Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section d'architecture, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire d'énergie solaire et physique du bâtiment LESO-PB)

Using genetic algorithms to take into account user wishes in an advanced building control system

Guillemin, Antoine ; Scartezzini, Jean-Louis (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2778.

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    Summary
    From a sustainable development perspective, the newly developed automatic controllers for building services are very promising in that they increase energy efficiency and reduce commissioning and maintenance costs. But a major problem has appeared as the automatic building control systems have been implemented: the user rejection of this kind of system is quite high. This is mainly due to a lack of user considerations in the controllers. An integrated blind, electric lighting and heating control system that adapts to user wishes on a long-term basis has been developed in this work to deal with this issue. The adaptation of the control system to user wishes was achieved by means of Genetic Algorithms. They have been seen to be the most appropriate optimization method for this task. They ensure a 100% convergence whereas standard search methods such as Gauss-Newton and Nelder-Mead converge in less than 25% of the time and Simulated Annealing method converges in about 75% of the time. In addition, simulations with a consistent virtual user have shown that the user adaptive controller is capable of anticipation. Nine months of experimental tests were carried out in 14 office rooms of the LESO building with a total of 23 users concerned. Three controllers were compared: a manual control system, an automatic controller without user adaptation and an automatic controller with user adaptation. Tests were conducted in a similar fashion as clinical randomized trials are carried out: control systems are randomly attributed to rooms and users do not know which system they have (single-blind study). Results show that the automatic control rejection percentage is greatly reduced with the user adaptive system. Indeed, after four weeks with an automatic control, 25% of the users with the non-adaptive system reject the automatic control, whereas only 5% of the users with the user adaptive system reject it. These percentages depend neither on age or gender of the user, nor on the number of occupants in a room. Moreover, the energy savings due to automatic control (26% compared to a manual system) are not reduced by the user adaptation. These large energy savings are mainly due to the predictive feature of the heating controller and to the efficient control of electric lighting. In addition, indoor comfort is slightly improved by the automatic controllers for both thermal and visual aspects. The indoor comfort is even slightly more improved by the user adaptive control compared to the non-adaptive one. The user adaptation has not converged properly in the mechanical workshop, a space used by several persons and also considered in the experiments. It has been concluded that user adaptive systems are probably not appropriate for places with irregular users, such as workshops, libraries, corridors and all public spaces.
    Résumé
    Dans une perspective de développement durable, les récents progrès réalisés dans les systèmes de régulation des installations techniques du bâtiment permettent d'envisager, aujourd'hui, d'importantes réductions de consommation d'énergie ainsi que des coûts de mise en service et de maintenance. Malheureusement, le défaut des systèmes actuels est qu'ils ne tiennent pas compte, à long terme, des voeux des utilisateurs. Ainsi, les systèmes de contrôle sont souvent rejetés par ces derniers, les nombreux avantages de la régulation automatique étant ainsi perdus. Dans ce travail, un système de contrôle intégrant les stores, la lumière artificielle et le chauffage et s'adaptant aux voeux des usagers a été développé, en vue de remédier à ces difficultés. L'adaptation a été réalisée en utilisant des Algorithmes Génétiques. Cette méthode d'optimisation s'est révélée être plus performante que les méthodes standards, comme les algorithmes de Gauss-Newton et Nelder-Mead et le recuit simulé. Alors que la convergence vers une solution satisfaisante est assurée pleinement par les Algorithmes Génétiques, les méthodes standards n'ont convergé que dans 25% des cas et le recuit simulé dans 75% des cas. De plus, une simulation avec un usager virtuel a mis en évidence une propriété d'anticipation du système adaptatif. Une validation expérimentale a été menée dans 14 locaux de bureau du bâtiment LESO et a concerné 23 utilisateurs au total. Trois différents systèmes de régulation ont été comparés: un contrôle manuel et deux contrôles automatiques, l'un avec adaptation à l'utilisateur et l'autre sans. Une attribution aléatoire des systèmes par pièce ainsi qu'une procédure simple-aveugle ont garanti des résultats non biaisés. Les résultats obtenus démontrent que l'adaptation à l'utilisateur permet de réduire fortement le rejet du système de contrôle automatique. Après quatre semaines, 25% des occupants munis d'un système non adaptatif le rejettent, alors que ce pourcentage n'est que de 5% pour les occupants bénéficiant d'un système adaptatif. Ces résultats ne dépendent ni de l'âge ou du sexe de l'utilisateur, ni du nombre d'occupants dans la pièce. De plus, les économies d'énergie obtenues grâce au contrôle automatique (26% par rapport au système manuel) ne sont pas réduites par l'adaptation à l'utilisateur. Ces économies d'énergie sont principalement dues à l'aspect prédictif du contrôleur de chauffage, ainsi qu'à la gestion plus efficace de la lumière artificielle. D'autre part, le confort thermique et visuel a été amélioré par les dispositifs de régulation automatique, en particulier par le système adaptatif, en comparaison avec le système manuel. Enfin, il a été observé que l'adaptation à l'utilisateur a échoué dans l'atelier du LESO, un local particulier avec de nombreux usagers différents. Il apparaît donc que les systèmes adaptatifs à l'utilisateur ont vraisemblablement moins d'intérêt pour des espaces occupés de manière irrégulière, comme par exemple, des ateliers, bibliothèques, couloirs et en général tous les espaces publics.