Modellering af hver bygning i Amerika starter med Chattanooga

Bygninger bruger 40 procent af Amerikas primære energi og 75 procent af dets elektricitet, som kan springe til 80 procent, når et flertal af befolkningen er hjemme ved hjælp af varme- eller kølesystemer, og årstiderne når deres yderpunkter.

US Department of Energy's (DOE) 's Building Technologies Office (BTO), et af otte teknologikontorer inden for DOE's kontor for energieffektivitet og vedvarende energi, sigter mod at reducere energiforbruget pr. kvadratfod af amerikanske bygninger med 30 procent fra 2010 til 2030 - en massiv udfordring i betragtning af, at Amerika er hjemsted for 124 millioner bygningsstrukturer.

På samme tid, DOE's Office of Electricity (OE) understøtter forskning for en mere effektiv, sikker, og moderne elnet, herunder forskning om måder at kontrollere elefterspørgslen for at holde nettet i balance og mere modstandsdygtig over for forstyrrelser.

Bygningsenergimodellering - computersimulering af bygningens energiforbrug givet en beskrivelse af bygningen, dets systemer, brug mønstre, og rådende vejrforhold-er et analyseværktøj, der kan bruges til at identificere omkostningseffektive energieffektivitetsmuligheder i eksisterende og nye bygninger. I dag, indsamling og organisering af de data, der kræves for at sammensætte en energimodel, er stort set manuelle processer. Som resultat, modellering bruges kun i en brøkdel af nybyggeri og eftermonteringsprojekter.

Et team ledet af forskning og udvikling seniormedarbejder Joshua New ved DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ønsker at ændre det, og specifikt for at gøre det muligt at omkostningseffektivt oprette en bygningsenergimodel for hver bygning i Amerika. ORNL-metoden bygger på automatisk udtrækning af bygningsparametre på højt niveau, f.eks. Gulvareal og orientering fra offentligt tilgængelige datakilder som satellitbilleder og automatiseret kalibrering-brug af flere simuleringer til at finde en kombination af ukendte bygningsparametre, der bedst matcher målt energi brug. For at demonstrere deres tilgang, teamet brugte for nylig Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF's) Cray XK7 Titan supercomputer til at modellere hver bygning, der serviceres af Electric Power Board (EPB) i Chattanooga - alle 178, 368 af dem-og opdagede gennem mere end 2 millioner simuleringer, at EPB potentielt kunne spare 11- $ 35 millioner dollars om året ved at justere elforbruget i spidsbelastningstider.

"Denne form for modellering er virkelig det næste intelligensniveau inden for energibesparende politikker og teknologier, "Sagde nyt.

I EPB -projektet finansieret af både BTO og OE, modellerne kan bruges til at foreslå eftermontering eller andre løsninger for at spare energi, derved hjælpe med at reducere elbehovet i spidsbelastningstider og bedre balancere elnetsdriften. Simuleringerne kan også indikere, hvor EPB kan overveje at tilføje distribuerede energiressourcer kendt som mikronetværk - lokalt lokaliseret elproduktion som f.eks. sammen med energilagring - for yderligere at forbedre netmodstandsdygtigheden.

New og hans kolleger agter at gøre modellerne åbent tilgængelige for at hjælpe med at reducere energi, efterspørgsel, emissioner, og omkostninger for Amerikas hjem og virksomheder.

Supercomputing til energiløsninger

EPB's 9, 000-mile fiberoptisk netværk fungerer som rygraden i dets Smart Grid, et af landets mest avancerede elektriske distributionssystemer. EPB registrerer hjælpedata hvert 15. minut for hver bygning i sit serviceterritorium. EPB-ORNL-partnerskabet giver ORNL-forskere mulighed for hurtigt og præcist at sammenligne og validere bygningsmodeller med disse virkelige data. Simuleringerne hjælper også ORNL med at forbedre EnergyPlus, DOE's flagskibshelbyggende simuleringsprodukt, i partnerskab med andre nationale laboratorier og forskellige entreprenører.

Det seneste projekt udviklede sig ud fra EPBs iver efter at forstå energiforbruget og efterspørgslen efter bygningerne på dets område.

"EPB ville se, hvor mange penge de kunne spare deres kunder ved at tage skridt til at sænke energibehovet i de mest kritiske timer, "Sagde nyt.

Skift til naturgas, tætning af bygninger korrekt, bringe isoleringsniveauer op til kode, og brug af smarte termostater til forvarmning eller forkøling af boliger er nogle måder at sænke energibehovet i perioder med maksimal brug. Kvantificering af energibesparelser på et per-bygningsniveau og skalering til op til næsten 179, 000 bygninger, imidlertid, er en udfordring, der kræver højtydende computerressourcer som dem på OLCF, en DOE Office of Science brugerfacilitet placeret på ORNL.

"EPB har 178, 368 bygninger, og hver bygningsmodel kræver omkring 3, 000 input, "Ny sagde." Hvis vi ønskede at inkludere en 15-minutters belysningsplan, vi ville have 35, 040 tal bare for at fortælle os, om lysene er tændt eller slukket - og det er kun en input. "

Ved disse tal, simulering af en bygning på en stationær computer tager mellem 2 og 10 minutter. Simulering af flere scenarier for hundredtusinder af bygninger kræver en supercomputer.

ORNL -teamet tjente tid på den nyligt nedlagte Titan -supercomputer gennem OLCF's Director's Discretionary allocation program og kørte simuleringer af alle bygninger på EPB's område. Teamet kørte ni forskellige indtægtsgenereringsscenarier, med hvert sæt simuleringer, der varer 6,5 timer på Titan, at analysere hvilke bygningsvariabler der påvirker elektrisk brug og derved omkostninger for EPB. Teamet ønskede at vide, hvad der ville ske, hvis infiltration, belysning, eller isolering blev opgraderet for hver bygning.

Ved at sammenligne resultaterne med 15-minutters hjælpedata, teamet verificerede nøjagtigheden af ​​målingerne af sparet og brugt energi.

"Vi skaber ikke bare disse modeller og laver hvad-hvis-analyser i blinde, "Ny sagde." Vi har en fejlprocent for hver bygning om, hvor tæt vi matcher det 15-minutters energiforbrug. "

Bedre for erhvervslivet

I 2020 planlægger EPB at installere smarte termostater i omkring 200 bygninger for at validere teamets simuleringsestimater. En strategi, der skal valideres, Ny sagde, er brugen af ​​bygninger som "termiske batterier".

"Når du pumper energi ind i en bygning, du kan komme igennem den kritiske time frem for at tænde for dit klimaanlæg i de mest kritiske tider, "Nyt sagde." Det sænker efterspørgslen markant og kan forhindre et forsyningsselskab i at skulle bygge en ny understation på flere millioner dollars. "

At sænke energiforbruget og efterspørgslen er et vigtigt mål for forskerne og forsyningsselskaberne. Termostatinstallationen kan være det første trin til en fuld programudrulning, Ny sagde.

"I sidste ende, forsyningsselskaber ønsker, at energi skal være en økonomisk produktivitetsfaktor, "Ny sagde." Vores modeller hjælper dem med at nå det mål. "