Как предсказать будущее с помощью энергетического моделирования

Сравнение процента фасадного остекления и энергопотребления.

Как и многие из нас в сфере проектирования и строительства, мы в BUILD думали о том, как создавать более энергоэффективные здания на каждом этапе процесса проектирования. Моделирование энергопотребления позволяет нам оценивать успешность наших проектных решений в сравнении с энергетическими целями проекта и создавать более экологичные здания.

В 2022 году потребление энергии в жилых и коммерческих зданиях составляло 40% от общего потребления энергии в Соединенных Штатах. Это включает в себя энергию, используемую для обогрева и охлаждения зданий, поддержания потока воздуха на соответствующем уровне для здоровья жильцов, для поддержания освещения и включения наших устройств и оборудования. Для тех, кто проектирует, финансирует и строит здания, это дает прекрасную возможность повлиять на то, как люди по всей стране используют энергию, и, следовательно, на то, как наше потребление энергии влияет на окружающую среду, экономику и общество.

Энергетическое моделирование, как и многие задачи, которые берут на себя архитекторы, является попыткой предсказать будущее. Энергетическая модель представляет собой компьютерное представление всех важных компонентов здания, которые будут влиять на его энергопотребление: климат, в котором расположено здание, где и сколько окон, насколько хорошо изолирована оболочка, где и как много стен, сколько энергии будут потреблять обитатели (будет ли это редко населенная кабина или больница, требующая энергосберегающего спасательного оборудования и надежной системы вентиляции?) и многое другое. Чем точнее предположения, лежащие в основе энергетической модели, тем больше вероятность того, что моделирование энергопотребления сможет точно предсказать будущее, хотя внезапная жара или операция по добыче биткойнов все же могут привести к потреблению энергии в реальном мире, которое отличается от прогноза. .

Интенсивность использования энергии (EUI) из концептуальной модели энергопотребления, в которой сравниваются различные значения изоляции стен, крыши и окон.

Во многих случаях наличие идеальной модели энергопотребления, которая предсказывает будущее потребление энергии со 100% точностью, не является основной целью, хотя это и не помешает. На ранних стадиях проектирования использование модели энергопотребления для сравнения и количественной оценки эффекта окон с двойным и тройным остеклением или атриума, выходящего на восток и запад, может быть гораздо более действенным для обоснования проектных решений. Моделирование энергопотребления также можно использовать для анализа стоимости жизненного цикла, для подтверждения соответствия энергетическому кодексу или для получения поощрений в рамках таких программ, как Energy Trust of Oregon.

Существуют различные уровни моделей энергопотребления, которые больше подходят для некоторых или всех этих целей в зависимости от объема информации, которую они предоставляют, и того, сколько времени требуется для их объединения. Сборка высокоточной энергетической модели может занять много времени и требует очень подробной информации о проекте, которая может быть не определена на ранних этапах процесса проектирования. На данном этапе наиболее полезной является концептуальная модель энергии на уровне массы, которую часто называют «моделью обувной коробки». Их легко собрать, поскольку они представляют здание с очень простой геометрией (часто похожей на форму обувной коробки) и делают предположения об информации, относящейся к моделированию энергопотребления, которая может быть еще не определена, например, предполагаемые общие уровни освещения или HVAC для конкретного варианта использования. Такая модель не сможет подтвердить соответствие нормам или точно предсказать будущее потребление энергии, но она будет очень полезна для ответов на вопросы, которые могут возникнуть у проектной группы на ранних этапах процесса проектирования, например, как сориентировать здание и его окна для минимизации энергопотребления, а также масштаб эффекта увеличения площади поверхности оболочки или корректировки ее изоляционных свойств.

Пример базовой геометрии в концептуальной энергетической модели.

Затем модель обувной коробки можно уточнить и заполнить дополнительными деталями, специфичными для проекта, чтобы ее можно было использовать для целей, требующих большей точности. Они могут включать точное определение системы HVAC, стеновых и кровельных конструкций и оконных изделий; точная настройка ожидаемых нагрузок от розеток и освещения, а также детальное моделирование геометрии, например устройств затенения. Однако, как и процесс проектирования в целом, построение модели энергопотребления является непрерывным и итеративным процессом. Проект может начинаться с конкретных энергетических целей, осуществимость которых можно оценить с помощью исходной энергетической модели. Затем эти цели могут быть переоценены и пересмотрены, при этом модель энергопотребления будет постоянно корректироваться, чтобы отражать текущий дизайн и оценивать ее эффективность в сравнении с общими целями проекта, возвращая информацию группе разработчиков. Хотя предварительная работа по построению полной энергетической модели здания может занять много времени, после того, как модель построена, можно быстро поменять местами R-значения или настроить нагрузки штепсельной вилки.

Стоит упомянуть, что есть несколько родственников моделирования энергопотребления, которые также могут использовать вычислительную мощность для проектирования высокопроизводительных зданий. К ним относятся моделирование дневного света, моделирование теплового комфорта, моделирование вычислительной гидродинамики (CFD), анализ воплощенного углерода и многое другое. Некоторые инструменты моделирования энергопотребления включают возможность анализа некоторых или всех этих факторов, в то время как другим требуется дополнительное программное обеспечение для точной оптимизации этих областей. Наряду с моделированием энергопотребления эти инструменты позволяют проектировщикам количественно оценивать последствия своих проектных решений в отношении энергопотребления, комфорта жильцов и воздействия на окружающую среду, а также достигать целевых показателей эффективности каждого проекта.

Пример результатов моделирования дневного света для полезной дневной освещенности (UDI).

Привет от Team BUILD!