دانشکده مهندسی صنایع

بهینه‌سازی مصرف انرژی در خانه‌های هوشمند با استفاده از رویکرد برنامه‌ریزی ریاضی

پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

در رشته مهندسی صنایع گرایش سیستم‌های اقتصادی اجتماعی

استاد راهنما:دکتر حامد شکوری

استاد مشاور: دکتر حاج علی بزرگی

شهریورماه    1391

چکیده

امروزه مدیریت مصرف انرژی در کانون توجه دولتمردان در سراسر جهان قرار گرفته است. مصرف بالای انرژی در ساختمان‌های مسکونی یکی از عمده‌ترین دلایل مصرف بی‌رویه انرژی است که هزینه‌های بالایی را در بلندمدت برای مصرف‌کنندگان و نیز در سطح ملی به دنبال دارد. از اینرو در این پژوهش سعی شده است که با اصلاح الگوی مصرف و ارائه یک برنامه پیشنهادی، مصرف‌کننده بتواند ضمن حفظ رفاه خود از تاثیرات مثبت اقتصادی نیز بهره ببرد.

در این پژوهش ابتدا پیشینه‌ای از بهینه‌سازی مصرف انرژی در مقالات و تحقیقات موجود ارائه و سپس یک مدلسازی از دستگاه‌های خانگی مطرح شده است. در ادامه این پژوهش، در یک مطالعه موردی، فهرستی از دستگاه‌های مورد استفاده توسط یک مصرف‌کننده داوطلب دریافت شده و مدل برای آن به اجرا درآمده است. سه سناریوی مختلف به عنوان اهداف این پژوهش بررسی و با هم مقایسه شده اند. این سه سناریو شامل موارد زیر است:

• سناریوی 1: می‌نیمم‌سازی پیک انرژی مصرفی (مدیریت اضافه‌بار)
• سناریوی 2: می‌نیمم‌سازی هزینه انرژی مصرفی
• سناریوی 3: تلفیق سناریوهای 1و2

بررسی همزمان هر دو سناریوی 1و2 در سناریوی 3، این پژوهش را از سایر پژوهش‌های مرتبط متمایز می‌کند، زیرا در کارهای مرتبط پیشین معمولا یکی از اهداف مورد بررسی در سناریوهای 1 و 2، مورد بحث قرار گرفته‌اند. در پایان این پژوهش سعی شده است با بررسی نمودارهای توزیع انرژی دستگاه‌های خانگی و مقایسه سناریوهای مطرح شده، بهترین برنامه زمان‌بندی برای بارها ارائه شود که بطور همزمان هم پیک انرژی مصرفی را می‌نیمم کند و هم به می‌نیمم‌سازی هزینه برق مصرفی منجر شود.

واژه های کلیدی: مدیریت مصرف انرژی، بهینه‌سازی مصرف انرژی، خانه‌های هوشمند، اتوماسیون ساختمان

فهرست مطالب

فصل1مقدمه  7

1-1.مقدمه 8

1-2.ساختمانهوشمندچیست؟ 8

1-2-1. سیستم‌هایمدیریتواتوماسیونساختمان. 9

1-2-2. تعاملبینساکنانوساختمانهوشمند 9

1-2-3. سیستم‌هایمدرنمدیرتساختمان. 10

1-3.نگاهاینپژوهش.. 10

1-3-1. شبکههوشمند 11

1-3-2. تکنیکپاسخبهتقاضا (DR) 12

1-3-3. انواعبرنامه‌هایپاسخبهتقاضا (DR) 12

1-3-4. تعاملبینمصرف‌کنندهوبرنامه‌هایپاسخبهتقاضا (DR) 13

1-3-5. مقایساتیبیناینپژوهشوپژوهش‌هایانجامشده 14

1-4.فصل‌بندی. 16

فصل2مروریبرمنابعمطالعاتی  18

2-1.مقدمه 19

2-2.مسألهتغییرزمانبار. 19

2-2-1. سیستممدیریتمصرفانرژیدرخانه‌هایمسکونی. 20

2-2-1-1. ارائهمسألهبرنامه‌ریزی. 21

2-2-1-2. استخراجاطلاعاتبارهایخانگی. 21

2-3.رویکردیازتغییرزمانبارها 22

2-3-1. اعمالفرضیاتگوناگون. 23

2-4.مدیریتطرفتقاضا (DSM) 23

2-5.رویکردDSMدراینپژوهش.. 24

2-6.بررسیتفصیلیاولینپژوهشمرتبط. 25

2-6-1. چارچوبمدل. 25

2-6-1-1. فازهایکاری. 26

2-6-1-2. مقایسهپژوهشموردمطالعهبااینپژوهش.. 26

2-6-2. فرمول‌بندیمدل. 26

2-6-3. انتقاداتیبرپژوهشموردمطالعه 29

2-7.بررسیتفصیلیدومینپژوهشمرتبط. 30

2-7-1. سناریوی 1: مدیریتاضافه‌باردرحوزهخانه 30

2-7-2. سناریوی 2: بهینه‌سازیصرفه‌جوییاقتصادی. 30

2-7-3. سناریوی3: مدیریتطرفتقاضا (DSM) 31

2-7-4. چارچوبمدل. 32

2-7-4-1. معماریسیستم 32

2-7-4-2. مدلسازیبارهایخانگی. 34

2-7-4-3. مدلسازیانرژیمصرفیدستگاه‌ها 35

2-7-5. فرمول‌بندیمسألهکنترلرهوشمندخانگی. 37

2-7-5-1. تعاملبینمصرف‌کنندهودستگاه‌هایهوشمندخانگی. 37

2-7-5-2. رفتارSHCدربرابرسیگنال‌هایDSM.. 39

2-7-5-3. ارائهمدلریاضیازMدستگاهخانگی. 40

2-7-5-4. مسألهبرنامه‌ریزیSHC. 42

2-7-5-5. حلمسألهبرنامه‌ریزیSHC. 43

فصل3مدل‌پیشنهادیکنترلرهوشمند 47

3-1.دیاگرامکلیمسأله 48

3-1-1. دیاگرامسیستممدیریتبارهایخانگی. 48

3-1-2. تقسیم‌بندیبارهایخانگی. 49

3-1-3. توسعهسیستممدیریتبار. 50

3-1-4. نیازمندی‌هایارتباطیسیستم (پروتکلارتباطیزیگبی) 51

3-2.تشریحمسألهوفرضیات.. 52

3-2-1. ادبیاتمدل. 52

3-2-2. فرموله‌سازیواعمالفرضیات.. 53

فصل4الگوریتمحلمسألهبرنامه‌ریزی   59

4-1.مقدمه 60

4-2.برنامه‌ریزیخطیعددصحیحمختلط. 60

4-3.برنامه‌ریزیآرمانی. 63

فصل5مطالعهموردیوتفسیرنتایج  66

5-1.مقدمه 67

5-2.دریافتاطلاعاتازمصرف‌کننده 68

5-3.مدلسازیدستگاه‌هایخانگیدرمطالعهموردی. 70

5-4.بررسیسناریوهایمختلف.. 78

5-4-1. سناریوی 1: می‌نیمم‌سازیپیکانرژیمصرفی. 79

5-4-1-1. نمودارتوزیعانرژیدستگاه‌هایخانگی. 79

5-4-1-2. بررسیکلانرژیمصرفی. 85

5-4-1-3. بررسیهزینهکلانرژیمصرفی. 87

5-4-2. سناریوی 2: می‌نیمم‌سازیهزینهانرژیمصرفی. 89

5-4-2-1. نمودارتوزیعانرژیدستگاه‌هایخانگی. 90

5-4-2-2. بررسیکلانرژیمصرفی. 96

5-4-2-3. بررسیهزینهکلانرژیمصرفی. 98

5-4-3. سناریو 3: تلفیقسناریوهای 1و2. 100

5-4-3-1. بررسیکلانرژیمصرفی. 100

5-4-3-2. بررسیهزینهکلانرژیمصرفی. 102

فصل6نتیجه‌گیریوپیشنهادات   104

فهرست اشکال

فصل1مقدمه  7

شکل1-1.بخش‌هایمختلفیکساختمانهوشمند 10

فصل2مروریبرمنابعمطالعاتی  18

شکل2-1.تعرفهقیمتانرژیالکتریکیبرایشهرنیویورک، 15 ماهفوریه 2011 (NYISO) 24

شکل2-2.معماریسیستم 33

شکل2-3.تعاملبینمصرف‌کنندهودستگاه 38

شکل2-4.منطقکارکردسیستمکنترلرهوشمند 39

فصل3مدل‌پیشنهادیکنترلرهوشمند 47

شکل3-1.دیاگرامسیستممدیریتبار. 48

شکل3-2.تقسیم‌بندیبارهایخانگی. 50

فصل4الگوریتمحلمسألهبرنامه‌ریزی   59

فصل5مطالعهموردیوتفسیرنتایج  66

شکل5-1.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 1 (تهویهمطبوع) 79

شکل5-2.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 2 (یخچال) 79

شکل5-3.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 3 (اجاقبرقی) 80

شکل5-4.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 4 (سیستمصوتیتصویری) 81

شکل5-5.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 5 (اتومبیلشارژی) 81

شکل5-6.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 6 (پمپآبی) 82

شکل5-7.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 7 (ماشینلباسشویی) 83

شکل5-8.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 8 (ماشینظرفشویی) 84

شکل5-9.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 9 (اتویبرقی) 84

شکل5-10.نمودارتوزیعانرژی 9 دستگاهدریکشکل. 86

شکل5-11.کلمصرفانرژیالکتریکیدرساعاتشبانه‌روز. 86

شکل5-12.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 5 (اتومبیلشارژی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 90

شکل5-13.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 5 (اتومبیلشارژی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 90

شکل5-14.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 6 (پمپآبی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 92

شکل5-15.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 6 (پمپآبی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 92

شکل5-16.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 7 (ماشینلباسشویی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 93

شکل5-17.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 7 (ماشینلباسشویی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 93

شکل5-18.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 8 (ماشینظرفشویی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 94

شکل5-19.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 8 (ماشینظرفشویی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 94

شکل5-20.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 9 (اتویبرقی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 95

شکل5-21.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 9 (اتویبرقی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 95

شکل5-22.نمودارتوزیعانرژی 9 دستگاهدریکشکلبرایپیک 5/2 کیلوواتساعت.. 96

شکل5-23.کلمصرفانرژیالکتریکیدرساعاتشبانه‌روزبرایپیک 5/2 کیلوواتساعت.. 96

شکل5-24.نمودارتوزیعانرژی 9 دستگاهدریکشکلبرایپیک 5 کیلوواتساعت.. 97

شکل5-25.کلمصرفانرژیالکتریکیدرساعاتشبانه‌روزبرایپیک 5/2 کیلوواتساعت.. 97

شکل5-26.نمودارتوزیعانرژی 9 دستگاهدریکشکلتلفیقسناریو 1و2. 101

شکل5-27.نمودارکلمصرفانرژیالکتریکیدرساعاتشبانه‌روزتلفیقسناریو 1و2. 101

فصل6نتیجه‌گیریوپیشنهادات   104

فهرست جداول

فصل1مقدمه  7

فصل2مروریبرمنابعمطالعاتی  18

جدول2-1.معرفیپارامترهایمدل. 40

فصل3مدل‌پیشنهادیکنترلرهوشمند 47

جدول3-1.جدولتعرفهمتغیربازمانبرایانرژیالکتریکی. 56

فصل4الگوریتمحلمسألهبرنامه‌ریزی   59

فصل5مطالعهموردیوتفسیرنتایج  66

جدول5-1.جدولترجیحاتمصرف‌کنندهومشخصاتدستگاه‌ها 69

جدول5-2.تعرفهقیمتبرقدرساعاتشبانه‌روز. 88

فصل6نتیجه‌گیریوپیشنهادات  

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.