Anvendelse af fysik til energieffektivt bygningsdesign

At udvikle en helt energieffektiv bygning er relativt let at gøre-hvis du ikke giver bygningens beboere kontrol over deres miljø. Da ingen ønsker den slags bygninger, Professor Christoph Reinhart har fokuseret sin karriere på at finde måder at gøre bygninger mere energieffektive og samtidig have brugernes behov i tankerne.

"På dette tidspunkt i designet af bygninger, den største usikkerhed kommer fra brugeradfærd, "siger Reinhart, der leder Sustainable Design Lab i MITs afdeling for arkitektur. "Når du forstår varmestrømmen, det er en meget præcis videnskab at se, hvor meget varme der skal tilføjes eller tages fra et rum. "

Uddannet i fysik, Reinhart flyttede til arkitektur, fordi han ville anvende de videnskabelige begreber, han havde lært, for at gøre bygninger mere komfortable og energieffektive. I dag, han er internationalt kendt for sit arbejde inden for det, arkitekter kalder "dagslys"-brug af naturligt lys til at belyse bygningens interiører-og analyse af bygningsresultater på byniveau. De designværktøjer, der stammer fra hans laboratorium, bruges af arkitekter og byplanlæggere i mere end 90 lande.

Sustainable Design Labs arbejde har også produceret to spin -off virksomheder:Mapdwell, som giver individualiserede cost-benefit-analyser til installation af solpaneler; og Solemma, som leverer værktøjer til miljøanalyse, såsom DIVA-for-Rhino, en stærkt optimeret softwarekomponent til dagslys og energimodellering. Reinhart er medstifter og strategisk udviklingsrådgiver hos Mapdwell, og han er administrerende direktør for Solemma.

Igennem det hele, fysik er fortsat en central underbygning. "Alt, hvad vores laboratorium udvikler, er først og fremmest baseret på fysik, "siger Reinhart, der fik en kandidatgrad i fysik fra Albert Ludwigs Universität i Freiburg, Tyskland, og Simon Fraser University i Vancouver, Canada.

Informerende design

En livslang miljøforkæmper, Reinhart siger, at han blev inspireret til at studere arkitektur delvist af arbejdet fra Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, som byggede et helt selvforsynende solhus i Freiburg i begyndelsen af ​​1990'erne.

Da han afsluttede sin kandidatafhandling, Reinhart siger, han læste også en artikel, der antydede, at funktioner som farve kan være vigtigere end ydeevne for arkitekter, der vælger et solsystem - en idé, der fik ham til at finde måder at give arkitekter mulighed for at overveje æstetik og miljøpræstationerne i deres design på samme tid . Han begyndte denne indsats med at undersøge dagslys ved det tekniske universitet i Karlsruhe, Tyskland.

Lys er utroligt vigtigt ud fra et designmæssigt synspunkt - arkitekter taler om "at male med lys" - men der er også betydelige tekniske udfordringer forbundet med belysning, såsom hvordan man håndterer varme og blænding, Siger Reinhart.

"Du har brug for gode himmelmodeller, og du har brug for gode gengivelsesværktøjer til at modellere lyset. Du har også brug for datalogi for at gøre det hurtigere - men det er bare det grundlæggende, "Reinhart siger, bemærker, at det næste trin er at overveje, hvordan mennesker opfatter og bruger naturligt lys. "Denne virkelig nuancerede tankegang er det, der gør dagslys så sjovt og interessant."

For eksempel, designere gengiver typisk bygninger med alle persienner åbne. Hvis de lærer, at folk vil holde persiennerne nede 90 procent af tiden med et givet design, de vil sandsynligvis gentænke det, Reinhart siger, fordi "ingen ønsker det."

Programmet til dagslysanalyse udviklet af Reinharts team i 1998 giver netop denne form for information. Kendt som DAYSIM, det bruges nu over hele verden til at modellere årlig tilgængelighed i dagslys i og omkring bygninger.

Reinhart har også udgivet lærebøger om dagslys:"Daylighting Handbook I:Fundamentals and Designing with the Sun" blev udgivet i 2014, og et andet bind, "Håndbog til dagslys II:Simulering af dagslys og dynamiske facader, "blev frigivet i oktober sidste år.

"Dagslys var virkelig min første vej ind i arkitektur, "Reinhart siger, bemærker, at han synes, det er vidunderligt, at feltet kombinerer "rock solid science" som himmelmodellering med mere subjektive spørgsmål relateret til brugernes oplevelse, såsom:"Hvornår er sollys et ansvar?" og "Hvornår tilføjer det visuel interesse?"

Undervisning og rådgivning

Efter at have modtaget sin doktorgrad i arkitektur fra Technical University i 2001, Reinhart underviste kort på McGill University i Canada, inden han blev udnævnt til lektor i arkitektur ved Harvard University's Graduate School of Design. I 2009, studenteforummet der kårede ham til årets fakultetsmedlem.

I 2012, han sluttede sig til fakultetet på MIT, hvor han typisk vejleder syv eller otte kandidatstuderende, herunder omkring tre, der arbejder på deres ph.d. Tit, han har også studerende, der arbejder i sit laboratorium gennem programmet for bachelor -forskningsmuligheder. Flere studerende med datalogi har vist sig særligt nyttige, han siger.

"Det er fantastisk, hvad MIT -studerende kan implementere, " han siger.

Reinhart er også instruktør, selvfølgelig, navnlig undervisning i 4.401/4.464 (Miljøteknologi i bygninger), som fokuserer på, hvordan man vurderer bygningers energieffektivitet.

"Der er ikke noget sjovere - især på en institution som MIT - end at lære disse begreber, " han siger.

MIT Energy Initiative (MITEI) arbejder nu på at gøre emnet tilgængeligt online via MITx, og klassen forventes at være en del af et planlagt kandidatcertifikat i energi, ifølge Antje Danielson, Uddannelsesdirektør i MITEI.

By-modellering

I mellemtiden, Reinhart har skaleret sin egen forskning op til modellering af energiforbrug på byniveau. I 2016, han og kolleger afslørede en energimodel for Boston, der estimerer gas- og elektricitetsbehovet for hver bygning i byen - og hans team har siden vurderet andre byområder.

Dette arbejde har understreget for ham, hvor vigtig brugeradfærd er for at beregne energiforbrug.

"For en individuel bygning kan du få en fornemmelse af brugeradfærden, men hvis du vil modellere en hel by, det problem eksploderer på dig, "Reinhart siger, bemærker, at hans team bruger statistiske metoder såsom bayesisk kalibrering til at bestemme sandsynlig adfærd.

I det væsentlige, de indsamler data om energiforbrug og træner computeren til at genkende forskellige scenarier, såsom den energi, der bruges af forskellige antal mennesker og apparater.

"Vi kaster 800 brugeradfærd på en prøve af bygninger, og da vi ved, hvor meget energi disse bygninger faktisk bruger, vi beholder kun de adfærdsmønstre, der giver os det rigtige energiforbrug, "Reinhart siger, forklarer, at gentagelse af processen giver en kurve, der angiver bygningernes mest sandsynlige anvendelser. "Vi ved ikke præcis, hvor folk er, men på byniveau, vi får det rigtigt. "

At bestemme, hvordan energi bruges i denne brede skala, giver kritisk information til at imødekomme behovene i energisystemet som helhed, Siger Reinhart. Derfor arbejder Reinhart i øjeblikket med Exelon Corporation, en stor national energileverandør, at vurdere energiforbruget i Chicago. "Vi kan sige, lad os fremme denne slags opgraderinger og stort set garantere, at det er sådan energilasten i et kvarter eller for bestemte transformerstationer vil ændre sig - det er lige hvad forsyningsselskaber gerne vil vide, " han siger.

Mad-energi-vand-forbindelsen

For nylig, Reinhart er også begyndt at undersøge måder at gøre fødevareproduktion mere energieffektiv og bæredygtig. Hans laboratorium udvikler en softwarekomponent, der kan estimere madudbytte, tilhørende brug af energi og vand, og de kulstofemissioner, der resulterer i forskellige typer bybrug.

For eksempel, hydroponisk containeropdræt - et system til dyrkning af mad uden jord inde i noget som en forsendelsescontainer - fremmes nu af virksomheder i nogle byer, herunder Boston. Dette system bruger typisk mere elektricitet end konventionelt landbrug gør, men det energiforbrug kan mere end opvejes af det reducerede transportbehov, Siger Reinhart. Allerede, Reinharts team har vist, at tag- og containeropdræt på tilgængelig jord i Lissabon, Portugal, teoretisk set kunne opfylde byens samlede efterspørgsel efter grøntsager.

Dette arbejde, der undersøger forbindelsen mellem mad, energi, og vand er bare det næste kompleksitetsniveau for Reinhart i en karriere dedikeret til at flytte nålen til bæredygtighed. Heldigvis, han er ikke alene om sit arbejde; han har sendt en lang række unge akademikere ud i verden for at arbejde med lignende bekymringer.

Reinharts tidligere kandidatstuderende arbejder nu på universiteter, herunder Cornell, Harvard, Syracuse, og University of Toronto, og han fortsætter med at samarbejde med dem om projekter.

Det er som at have en voksende familie, siger Reinhart, en far til to. "Studerende går aldrig. Det er som børn."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.