Advanced Control of Room Pressure for HVAC system

Abstract

The management of pressure ratios in buildings has become a topical issue over the last decade. The energy efficiency of buildings has improved as the airtightness of buildings has increased. This has led to the pressure difference problem when there is imbalance between the supply and exhaust air flows in a room. The tighter the building, the greater pressure difference is generated. As a result of improved airtightness, a number of different building-specific methods have been proposed to reduce pressure, such as better sealing of intermediate floors and compartmentalisation of staircase. This thesis will not go into detail on any of the structural solutions. The aim of the work is to examine how the pressure ratios can be controlled with HVAC systems.

In a building, the pressure in a room is changed by the environment. If the temperature of the outside air differs from the temperature of the inside air, a thermal pressure difference is created. The higher the building, the greater the thermal pressure difference is generated. Another factor that affects pressure ratios is wind. Wind creates an overpressure on the surface against which it blows. On the windward side, an underpressure is created. Underpressure is also created on the sides parallel to the wind.

This thesis will look at pressure management from the point of view of two different types of building. The most challenging cases for pressure management are a high-rise building and a multi-purpose building such as a school. In a high-rise building, pressure ratios are mainly affected by the thermal pressure difference due to the height of the building and the pressure caused by the wind. In a multi-purpose building, the challenge is special needs and irregular use of spaces. The most significant source of pressure differential is the additional extraction system such as a kitchen hood, which operates separately from the ventilation system and creates a need for replacement air.

The pressure ratios are controlled using advanced methods that are believed to be better able to cope with this type of challenge than traditional controllers. In this work, the airflow is controlled using an Linear Quadratic Integrating (LQI) controller, an Linear Quadratic Gaussian Integrating (LQGI) controller and an integrating model predictive controller (integrating MPC), which is becoming increasingly common in the HVAC field. Both LQR and MPC involve building a model of the process and using it to calculate control.

The thesis simulates the pressure control with a simulator created in MATLAB Simulink. Temperature - and carbon dioxide control is also examined when simulating a school building. The simulated model is formed using white-box modelling, which is based on the physical phenomena that occur inside and outside the building.

Rakennuksien painesuhteiden hallinta on tullut ajankohtaiseksi, kun rakennuksien energiankulutuksia on haluttu pienentää. Yksi keino tähän on ollut rakennuksien tiiviyden parantaminen. Tiiviyden parantaminen on johtanut ongelmaan, kun huoneiston tulo- ja poistoilmavirrat eivät ole tasapainossa yhdessä ympäröivien taustaolosuhteiden kanssa. Mitä tiiviimpi rakennus on, sitä suurempia paine-eroja huoneistoihin syntyy edellisen ilmiön seurauksena. Tiiviyden parantumisen seurauksena paineiden hallintaan on esitetty useita erilaisia rakennusteknisiä hallintakeinoja, kuten välipohjien tiivistäminen ja rappukäytävien osastoiminen. Tässä diplomityössä ei tulla yksityiskohtaisesti tarkastelmaan mitään rakennusteknisiä ratkaisuja vaan työssä tutkitaan painesuhteiden hallintaa säädön avulla.

Rakennuksessa huoneiston paineita muuttaa ympärisöivät olosuhteet. Jos ulkoilman lämpötila on eri kuin sisäilman, syntyy termistä paine-eroa. Mitä korkeampi rakennus on, sitä suurempi terminen paine-ero on. Toinen painesuhteisiin vaikuttava tekijä on tuuli. Tuuli aiheuttaa ylipainetta sitä vastaan olevaa pintaa kohden. Tuulen suojan puolelle ja tuulen suuntaisesti kulkeville sivuille syntyy sen sijaan alipainetta.

Tässä työssä tarkastellaan paineiden hallintaa kahden eri tyyppisen rakennuksen kannalta. Haastavimmat tapaukset painesuhteiden kannalta ovat korkea tornityyppinen kerrostalo sekä monitoimikäyttöön tarkoitettu rakennus, kuten koulurakennus. Tornitalossa paineiden hallintaan vaikuttaa erityisesti rakennuksen korkeudesta johtuen terminen paine-ero ja tuulesta syntyvä paineero. Monitoimirakennuksessa haasteena on tilojen erikoistarpeet ja epäsäännöllinen käyttö. Merkittävin paine-eron aiheuttaja on lisäpoisto, kuten perinteinen liesituuletin, jonka käyttö aiheuttaa tarpeen korvausilmalle.

Paineiden hallintaa säädetään kehittyneillä menetelmillä, joiden uskotaan kykenevän suoriutumaan paremmin tämän tyyppisestä haasteesta, kuin perinteisten säätimien. Tässä työssä tullaan säätämään ilmavirtauksia käyttäen integroivaa Linear Quadratic (LQI) -säädintä, integroivaa linear Quadratic Gaussian (LQGI) -säädintä sekä integroivaa malliprediktiivistä (integroiva MPC) -säädintä, jonka käyttö on yleistymässä rakennuksissa ja ilmanvaihtolaitteissa. Malliprediktiivinen säädin laskee tulevat ohjaukset käyttäen hyödyksi prosessin mallia, minkä takia sen mallintaminen on pakollista prosessin säätämiseksi. Sekä LQI:n että MPC:n yhteydessä luodaan ohjausten laskemiseen sopiva malli.

Työssä simuloidaan paineensäätöä MATLAB Simulink -ohjelmistolla luodulla simulaattorilla. Lisäksi lämpötilan ja hiilidioksidin säätämistä käytetään koulurakennuksen simuloinnissa. Simulointimalli luodaan rakennuksen sisällä ja ulkopuolella tapahtuvien fysikaalisten ilmiöiden ymmärryksen perusteella.