Contributions to the Study of the Indoor Environment Through Online Monitoring of its Physical Parameters

Abstract

There are several options for improving the energy efficiency of heating, ventilation and cooling systems in buildings, but it is often very difficult to determine which will materialise into the best solution. Despite the increasing necessity that energy consumption be reduced overall, the most important requirement of a building is that of maintaining a comfortable thermal environment and a healthy air quality for its occupants. It is, therefore, essential to quantify through objective measures not only the energy consumed in a building but also the environment that people experience inside that building as they go about their daily routine. This is commonly performed using specialised equipment and expert knowledge on an as-needed basis, either to verify systems’ performance at the building commissioning phase, during mandatory energy audits, or in cases where there are systematic complaints by the building occupants. Nevertheless, a building and its systems, its occupants, and the ever changing outdoor environment constitute an evolving dynamical system that cannot be sufficiently characterised through a short-term assessment that only provides a snapshot in time of its dynamics. There are many advantages to be had in introducing distributed, continuous monitoring of the indoor environment. One immediate advantage is simply making visible objective measures about their indoor environment, and thus contributing towards informing and educating building occupants to make them part of inclusive energy saving solutions. Other advantages are, for instance, the possibility to correlate current conditions to past events, which in turn opens the path to the prediction of extreme conditions, adaptive model identification and energy optimised control of the building systems, while ensuring a healthy and comfortable indoor environment. This continuous monitoring can be implemented with low-cost sensors that are readily available on the market today and have sufficient quality to provide indicative measures of most physical parameters of interest. Several aspects of the implementation of continuous monitoring of the indoor environment are explored in this thesis, and a selection of approaches is contributed towards mitigating some of the difficulties encountered in the development of such monitoring systems.

Existem várias opções para melhorar a eficiência energética dos sistemas de aquecimento, ventilação e refrigeração em edifícios, mas muitas vezes é difícil determinar qual se materializará na melhor solução. Apesar da crescente necessidade de reduzir globalmente o consumo de energia, o requisito mais importante de um edifício é o de manter um ambiente térmico confortável e uma qualidade do ar saudável para os seus ocupantes. É, portanto, essencial quantificar não apenas a energia consumida num edifício mas também o ambiente que as pessoas experimentam dentro desse edifício, à medida que vão realizando sua rotina diária. Esta quantificação é comummente efetuada, apenas quando necessário, utilisando equipamentos e conhecimento especializado, seja para verificar o desempenho dos sistemas técnicos na fase de comissionamento, durante auditorias energéticas, ou nos casos em que há reclamações sistemáticas por parte dos ocupantes. No entanto, um edifício, os seus ocupantes e o ambiente externo em constante mudança, constituem um sistema dinâmico em evolução permanente que não pode ser suficientemente caracterizado por uma avaliação de curto prazo que apenas fornece uma imagem instantânea da sua dinâmica. Há muitas vantagens na introdução da monitorazação distribuída e contínua do ambiente interior. Uma vantagem imediata é simplesmente tornar visíveis dados objetivos sobre o ambiente interior e, desta forma, contribuir para informar e educar os ocupantes e torná-los parte de soluções inclusivas de poupança de energia. Outras vantagens são, por exemplo, a possibilidade de correlacionar condições ambientais atuais com eventos passados, o que abre o caminho para a previsão de condições extremas, identificação adaptativa de modelos e o controlo otimizado dos sistemas técnicos, tendo em vista o menor consumo de energia possível e simultaneamente garantindo um ambiente interior saudável e confortável. Esta monitorização contínua pode ser implementada com sensores de baixo custo que estção hoje em dia disponíveis no mercado, e que têm qualidade suficiente para fornecer medições indicativas da maioria dos parâmetros físicos de interesse. Vários aspectos da implementação da monitorazação contínua do ambiente interior são explorados nesta tese, que contibui com uma seleção de abordagens para mitigar algumas das dificuldades encontradas no desenvolvimento destes sistemas de monitorização.