We study the collective phenomena and constraints associated with the aggregation of individual cooling units from a statistical mechanics perspective. These units are modelled as Thermostatically Controlled Loads (TCLs) and represent zones in a large commercial or residential building. Their energy input is centralized and controlled by a collective unit -- the Air Handling Unit (AHU) -- delivering cool air to all TCLs, thereby coupling them together. Aiming to identify representative qualitative features of the AHU-to-TCL coupling, we build a realistic but also sufficiently simple model and analyze it in two distinct regimes: the Constant Supply Temperature (CST) and the Constant Power Input (CPI) regimes. In both cases, we center our analysis on the relaxation dynamics of individual TCL temperatures to a statistically steady state. We observe that while the dynamics are relatively fast in the CST regime, resulting in all TCLs evolving around the control setpoint, the CPI regime reveals emergence of a \emph{bi-modal probability distribution and two, possibly strongly separated, time scales}. We observe that the two modes in the CPI regime are associated with all TCLs being in the same low and high-temperature states, respectively, with occasional (and therefore possibly rare) collective transition between the modes akin in the Kramer's phenomenon of statistical physics. To the best of our knowledge, this phenomenon was overlooked in the context of the multi-zone energy building engineering, even thought it has direct implications on the operations of centralized cooling systems in buildings. It teaches us that a balance needs to be struck between occupational comfort -- related to variations in the individual temperatures -- and power output predictability -- the main focus of the DR schemes.


翻译:我们从统计机械学的角度来研究与单个冷却单位的整合相关的集体现象和制约因素。 这些单位以温度控制负荷(TCLs)为模型,并代表大型商业或住宅建筑中的区。它们的能源投入由集体单位 -- -- 空气处理股(AHU) -- -- 集中控制和控制,为所有TLLs提供冷空气,从而将它们结合在一起。为了确定AHU-TL组合具有代表性的质量特点,我们建立了一个现实的但又足够简单的模型,并在两个不同的制度中分析这些模型:常温供应温度(CST)和恒定电源输入(CPI)制度。在这两种情况下,我们把对单个TCL温度的放松动态的分析集中在统计稳定状态上。我们观察到,虽然科技委员会体制中的动态相对较快,导致所有TLLLL(TL)在控制设置点周围演化,但CLI制度显示出现了一种有代表性的双向模式的概率分布和两种可能非常简单的模型。 我们观察到,CLI(CS)制度中的两种模式与所有罕见电流温度变化的动态动态都与整个轨道的周期中,因此是高、高、高和高水平的统计模式之间。

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