Modeliranje vsake zgradbe v Ameriki se začne s Chattanoogo

Modeliranje vsake zgradbe v Ameriki se začne s Chattanoogo
Modeliranje vsake zgradbe v Ameriki se začne s Chattanoogo
Anonim

Zgradbe porabijo 40 odstotkov ameriške primarne energije in 75 odstotkov njene električne energije, kar lahko poskoči na 80 odstotkov, če večina prebivalstva doma uporablja sisteme za ogrevanje ali hlajenje in letni časi dosežejo svoje skrajnosti.

Oddelek za gradbene tehnologije (BTO) ameriškega ministrstva za energijo (DOE), eden od osmih tehnoloških uradov v okviru Urada za energetsko učinkovitost in obnovljivo energijo DOE, si prizadeva zmanjšati porabo energije na kvadratni čevelj ameriških zgradb za 30 odstotkov od leta 2010 do 2030 – velik izziv glede na to, da je Amerika dom 124 milijonov gradbenih struktur.

Hkrati Urad za elektriko (OE) DOE podpira raziskave za učinkovitejše, varnejše in sodobnejše električno omrežje, vključno z raziskavami o načinih nadzora povpraševanja po električni energiji, da bi omrežje ohranilo uravnoteženo in bolj odporno na motnje.

Energijsko modeliranje stavb - računalniška simulacija porabe energije stavbe z opisom stavbe, njenih sistemov, vzorcev uporabe in prevladujočih vremenskih razmer - je analitično orodje, ki ga je mogoče uporabiti za prepoznavanje stroškovno učinkovitih priložnosti za energetsko učinkovitost v obstoječih in novih stavbah. Danes sta zbiranje in organiziranje podatkov, potrebnih za sestavljanje energetskega modela, večinoma ročni procesi. Posledično se modeliranje uporablja le v delčku projektov novogradnje in rekonstrukcije.

Ekipa, ki jo vodi višji uslužbenec za raziskave in razvoj Joshua New v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge (ORNL) pri DOE, želi to spremeniti in še posebej omogočiti stroškovno učinkovito ustvarjanje energetskega modela stavbe za vsako stavbo. v Ameriki. Pristop ORNL temelji na avtomatiziranem pridobivanju parametrov stavb na visoki ravni, kot so tlorisna površina in orientacija iz javno dostopnih virov podatkov, kot so satelitske slike in avtomatizirana kalibracija – uporaba več simulacij za iskanje kombinacije neznanih parametrov stavbe, ki se najbolj ujema z izmerjeno energijo. uporaba. Za prikaz svojega pristopa je ekipa pred kratkim uporabila superračunalnik Cray XK7 Titan iz Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) za modeliranje vsake stavbe, ki jo servisira Electric Power Board (EPB) v Chattanoogi – vseh 178, 368 – in odkrite z več kot 2 milijona simulacij, da bi lahko EPB prihranil 11-35 milijonov USD na leto s prilagajanjem porabe električne energije v kritičnih časih konic.

"Ta vrsta modeliranja je res naslednja raven inteligence v politikah in tehnologijah za varčevanje z energijo," je dejal New.

V projektu EPB, ki ga financirata tako BTO kot OE, se lahko modeli uporabljajo za predlaganje naknadnih vgradnj ali drugih rešitev za varčevanje z energijo, s čimer pomagajo zmanjšati povpraševanje po električni energiji v kritičnih konicah in bolje uravnotežiti delovanje električnega omrežja. Simulacije bi lahko tudi pokazale, kje bi lahko EPB razmislil o dodajanju porazdeljenih energetskih virov, znanih kot mikroomrežja – lokalno locirana proizvodnja električne energije, kot je sončna energija, skupaj s shranjevanjem energije – za nadaljnje izboljšanje odpornosti omrežja.

New in njegovi sodelavci nameravajo dati modele odprto na voljo za pomoč pri zmanjšanju energije, povpraševanja, emisij in stroškov za ameriške domove in podjetja.

Superračunalništvo za energetske rešitve

EPB-jevo 9.000-miljsko optično omrežje služi kot hrbtenica njegovega pametnega omrežja, enega najnaprednejših električnih distribucijskih sistemov v državi. EPB beleži podatke o komunali vsakih 15 minut za vsako stavbo na svojem območju storitve. Partnerstvo EPB-ORNL omogoča raziskovalcem ORNL, da hitro in natančno primerjajo in potrdijo modele stavb s temi podatki iz resničnega sveta. Simulacije tudi pomagajo ORNL izboljšati EnergyPlus, vodilni izdelek za simulacijo celotne zgradbe DOE, v sodelovanju z drugimi nacionalnimi laboratoriji in različnimi izvajalci.

Nedavni projekt se je razvil iz želje EPB, da bi razumel porabo energije in povpraševanje po zgradbah na svojem ozemlju.

"EPB je želel videti, koliko denarja lahko prihranijo svojim strankam, če sprejmejo ukrepe za znižanje povpraševanja po energiji v kritičnih urah," je dejal New.

Prehod na zemeljski plin, pravilno tesnjenje zgradb, dvig ravni izolacije na kodo in uporaba pametnih termostatov za predogrevanje ali predhlajenje domov so nekateri načini za znižanje porabe energije v času največje uporabe. Količinsko opredelitev prihrankov energije na ravni posamezne stavbe in povečanje tega na skoraj 179.000 stavb pa je izziv, ki zahteva visoko zmogljive računalniške vire, kot so tisti v OLCF, uradu DOE za uporabnike urada za znanost, ki se nahaja na ORNL.

"EPB ima 178 368 zgradb in vsak model stavbe zahteva približno 3000 vnosov, " je dejal New. "Če bi želeli vključiti 15-minutni urnik osvetlitve, bi imeli 35, 040 številk samo zato, da bi nam povedali, ali so luči prižgane ali ugasnjene - in to je samo en vnos."

Pri teh številkah traja simulacija ene zgradbe na namiznem računalniku od 2 do 10 minut. Za simulacijo več scenarijev za več sto tisoč zgradb je potreben superračunalnik.

Ekipa ORNL si je prislužila čas na nedavno razgrajenem superračunalniku Titan s pomočjo OLCF-jevega diskrecijskega programa za dodeljevanje pravic in izvedla simulacije vseh zgradb na ozemlju EPB. Ekipa je izvedla devet različnih scenarijev zaslužka, pri čemer je vsak niz simulacij trajal 6,5 ure na Titanu, da bi analiziral, katere spremenljivke stavbe vplivajo na porabo električne energije in s tem stroške za EPB. Ekipa je želela vedeti, kaj bi se zgodilo, če bi za vsako stavbo nadgradili infiltracijo, razsvetljavo ali izolacijo.

S primerjavo rezultatov s 15-minutnimi uporabnimi podatki je ekipa preverila točnost meritev prihranjene in porabljene energije.

"Ne ustvarjamo le teh modelov in izvajamo analize kaj-če na slepo," je dejal New. "Za vsako zgradbo imamo stopnjo napake glede tega, kako natančno se ujemamo s to 15-minutno porabo energije."

Bolje za posel

Leta 2020 namerava EPB namestiti pametne termostate v približno 200 stavbah, da bi potrdili ocene ekipe za simulacijo. Nova strategija, ki jo je treba potrditi, je uporaba zgradb kot "toplotnih baterij."

"Ko črpate energijo v zgradbo, lahko preživite kritično uro, namesto da vklapljate klimatsko napravo v kritičnih konicah," je dejal New. "To znatno zmanjša povpraševanje in bi lahko komunalno podjetje preprečilo, da bi moralo zgraditi novo večmilijonsko postajo."

Zmanjšanje porabe energije in povpraševanja je pomemben cilj za raziskovalce in gospodarske družbe. Namestitev termostata bi lahko bila prvi korak k popolnemu uvajanju programa, je dejal New.

"Na koncu dneva komunalna podjetja želijo, da je energija dejavnik gospodarske produktivnosti," je dejal New. "Naši modeli jim pomagajo doseči ta cilj."

Sorodne publikacije

E. Garrison, J. R. New in M. Adams, "Natančnost surovega pristopa k energetskim modelom urbanih večrazsežnih stavb v primerjavi s 15-minutno porabo električne energije." Nagrada za najboljši doktorski študentski prispevek v zborniku zimske konference ASHRAE, Atlanta, GA, 12.–16. januar 2019.

E. Garrison, J. R. New, in M. Adams, "Zgradbe kot termične baterije: potencial pametnih termostatov in spreminjanje toplotne kapacitivnosti za doseganje vrhov." Zbornik konference IBPSA Building Simulation Conference, Rim, Italija, 2.-4. september 2019.

J. R. New, M. Adams, E. Garrison, W. Copeland, B. Smith in A. Campbell, "Nailing the Peak: City-Scale, Building-Specific Load Factor and Contribution to a Utility's Hour of Critical Generation." Zbornik konference IBPSA Building Simulation Conference, Rim, Italija, 2.-4. september 2019.

Popularna tema