Intelligent knowledge discovery on building energy and indoor climate data

A future vision of enabling technologies for the needs of energy conservation as well as energy efficiency based on the most important megatrends identified, namely climate change, urbanization, and digitalization. In the United States and in the European Union, about 40% of total energy consumption goes into energy use by buildings. Moreover, indoor climate quality is recognized as a distinct health hazard. On account of these two factors, energy efficiency and healthy housing are active topics in international research. The main aims of this thesis are to study which elements affect indoor climate quality, how energy consumption describes building energy efficiency and to analyse the measured data using intelligent computational methods. The data acquisition technology used in the studies relies heavily on smart metering technologies based on Building Automation Systems (BAS), big data and the Internet of Things (IoT). The data refining process presented and used is called Knowledge Discovery in Databases (KDD). It contains methods for data acquisition, pre-processing, data mining, visualisation and interpretation of results, and transformation into knowledge and new information for end users. In this thesis, four examples of data analysis and knowledge deployment concerning small houses and school buildings are presented. The results of the case studies show that the data mining methods used in building energy efficiency and indoor climate quality analysis have a great potential for processing a large amount of multivariate data effectively. An innovative use of computational methods provides a good basis for researching and developing new information services. In the KDD process, researchers should co-operate with end users, such as building management and maintenance personnel as well as residents, to achieve better analysis results, easier interpretation and correct conclusions for exploiting the knowledge.
Tiivistelmä Tulevaisuuden visio energiansäästön sekä energiatehokkuuden mahdollistavista teknologioista pohjautuu tärkeimpiin tunnistettuihin megatrendeihin, ilmastonmuutokseen, kaupungistumiseen ja digitalisoitumiseen. Yhdysvalloissa ja Euroopan unionissa käytetään noin 40 % kokonaisenergiankulutuksesta rakennusten käytön energiatarpeeseen. Myös rakennusten sisäilmaston on havaittu olevan ilmeinen terveysriski. Perustuen kahteen edellä mainittuun tekijään, energiatehokkuus ja asumisterveys ovat aktiivisia tutkimusaiheita kansainvälisessä tutkimuksessa. Tämän väitöskirjan päätavoitteena on ollut tutkia, mitkä elementit vaikuttavat sisäilmastoon ja rakennusten energiatehokkuuteen pääasiassa analysoimalla mittausdataa käyttäen älykkäitä laskennallisia menetelmiä. Tutkimuksissa käytetyt tiedonkeruuteknologiat perustuvat etäluentaan ja rakennusautomaatioon, big datan hyödyntämiseen ja esineiden internetiin (IoT). Väitöskirjassa esiteltävä tietämyksen muodostusprosessi (KDD) koostuu tiedonkeruusta,datan esikäsittelystä, tiedonlouhinnasta, visualisoinnista ja tutkimustulosten tulkinnasta sekä tietämyksen muodostamisesta ja oleellisen informaation esittämisestä loppukäyttäjille. Tässä väitöstutkimuksessa esitellään neljän data-analyysin ja niiden pohjalta muodostetun tietämyksen hyödyntämisen esimerkkiä, jotka liittyvät pientaloihin ja koulurakennuksiin. Esimerkkitapausten tulokset osoittavat, että käytetyillä tiedonlouhinnan menetelmillä sovellettuna rakennusten energiatehokkuus- ja sisäilmastoanalyyseihin on mahdollista jalostaa suuria monimuuttuja-aineistoja tehokkaasti. Laskennallisten menetelmien innovatiivinen käyttö antaa hyvät perusteet tutkia ja kehittää uusia informaatiopalveluja. Tutkijoiden tulee tehdä yhteistyötä loppukäyttäjinä toimivien kiinteistöhallinnan ja -ylläpidon henkilöstön sekä asukkaiden kanssa saavuttaakseen parempia analyysituloksia, helpompaa tulosten tulkintaa ja oikeita johtopäätöksiä tietämyksen hyödyntämiseksi.