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

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