smart environments are highly automated living spaces that are controlled through intelligent technologies that are able to optimally configure the space with respect to dynamically changing set of requirements, based on the prediction carried out by simulating models. The investigation of the impact of adaptive building technology in terms of energy saving is a relevant issue in the current smart building research scenario. It provides a vision that is definitely far away from the actual construction practice, where building control is usually operated on the basis of homeostatic short-term feed-back mechanisms, in which the technical equipment are regulated only on the basis of predetermined set points, without any attempt to include the dynamic of the natural environment and the end-user behaviour. This research perspective has definitely a broad scope. On one side it involves the development of new active building components, on the other side, the development of intelligent ICT allows the home systems to communicate with one another and with the energy grid, thereby enabling autonomous and/or remote control of the building behaviour in adaptive operating modes. Furthermore, both sides share a common redline, regarding the development of a new class of advanced physical models of both building systems and components that can be embedded in the real time adaptive building control system. This dissertation concerns the development of a model engineering process for the development of adaptive models that support the intelligent control of energy behaviors of buildings and components. The term adaptive means that the active building and components should be able to interpret the sensed data (indoor and environmental) and to forecast future states; to evolve its policies as the operating context evolves; to learn from its history and from the end-user interaction so the policies can be adapted to the evolved operating context.

I recenti progressi delle tecnologie ITC hanno profondamente influenzato il concetto di “edificio intelligente”, fornendo nuove prospettive di lavoro e rinnovati scenari operativi. L’ambiente intelligente si avvia ad essere uno spazio abitativo altamente automatizzato in cui l’utilizzo delle nuove tecnologie ICT permette di controllare in maniera ottimale gli ambienti. Ciò deve avvenire tenendo conto - come variabile e non come dato di ingresso - dei requisiti di comfort da rispettare individuati attraverso adeguati modelli simulativi; deve essere assicurata infine la sintonia del controllo con i comportamenti inerziali dei fabbricati. Questa visione è sicuramente lontana dalle attuali pratiche costruttive in cui il controllo dell’edificio è solitamente guidato da meccanismi di feedback omeostatici a breve termine e in cui gli impianti tecnici sono regolati sulla base di set-point predeterminati, non includendo quindi sistemi per il controllo della dinamica dell'ambiente naturale e del comportamento dell'utente finale. Questa prospettiva di ricerca ha sicuramente un ampio ambito di applicazione. Da un lato ciò comporta lo sviluppo di nuovi componenti edilizi attivi, dall'altro lato lo sviluppo di tecnologie ICT applicate ai sistemi domestici consente di comunicare tra loro e con la rete elettrica, permettendo il controllo autonomo e/o remoto del comportamento dell'edificio in modalità adattativa. Inoltre entrambi i sistemi condividono un comune filo conduttore riguardo allo sviluppo di una nuova classe di modelli fisici avanzati dei sistemi costruttivi e dei componenti. Questa tesi riguarda lo sviluppo di un processo di modellazione ingegneristica per lo sviluppo di modelli adattivi che supportino il controllo intelligente dei comportamenti energetici degli edifici e dei componenti. Il termine adattivo significa che l'edificio e i componenti attivi devono essere in grado di interpretare i dati rilevati (ambientali e indoor) e di prevedere gli stati futuri, modificare le loro politiche in funzione dell’evoluzione del contesto operativo, imparando dalla loro storia e dall’interazione con l’utente finale in modo tale da adattare le politiche al mutato contesto operativo.