Due to their high energy intensity, buildings play a major role in the current worldwide energy transition. Building models are ubiquitous since they are needed at each stage of the life of buildings, i.e. for design, retrofitting, and control operations. Classical white-box models, based on physical equations, are bound to follow the laws of physics but the specific design of their underlying structure might hinder their expressiveness and hence their accuracy. On the other hand, black-box models are better suited to capture nonlinear building dynamics and thus can often achieve better accuracy, but they require a lot of data and might not follow the laws of physics, a problem that is particularly common for neural network (NN) models. To counter this known generalization issue, physics-informed NNs have recently been introduced, where researchers introduce prior knowledge in the structure of NNs to ground them in known underlying physical laws and avoid classical NN generalization issues. In this work, we present a novel physics-informed NN architecture, dubbed Physically Consistent NN (PCNN), which only requires past operational data and no engineering overhead, including prior knowledge in a linear module running in parallel to a classical NN. We formally prove that such networks are physically consistent - by design and even on unseen data - with respect to different control inputs and temperatures outside and in neighboring zones. We demonstrate their performance on a case study, where the PCNN attains an accuracy up to 40% better than a classical physics-based resistance-capacitance model on 3-day long prediction horizons. Furthermore, despite their constrained structure, PCNNs attain similar performance to classical NNs on the validation data, overfitting the training data less and retaining high expressiveness to tackle the generalization issue.


翻译:建筑模型无处不在,因为它们在建筑生命的每个阶段都需要这些模型,即设计、改装和控制操作。基于物理方程式的经典白箱模型必定会遵循物理定律,但其基本结构的具体设计可能妨碍其表达性,从而妨碍其准确性。另一方面,黑箱模型更适合捕捉非线性建筑动态,因此往往可以达到更高的准确性,但它们需要大量数据,而且可能不符合物理定律,这是神经网络模型中特别常见的一个问题。为了应对这一已知的普遍化问题,最近引入了了解物理方程式的物理方程式模型,研究人员先前在非线性能结构中引入了知识,将其置于已知的基本物理定律中,从而避免了典型的NNG通用问题。在这项工作中,我们展示了一个基于物理学的新型非线性能总结构,在正常性能上可以实现更精确的NNNN(PC NN),这只需要以往的操作数据,而没有遵循物理性能更精确性能,包括以前对NF的运行模型进行更精确性能测试,在运行中,在常规性模型中,在运行中要显示一种不同的实体性数据中要降低。

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