المجلة الدولية للعلوم والتقنية

International Science and Technology Journal

الرئيسية < البحوث والدراسات < تفاصيل بحث أو دراسة

Hierarchical Model Predictive Control for Energy-Efficient Building Climate Management:A Simulation-Based Evaluation

الملخص
يُعدّ خفض استهلاك الطاقة في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) مع الحفاظ على درجة الحرارة الداخلية ضمن الحدود المقرّرة من المسائل المحورية في إدارة طاقة المباني. تطوّر هذه الورقة مخططًا ثنائي الطبقة للتحكم التنبؤي بالنموذج الهرمي (HMPC) وتقيّمه بالمحاكاة لمنطقة مكتبية إدارية نموذجية مساحتها 100 م² في مدينة الزاوية بليبيا. تعمل الطبقة العليا بفترة اعتيان مدتها ساعة واحدة وأفق تنبؤ مدته 8 ساعات، وتحدّد المسار الأمثل لدرجة الحرارة المرجعية بالموازنة بين تتبّع المرجع وقدرة نظام التكييف ونعومة تغيّر نقطة الضبط، في حين تعمل الطبقة السفلى بفترة اعتيان مدتها 5 دقائق وأفق تنبؤ مدته ساعة واحدة لتنظيم درجة حرارة المنطقة والتنسيق مع هدف القدرة الإشرافي. وتعتمد الطبقتان على نموذج حراري موجّه للتحكم من الدرجة الثانية قائم على شبكة المقاومة والسعة (2R2C)، وقد طابق النموذجُ المتقطّع الناتج بطريقة المسك من الرتبة الصفرية (ZOH) محاكاةً مرجعيةً مستمرةً عالية الدقة بجذر متوسط مربع خطأ (RMSE) بلغ 0.107 °م ومعامل تحديد R² = 0.9998. قورن المتحكم الهرمي بالتحكم التنبؤي أحادي الطبقة وبمتحكم PID تقليدي ضمن أربعة سيناريوهات مدة كلٍّ منها 24 ساعة: ربيع معتدل، وتدفئة شتوية، وتبريد صيفي شديد، وفترة انتقالية خريفية بأحمال داخلية متغيرة. حافظ كلا المتحكمين التنبؤيين على درجة الحرارة الداخلية ضمن النطاق 20–24 °م طوال زمن المحاكاة (100%)، مقابل متوسط امتثال بلغ 76.30% لمتحكم PID. وحقّق التحكم التنبؤي أحادي الطبقة أدقّ تتبّع للمرجع 22 °م (متوسط RMSE بلغ 0.017 °م مقابل 0.345 °م للمتحكم الهرمي)، بينما خفّض المتحكم الهرمي استهلاك الطاقة المحاكى بنسبة 2.6% في المتوسط (2.0–3.9% بحسب السيناريو) بالسماح لدرجة الحرارة بالتغيّر داخل النطاق المسموح. كما تشير أزمنة الحل المتوسطة لمسائل البرمجة التربيعية، البالغة نحو 1.8 مللي ثانية للطبقة العليا و1.2 مللي ثانية للطبقة السفلى، إلى عبء حسابي منخفض. تُبيّن النتائج وجود مفاضلة كمّية بين دقة التتبّع واستهلاك الطاقة، ويبقى التحقق التجريبي باستخدام بيانات مقاسة من مبنى فعلي ضمن الأعمال المستقبلية.................. الكلمات الدالة:................ إدارة طاقة المباني، الامتثال لنطاق درجة الحرارة، التحكم التنبؤي الهرمي، أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، كفاءة الطاقة.
Abstract
Heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) systems must hold the indoor temperature within prescribed limits, and doing so with less energy is a central problem in building energy management. This paper develops a two-layer hierarchical model predictive control (HMPC) scheme and evaluates it in simulation for a representative 100 m² administrative office zone in Az Zawiyah, Libya. The upper-layer MPC, with a 1-h sampling interval and an 8-h horizon, optimizes the indoor temperature reference by weighing reference tracking against HVAC power and setpoint smoothness. Beneath it, a lower-layer MPC with a 5-min sampling interval and a 1-h horizon regulates the zone temperature and is coordinated with the upper layer through a supervisory power target. Both layers share a control-oriented second-order resistance–capacitance (2R2C) thermal model; its zero-order-hold discretization reproduces a high-resolution continuous-time reference simulation with an RMSE of 0.107 °C and R² = 0.9998. We compare the HMPC with single-layer MPC and a conventional PID baseline in four 24-h scenarios: mild spring, winter heating, severe summer cooling and an autumn transition with variable internal gains. Both predictive controllers keep the indoor temperature inside the 20–24 °C band 100% of the time, whereas PID averages 76.30%. Single-layer MPC tracks the 22 °C reference most closely (mean RMSE 0.017 °C versus 0.345 °C for HMPC), but HMPC, by letting the temperature float within the permitted band, uses 2.6% less simulated HVAC energy on average (2.0–3.9% across scenarios). Mean quadratic-programming solution times of about 1.8 ms (upper layer) and 1.2 ms (lower layer) point to a low computational burden. The results quantify a trade-off between tracking precision and energy use; experimental validation with measured building data is left for future work................. Keywords:............... Building energy management, Energy efficiency, Hierarchical model predictive control, HVAC systems, Temperature-band compliance.