Gebouwen gebruiken 40 procent van Amerika's primaire energie en 75 procent van zijn elektriciteit, die kan oplopen tot 80 procent wanneer een meerderheid van de bevolking thuis is en verwarmings- of koelsystemen gebruikt en de seizoenen hun extremen bereiken.

Het Building Technologies Office (BTO) van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), een van de acht technologiekantoren binnen DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, heeft tot doel het energieverbruik per vierkante meter van Amerikaanse gebouwen met 30 procent te verminderen van 2010 tot 2030 - een enorme uitdaging gezien het feit dat Amerika de thuisbasis is van 124 miljoen bouwconstructies.

Tegelijkertijd, DOE's Office of Electricity (OE) ondersteunt onderzoek voor een efficiëntere, zeker, en modern elektriciteitsnet, inclusief onderzoek naar manieren om de vraag naar elektriciteit te beheersen om het net in evenwicht te houden en beter bestand te maken tegen verstoringen.

Energiemodellering van gebouwen - computersimulatie van het energieverbruik van gebouwen met een beschrijving van het gebouw, zijn systemen, gebruik patronen, en de heersende weersomstandigheden - is een analytisch hulpmiddel dat kan worden gebruikt om kosteneffectieve mogelijkheden voor energie-efficiëntie in bestaande en nieuwe gebouwen te identificeren. Vandaag, het verzamelen en ordenen van de gegevens die nodig zijn om een ​​energiemodel samen te stellen, zijn grotendeels handmatige processen. Als resultaat, modellering wordt slechts in een fractie van de nieuwbouw- en renovatieprojecten gebruikt.

Een team onder leiding van onderzoeks- en ontwikkelingsmedewerker Joshua New van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van DOE wil daar verandering in brengen. en specifiek om het mogelijk te maken om op een kosteneffectieve manier een gebouwenergiemodel te creëren voor elk gebouw in Amerika. De ORNL-benadering is gebaseerd op geautomatiseerde extractie van gebouwparameters op hoog niveau, zoals vloeroppervlak en oriëntatie, uit openbaar beschikbare gegevensbronnen zoals satellietbeelden en geautomatiseerde kalibratie - het gebruik van meerdere simulaties om de combinatie van onbekende gebouwparameters te vinden die het meest overeenkomt met de gemeten energie gebruik maken van. Om hun aanpak te demonstreren, het team heeft onlangs de Cray XK7 Titan-supercomputer van Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) gebruikt om elk gebouw te modelleren dat wordt onderhouden door de Electric Power Board (EPB) van Chattanooga - alle 178, 368 van hen - en ontdekte via meer dan 2 miljoen simulaties dat EPB mogelijk $ 11 - $ 35 miljoen per jaar zou kunnen besparen door het elektriciteitsverbruik tijdens kritieke piekuren aan te passen.

"Dit soort modellering is echt het volgende niveau van intelligentie in beleid en technologieën voor energiebesparing, ' zei Nieuw.

In het EPB-project gefinancierd door zowel BTO als OE, de modellen kunnen worden gebruikt om retrofits of andere oplossingen voor te stellen om energie te besparen, waardoor de vraag naar elektriciteit tijdens kritieke piekuren wordt verlaagd en de werking van het elektriciteitsnet beter in balans wordt gebracht. De simulaties kunnen ook aangeven waar EPB zou kunnen overwegen om gedistribueerde energiebronnen toe te voegen die bekend staan ​​als microgrids - lokaal gelegen energieopwekking zoals zonne-energie, samen met energieopslag - om de veerkracht van het net verder te verbeteren.

New en zijn collega's zijn van plan om de modellen openlijk beschikbaar te maken om energie te helpen verminderen, vraag naar, uitstoot, en kosten voor huizen en bedrijven in Amerika.

Supercomputing voor energieoplossingen

EPB's 9, 000 mijl glasvezelnetwerk dient als de ruggengraat voor zijn Smart Grid, een van de meest geavanceerde elektrische distributiesystemen van het land. EPB registreert elke 15 minuten nutsgegevens voor elk gebouw in zijn servicegebied. Het EPB-ORNL-partnerschap stelt ORNL-onderzoekers in staat om snel en nauwkeurig bouwmodellen te vergelijken en te valideren met deze real-world data. De simulaties helpen ORNL ook om EnergyPlus te verbeteren, DOE's vlaggenschip simulatieproduct voor het hele gebouw, in samenwerking met andere nationale laboratoria en verschillende aannemers.

Het recente project is voortgekomen uit de gretigheid van EPB om inzicht te krijgen in het energieverbruik en de vraag naar de gebouwen op haar grondgebied.

"EPB wilde zien hoeveel geld ze hun klanten konden besparen door stappen te ondernemen om de vraag naar energie te verlagen tijdens kritieke piekuren, ' zei Nieuw.

Overstappen op aardgas, gebouwen goed afdichten, isolatieniveaus op peil brengen, en het gebruik van slimme thermostaten om huizen voor te verwarmen of voor te koelen, zijn enkele manieren om de energievraag te verlagen in tijden van maximaal gebruik. Door de energiebesparingen per gebouw te kwantificeren en op te schalen tot bijna 179, 000 gebouwen, echter, is een uitdaging die krachtige computerbronnen vereist, zoals die bij de OLCF, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL.

"EPB heeft 178, 368 gebouwen, en elk gebouwmodel vereist ongeveer 3, 000 ingangen, " New zei. "Als we een verlichtingsschema van 15 minuten wilden opnemen, we zouden er 35 hebben, 040-nummers om ons te vertellen of de lichten aan of uit zijn - en dat is slechts één invoer."

Bij deze cijfers het simuleren van één gebouw op een desktopcomputer duurt tussen de 2 en 10 minuten. Het simuleren van meerdere scenario's voor honderdduizenden gebouwen vereist een supercomputer.

Het ORNL-team verdiende tijd op de onlangs buiten gebruik gestelde Titan-supercomputer via het discretionaire toewijzingsprogramma van de OLCF en voerde simulaties uit van alle gebouwen op het grondgebied van EPB. Het team voerde negen verschillende scenario's voor het genereren van inkomsten uit, waarbij elke set simulaties 6,5 uur duurt op Titan, analyseren welke gebouwvariabelen het elektriciteitsverbruik en daarmee de kosten voor EPB beïnvloeden. Het team wilde weten wat er zou gebeuren als infiltratie, verlichting, of isolatie werd verbeterd voor elk gebouw.

Door de resultaten te vergelijken met de 15 minuten durende nutsgegevens, het team verifieerde de nauwkeurigheid van de metingen van bespaarde en verbruikte energie.

"We maken niet alleen deze modellen en doen wat-als-analyses in de blinde, Nieuw zei. "We hebben een foutenpercentage voor elk gebouw over hoe dicht we overeenkomen met dat energieverbruik van 15 minuten."

Beter voor het bedrijfsleven

In 2020 is EPB van plan om slimme thermostaten te installeren in zo'n 200 gebouwen om de simulatieschattingen van het team te valideren. Een strategie die moet worden gevalideerd, Nieuw zei, is het gebruik van gebouwen als "thermische batterijen".

"Als je energie in een gebouw pompt, u kunt het kritieke uur doorstaan ​​in plaats van uw airconditioning aan te zetten tijdens de kritieke piekuren, Nieuw zei. "Dat verlaagt de vraag aanzienlijk en kan voorkomen dat een nutsbedrijf een nieuw onderstation van meerdere miljoenen dollars moet bouwen."

Het verlagen van het energieverbruik en de vraag is een belangrijk doel voor de onderzoekers en voor nutsbedrijven. De installatie van de thermostaat kan de eerste stap zijn naar een volledige uitrol van het programma, Nieuw zei.

"Aan het einde van de dag, nutsbedrijven willen dat energie een economische productiviteitsfactor wordt, New zei. "Onze modellen helpen hen om dat doel te bereiken."