Sustainable design and control of a multi-sourced radiant heating system: Non-linear optimization under thermal comfort constraints
Notice bibliographique
Résumé
• A non-linear optimizer is developed for a tri-source radiant floor heating system. • Thermal comfort constraints are applied to the system with two forms of storage. • The system achieves lifecycle costs of 420.7 k CAD and an average PMV of −0.12. • The LCOH of the system (0.143 CAD/kWh) is below those of gas and coal systems. • Lifecycle emissions (330.2 tons) are 47% lower than those of the gas-only system. The demand for energy-efficient heating solutions in buildings is increasing consistently, necessitating tools to determine the system’s optimal design and operation, while ensuring occupant comfort. This study develops a novel thermal comfort-constrained capacity-operation optimization framework for a multi-source (solar collectors, a biomass boiler, and a gas boiler) radiant floor heating system, addressing the limitations of existing literature that typically focus on non-linear optimization of single-source systems. The system incorporates two forms of thermal storage, namely a water tank and a thermally active floor slab, which magnifies the system’s non-linearities. Hence, a non-linear interior-point optimization algorithm (Ipopt) is implemented in MATLAB® to minimize lifecycle costs (LCC). Unlike conventional approaches, the developed optimization framework has three novel features: i) it captures the dynamics and complex interactions between heat generation, storage, and consumption components, ii) it constrains temperature levels to ensure energy quality while simultaneously solving thermal comfort equations at each time step, accounting for the dynamic response of the building in subsequent steps, and iii) it balances various operational and sizing decision variables, capturing the bi-directional impacts of optimal system capacity and management. The results reveal that the tri-source system achieves an LCC of approximately 0.42 mil. CAD (Canadian dollars), equivalent to 0.3 mil. USD, and a competitive levelized cost of heat (LCOH) of 0.143 CAD kWh −1 (0.1 USD kWh −1 ), maintaining a stable operative temperature between 19 °C and 25 °C, with an average predictive mean vote (PMV) of −0.12, and total lifecycle CO 2 emissions of 330.15 tons. Comparative analyses with simpler design variations indicate that the gas-only system incurs the lowest LCC at 0.302 mil. CAD (0.21 mil. USD), yet its emissions are nearly twice those of the tri-source system. Among renewable options, the solar-biomass system offers the best balance of economic (LCC of 0.506 mil. CAD or 0.36 mil. USD), environmental (110.9 tons of CO 2 ), and comfort metrics (mean PMV of −0.12).
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».