La modellazione di ogni edificio in America inizia con Chattanooga

Gli edifici usano il 40 percento dell’energia primaria americana e il 75 percento della sua elettricità, che può salire all’80 percento quando la maggioranza della popolazione è a casa con sistemi di riscaldamento o raffreddamento e le stagioni raggiungono i loro estremi.

Il Building Technologies Office (BTO) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), uno degli otto uffici tecnologici all’interno dell’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy del DOE, mira a ridurre il consumo energetico per piede quadrato degli edifici americani del 30 percento dal 2010 al 2030攁 una sfida enorme considerando che l’America ospita 124 milioni di strutture edilizie.

Allo stesso tempo, l’Office of Electricity (OE) del DOE sostiene la ricerca per una rete elettrica più efficiente, sicura e moderna, compresa la ricerca sui modi per controllare la domanda di elettricità per mantenere la rete equilibrata e più resistente alle interruzioni.

La modellazione energetica degli edifici (simulazione computerizzata del consumo energetico degli edifici con una descrizione dell’edificio, dei suoi sistemi, dei modelli di utilizzo e delle condizioni meteorologiche prevalenti) è uno strumento analitico che può essere utilizzato per identificare opportunità di efficienza energetica economicamente vantaggiose negli edifici esistenti e nuovi. Oggi, la raccolta e l’organizzazione dei dati necessari per mettere insieme un modello energetico sono processi in gran parte manuali. Di conseguenza, la modellazione viene utilizzata solo in una frazione dei progetti di nuova costruzione e retrofit.

Un team guidato da Joshua New, membro senior dello staff di ricerca e sviluppo presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del DOE, sta cercando di cambiare questa situazione e in particolare di rendere possibile la creazione a costi contenuti di un modello energetico dell’edificio per ogni edificio in America. L’approccio ORNL si basa sull’estrazione automatizzata di parametri dell’edificio di alto livello come l’area del pavimento e l’orientamento da fonti di dati disponibili pubblicamente come immagini satellitari e calibrazione automatizzata, l’uso di più simulazioni per trovare la combinazione di parametri dell’edificio sconosciuti che corrisponde maggiormente all’energia misurata utilizzo. Per dimostrare il loro approccio, il team ha recentemente utilizzato il supercomputer Cray XK7 Titan dell’Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) per modellare ogni edificio servito dall’Electric Power Board (EPB) di Chattanooga. simulazioni che EPB potrebbe potenzialmente risparmiare $ 11- $ 35 milioni all’anno regolando l’utilizzo di elettricità durante i periodi critici di punta.

“Questo tipo di modellazione è davvero il livello successivo di intelligenza nelle politiche e nelle tecnologie di risparmio energetico”, ha affermato New.

Nel progetto EPB, finanziato sia da BTO che da OE, i modelli possono essere utilizzati per suggerire retrofit o altre soluzioni per risparmiare energia, aiutando così a ridurre la domanda di elettricità durante le ore critiche di punta ea bilanciare meglio le operazioni della rete elettrica. Le simulazioni potrebbero anche indicare dove EPB potrebbe considerare l’aggiunta di risorse energetiche distribuite note come microgrid (generazione di energia localizzata localmente come il solare, insieme allo stoccaggio di energia) per migliorare ulteriormente la resilienza della rete.

New ei suoi colleghi intendono rendere i modelli apertamente disponibili per aiutare a ridurre l’energia, la domanda, le emissioni e i costi per le case e le imprese americane.

Supercalcolo per soluzioni energetiche

La rete in fibra ottica di 9.000 miglia di EPB funge da spina dorsale per la sua Smart Grid, uno dei sistemi di distribuzione elettrica più avanzati della nazione. EPB registra i dati delle utenze ogni 15 minuti per ogni edificio nel suo territorio di servizio. La partnership EPB-ORNL consente ai ricercatori ORNL di confrontare e convalidare rapidamente e accuratamente i modelli di costruzione con questi dati del mondo reale. Le simulazioni aiutano anche ORNL a migliorare EnergyPlus, il prodotto di punta del DOE per la simulazione di interi edifici, in collaborazione con altri laboratori nazionali e vari appaltatori.

Il recente progetto è nato dall’entusiasmo di EPB di comprendere l’utilizzo e la domanda di energia per gli edifici nel suo territorio.

“EPB voleva vedere quanti soldi potevano risparmiare ai propri clienti adottando misure per ridurre la domanda di energia durante le ore critiche di punta”, ha affermato New.

Passare al gas naturale, sigillare correttamente gli edifici, portare i livelli di isolamento a norma e utilizzare termostati intelligenti per preriscaldare o preraffreddare le case sono alcuni modi per ridurre la domanda di energia durante i periodi di massimo utilizzo. Quantificare il risparmio energetico a livello di edificio e scalarlo fino a quasi 179.000 edifici, tuttavia, è una sfida che richiede risorse di calcolo ad alte prestazioni come quelle dell’OLCF, una struttura per gli utenti dell’Office of Science del DOE situata presso l’ORNL.

“EPB ha 178.368 edifici e ogni modello di edificio richiede circa 3.000 input”, ha affermato New. “Se volessimo includere un programma di illuminazione di 15 minuti, avremmo 35.040 numeri solo per dirci se le luci sono accese o spente, e questo è solo un input”.

A questi numeri, la simulazione di un edificio su un computer desktop richiede dai 2 ai 10 minuti. La simulazione di più scenari per centinaia di migliaia di edifici richiede un supercomputer.

Il team ORNL ha guadagnato tempo sul supercomputer Titan recentemente dismesso attraverso il programma di allocazione discrezionale del direttore dell’OLCF e ha eseguito simulazioni di tutti gli edifici nel territorio di EPB. Il team ha eseguito nove diversi scenari di monetizzazione, con ciascuna serie di simulazioni della durata di 6,5 ore su Titano, per analizzare quali variabili dell’edificio influiscono sull’uso elettrico e quindi sui costi per EPB. Il team voleva sapere cosa sarebbe successo se l’infiltrazione, l’illuminazione o l’isolamento fossero stati aggiornati per ogni edificio.

Confrontando i risultati con i dati delle utenze di 15 minuti, il team ha verificato l’accuratezza delle misurazioni dell’energia risparmiata e spesa.

“Non stiamo solo creando questi modelli e facendo analisi what-if alla cieca”, ha detto New. “Abbiamo un tasso di errore per ogni edificio su quanto siamo vicini al consumo energetico di 15 minuti”.

Meglio per gli affari

Nel 2020 EPB prevede di installare termostati intelligenti in circa 200 edifici per convalidare le stime di simulazione del team. Una strategia che deve essere convalidata, ha detto New, è l’uso degli edifici come “batterie termiche”.

“Quando si pompa l’energia in un edificio, è possibile attraversare l’ora critica invece di accendere l’aria condizionata durante le ore critiche di punta”, ha detto New. “Ciò riduce significativamente la domanda e potrebbe impedire a una società di servizi pubblici di dover costruire una nuova sottostazione multimilionaria”.

Ridurre il consumo e la domanda di energia è un obiettivo importante per i ricercatori e per i servizi pubblici. L’installazione del termostato potrebbe essere il primo passo per un’implementazione completa del programma, ha affermato New.

“Alla fine della giornata, i servizi pubblici vogliono che l’energia sia un fattore di produttività economica”, ha detto New. “I nostri modelli li stanno aiutando a raggiungere questo obiettivo.”