Здания используют 40 процентов первичной энергии Америки и 75 процентов ее электроэнергии, которая может возрасти до 80 процентов, когда большинство населения находится дома, используя системы отопления или охлаждения, а времена года достигают своего апогея.
Управление строительных технологий (BTO) Министерства энергетики США (DOE), одно из восьми технологических подразделений Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, стремится снизить потребление энергии на квадратный фут американских зданий за счет 30 процентов с 2010 по 2030 год - серьезная проблема, учитывая, что в Америке насчитывается 124 миллиона строительных конструкций.
В то же время Управление электроэнергетики Министерства энергетики (OE) поддерживает исследования по созданию более эффективной, безопасной и современной энергосистемы, в том числе исследования способов контроля спроса на электроэнергию для поддержания баланса сети и повышения ее устойчивости к сбоям.
Моделирование энергопотребления здания - компьютерное моделирование энергопотребления здания с учетом описания здания, его систем, моделей использования и преобладающих погодных условий - это аналитический инструмент, который можно использовать для определения рентабельных возможностей повышения энергоэффективности в существующих и новых зданий. Сегодня сбор и систематизация данных, необходимых для составления модели энергопотребления, в основном выполняются вручную. В результате моделирование используется лишь в небольшой части проектов нового строительства и модернизации.
Группа под руководством старшего сотрудника по исследованиям и разработкам Джошуа Нью из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США (ORNL) стремится изменить ситуацию и, в частности, сделать возможным экономичное создание энергетической модели здания для каждого здания. в Америке. Подход ORNL основан на автоматическом извлечении параметров здания высокого уровня, таких как площадь пола и ориентация, из общедоступных источников данных, таких как спутниковые изображения, и автоматической калибровки - использование нескольких симуляций для поиска комбинации неизвестных параметров здания, которая наиболее точно соответствует измеренной энергии. использовать. Чтобы продемонстрировать свой подход, команда недавно использовала суперкомпьютер Cray XK7 Titan Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) для моделирования каждого здания, обслуживаемого Комиссией по электроэнергетике (EPB) Чаттануги - всего 178 368 из них - и обнаруженных в ходе более чем 2 миллиона симуляций, которые EPB потенциально могут сэкономить от 11 до 35 миллионов долларов в год, регулируя потребление электроэнергии в пиковые критические периоды.
«Этот тип моделирования действительно представляет собой следующий уровень интеллекта в политике и технологиях энергосбережения», - сказал Нью.
В проекте EPB, финансируемом как BTO, так и OE, модели могут использоваться для предложения модернизации или других решений для экономии энергии, тем самым помогая снизить спрос на электроэнергию в пиковые критические часы и лучше сбалансировать работу энергосистемы. Моделирование также может указать, где EPB может рассмотреть возможность добавления распределенных энергетических ресурсов, известных как микросети, - локального производства электроэнергии, такого как солнечная энергия, наряду с хранением энергии - для дальнейшего повышения устойчивости сети.
Нью и его коллеги намерены сделать модели общедоступными, чтобы помочь снизить потребление энергии, потребление, выбросы и затраты для домов и предприятий Америки.
Суперкомпьютеры для энергетических решений
Волоконно-оптическая сеть EPB протяженностью 9 000 миль служит основой для Smart Grid, одной из самых передовых систем распределения электроэнергии в стране. EPB записывает коммунальные данные каждые 15 минут для каждого здания на своей территории обслуживания. Партнерство EPB-ORNL позволяет исследователям ORNL быстро и точно сравнивать и проверять модели зданий с этими реальными данными. Моделирование также помогает ORNL улучшить EnergyPlus, флагманский продукт Министерства энергетики США для моделирования всего здания, в партнерстве с другими национальными лабораториями и различными подрядчиками.
Недавний проект был разработан благодаря стремлению EPB понять потребление энергии и спрос на здания на ее территории.
«EPB хотела узнать, сколько денег они могут сэкономить своим клиентам, предприняв шаги по снижению потребления энергии в пиковые критические часы», - сказал Нью.
Переход на природный газ, надлежащая герметизация зданий, обеспечение уровня изоляции в соответствии с нормами и использование интеллектуальных термостатов для предварительного обогрева или предварительного охлаждения домов - вот некоторые способы снижения энергопотребления в периоды максимального использования. Однако количественная оценка энергосбережения на уровне каждого здания и масштабирование этого показателя почти до 179 000 зданий является сложной задачей, для решения которой требуются высокопроизводительные вычислительные ресурсы, такие как те, что имеются в OLCF, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США, расположенном в ОРНЛ.
«У EPB 178 368 зданий, и для каждой модели здания требуется около 3 000 входных данных», - сказал Нью. «Если бы мы хотели включить 15-минутное расписание освещения, у нас было бы 35 040 номеров, чтобы сообщить нам, включен свет или нет - и это только один вход».
При этих цифрах моделирование одного здания на настольном компьютере занимает от 2 до 10 минут. Для моделирования нескольких сценариев для сотен тысяч зданий требуется суперкомпьютер.
Команда ORNL заработала время на недавно выведенном из эксплуатации суперкомпьютере Titan в рамках дискреционной программы распределения директоров OLCF и провела симуляции всех зданий на территории EPB. Команда провела девять различных сценариев монетизации, каждый из которых длился 6,5 часов на Титане, чтобы проанализировать, какие переменные здания влияют на потребление электроэнергии и, следовательно, на затраты EPB. Команда хотела знать, что произойдет, если инфильтрация, освещение или изоляция будут улучшены для каждого здания.
Сравнивая результаты с 15-минутными данными коммунальных предприятий, команда проверила точность измерений сэкономленной и затраченной энергии.
«Мы не просто создаем эти модели и проводим анализ «что, если» вслепую», - сказал Нью. «У нас есть частота ошибок для каждого здания, насколько точно мы соответствуем этому 15-минутному потреблению энергии».
Лучше для бизнеса
В 2020 году EPB планирует установить интеллектуальные термостаты примерно в 200 зданиях, чтобы проверить результаты моделирования команды. По словам Нью, одна из стратегий, которую необходимо утвердить, - это использование зданий в качестве «тепловых батарей».
«Когда вы накачиваете энергию в здание, вы можете пережить критический час, а не включать кондиционер в пиковые критические времена», - сказал Нью. «Это значительно снижает спрос и может избавить коммунальную компанию от строительства новой подстанции стоимостью в несколько миллионов долларов».
Снижение потребления и спроса на энергию является важной целью для исследователей и коммунальных служб. По словам Нью, установка термостата может стать первым шагом к полному развертыванию программы.
«В конце концов, коммунальные предприятия хотят, чтобы энергия была экономическим фактором производительности», - сказал Нью. «Наши модели помогают им достичь этой цели».
Публикации по теме
Е. Гаррисон, Дж. Р. Нью и М. Адамс, «Точность грубого подхода к моделям энергопотребления городских многомасштабных зданий по сравнению с 15-минутным потреблением электроэнергии». Награда за лучшую аспирантскую работу в материалах зимней конференции ASHRAE, Атланта, Джорджия, 12-16 января 2019 г.
Е. Гаррисон, Дж. Р. Нью и М. Адамс, «Здания как тепловые батареи: пиковый потенциал интеллектуальных термостатов и различной тепловой емкости». Материалы конференции IBPSA Building Simulation, Рим, Италия, 2-4 сентября 2019 г.
Дж. Р. Нью, М. Адамс, Э. Гаррисон, В. Коупленд, Б. Смит и А. Кэмпбелл, «Пик на пике: городской масштаб, коэффициент нагрузки для конкретного здания и вклад в час критической генерации коммунального предприятия». Материалы конференции IBPSA Building Simulation, Рим, Италия, 2-4 сентября 2019 г.