Equation based modelling for the energy control of underground station systems

This thesis has been developed within the research effort of the Sustainable Energy Management for Underground Station (SEAM4US) FP7 EU project. The project objective was aimed at defining a technological and methodological framework for optimized energy management in public underground spaces, which will be applied to the dynamic control of the energy consumption in Barcelona's Passeig de Gracia subway station. The research conducted within this thesis was aimed at developing a modeling library for the optimal energy control of underground stations, which fulfills most of the SEAM4US project requirements, such as open source, integration with other software for co-simulation, expressivity, accurate energy simulation and scalability of the whole metro network level. Hence, the main outcome of this thesis developed is the SEAM4US Library and the whole-building model for the pilot case of Passeig de Gracia metro station in Barcelona. The SEAM4US library components are derived adapting existing components from open source libraries, developing new components for the missed specific physics. A second outcome concerns the model calibration methodology. The developed SEAM4US library has been validated and calibrated on the measured data. Analytical and empirical validations of the library were made, in order to achieve more accurate results. The analytical validation of the library was achieved by comparing the equations of the aerodynamics of the train and thermodynamics of the buildings within the exact solutions of the main commercial underground software, while for the empirical validation an evidence based methodology supplied with local investigations about critical parameters was made. Results are expressed in terms of ASHRAE 14 Indexes. Finally, this dissertation presents a modeling process engineering that can be used to develop MPC solution using the SEAM4US Library and also presents the four case studies taken into account in order to test the scalability of the library.

Il lavoro di tesi si è svolto all’interno del progetto europeo Sustainable Energy mAnageMent for Underground Stations (SEAM4US), Grant agreement 285408 del 7°FP, finalizzato allo studio del controllo ottimo dei sistemi energetici nelle stazioni metropolitane, che ha previsto la realizzazione di un pilot nella stazione Passeig de Gracia della metropolitana di Barcellona (SP). Il principale obiettivo della ricerca è stato quindi lo sviluppo di una libreria per la modellazione delle dinamiche energetiche e degli impianti che fosse compatibile con i requisiti imposti dai processi di progettazione, calibrazione e installazione di sistemi di controllo intelligente degli impianti energetici nelle stazioni metropolitane. Quindi, il principale risultato di questa tesi è lo sviluppo della libreria SEAM4US e del modello dell'intero caso pilota, la stazione metropolitana Passeig de Gracia a Barcellona. I componenti della libreria SEAM4US si sono ottenuti adattando componenti gia esistenti provenienti da librerie open source e sviluppando dei nuovi componenti specifici per ambienti sotterranei. Un secondo risultato riguarda la metodologia di calibrazione del modello. La libreria SEAM4US sviluppata è stata validata e calibrata su dati misurati. E' stata effettuata una validazione sia analitica che empirica della libreria, in modo da ottenere dei risultati più precisi. La validazione analitica della libreria è stata ottenuta confrontando la fisica dell'aerodinamica del treno e le equazioni termodinamiche dell'edificio con le soluzioni esatte dei maggiori software commerciali per ambienti sotterranei. Mentre la validazione empirica si è basata sulla metodologia evidence based adattandola al caso specifico con investigazioni locali effettuate su alcuni parametri critici. I risultati ottenuti sono stati poi valutati in termini di indici ASHRAE 14. Infine si è affrontato il problema di sviluppare una metodologia di ingegnerizzazione del processo di modellazione per lo sviluppo di sistemi di controllo intelligenti degli impianti energetici delle stazioni metropolitane.