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  • Modelar cada edifício na América começa com Chattanooga

    Modelos de energia de edifícios de Chattanooga criados pelo ORNL. Crédito:Joshua New, ORNL

    Os edifícios usam 40 por cento da energia primária da América e 75 por cento de sua eletricidade, que pode saltar para 80 por cento quando a maioria da população está em casa usando sistemas de aquecimento ou resfriamento e as estações chegam a seus extremos.

    Escritório de Tecnologias de Construção (BTO) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), um dos oito escritórios de tecnologia dentro do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, visa reduzir o consumo de energia por metro quadrado de edifícios americanos em 30 por cento de 2010 a 2030 - um grande desafio, considerando que os Estados Unidos abrigam 124 milhões de estruturas de edifícios.

    Ao mesmo tempo, O Escritório de Eletricidade (OE) do DOE apóia a pesquisa para uma forma mais eficiente, seguro, e rede de energia moderna, incluindo pesquisas sobre maneiras de controlar a demanda de eletricidade para manter a rede equilibrada e mais resistente a interrupções.

    Modelagem de energia do edifício - simulação de computador do uso de energia do edifício dada uma descrição do edifício, seus sistemas, padrões de uso, e as condições climáticas prevalecentes - é uma ferramenta analítica que pode ser usada para identificar oportunidades de eficiência energética com boa relação custo-benefício em edifícios existentes e novos. Hoje, coletar e organizar os dados necessários para montar um modelo de energia são, em grande parte, processos manuais. Como resultado, a modelagem é usada em apenas uma fração dos novos projetos de construção e retrofit.

    Uma equipe liderada pelo membro sênior da equipe de pesquisa e desenvolvimento Joshua New no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do DOE está procurando mudar isso, e, especificamente, para possibilitar a criação econômica de um modelo de energia de construção para cada edifício na América. A abordagem ORNL depende da extração automatizada de parâmetros de construção de alto nível, como área de piso e orientação de fontes de dados disponíveis publicamente, como imagens de satélite e calibração automatizada - o uso de múltiplas simulações para encontrar a combinação de parâmetros de construção desconhecidos que mais se aproximam da energia medida usar. Para demonstrar sua abordagem, a equipe usou recentemente o supercomputador Cray XK7 Titan do Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) para modelar cada edifício atendido pelo Electric Power Board (EPB) de Chattanooga - todos os 178, 368 deles - e descobriu, por meio de mais de 2 milhões de simulações, que o EPB poderia economizar de US $ 11 a US $ 35 milhões por ano ajustando o uso de eletricidade durante os horários de pico críticos.

    "Este tipo de modelagem é realmente o próximo nível de inteligência em políticas e tecnologias de economia de energia, "Novo disse.

    No projeto EPB, financiado por BTO e OE, os modelos podem ser usados ​​para sugerir retrofits ou outras soluções para economizar energia, ajudando assim a diminuir a demanda de eletricidade durante os horários de pico críticos e melhor equilibrar as operações da rede elétrica. As simulações também podem indicar onde o EPB pode considerar a adição de recursos de energia distribuídos, conhecidos como microrredes - geração de energia localizada localmente, como solar, junto com o armazenamento de energia - para melhorar ainda mais a resiliência da rede.

    New e seus colegas pretendem disponibilizar os modelos abertamente para ajudar a reduzir a energia, exigem, emissões, e custos para residências e empresas da América.

    Modelos de energia de edifícios de Chattanooga criados pelo ORNL. Crédito:Joshua New, ORNL

    Supercomputação para soluções de energia

    EPB's 9, A rede de fibra óptica de 000 milhas serve como backbone para sua rede inteligente, um dos sistemas de distribuição elétrica mais avançados do país. O EPB registra os dados da concessionária a cada 15 minutos para cada edifício em seu território de serviço. A parceria EPB-ORNL permite que os pesquisadores do ORNL comparem e validem modelos de construção de maneira rápida e precisa com esses dados do mundo real. As simulações também ajudam o ORNL a melhorar o EnergyPlus, Produto de simulação de edifício inteiro carro-chefe do DOE, em parceria com outros laboratórios nacionais e vários contratantes.

    O recente projeto se desenvolveu a partir da ânsia da EPB em entender o uso e a demanda de energia das edificações em seu território.

    "A EPB queria ver quanto dinheiro eles poderiam economizar para seus clientes tomando medidas para reduzir a demanda de energia durante os horários críticos de pico, "Novo disse.

    Mudando para o gás natural, vedar edifícios adequadamente, trazendo os níveis de isolamento para o código, e usar termostatos inteligentes para pré-aquecer ou pré-resfriar casas são algumas maneiras de reduzir a demanda de energia durante os períodos de uso máximo. Quantificar a economia de energia por prédio e aumentar para quase 179, 000 edifícios, Contudo, é um desafio que requer recursos de computação de alto desempenho, como os do OLCF, um DOE Office of Science User Facility localizado em ORNL.

    "EPB tem 178, 368 edifícios, e cada modelo de construção requer cerca de 3, 000 entradas, "New disse." Se quiséssemos incluir uma programação de iluminação de 15 minutos, teríamos 35, 040 números apenas para nos dizer se as luzes estão acesas ou apagadas - e isso é apenas uma entrada. "

    Com esses números, a simulação de um edifício em um computador de mesa leva de 2 a 10 minutos. Simular vários cenários para centenas de milhares de edifícios requer um supercomputador.

    A equipe ORNL ganhou tempo no supercomputador Titan recentemente desativado por meio do programa de alocação discricionária do Diretor do OLCF e fez simulações de todos os edifícios no território do EPB. A equipe executou nove cenários diferentes de monetização, com cada conjunto de simulações durando 6,5 horas no Titan, para analisar quais variáveis ​​de construção afetam o uso elétrico e, portanto, o custo para o EPB. A equipe queria saber o que aconteceria se a infiltração, iluminação, ou o isolamento foi atualizado para cada edifício.

    Simulador de modelo de energia de edifício criado por ORNL. Crédito:Joshua New, ORNL

    Ao comparar os resultados com os dados do utilitário de 15 minutos, a equipe verificou a precisão das medições de energia economizada e gasta.

    "Não estamos apenas criando esses modelos e fazendo análises de hipóteses cegos, "New disse." Temos uma taxa de erro para cada edifício sobre o quão próximo estamos correspondendo ao uso de energia de 15 minutos. "

    Melhor para os negócios

    Em 2020, o EPB planeja instalar termostatos inteligentes em cerca de 200 edifícios para validar as estimativas de simulação da equipe. Uma estratégia que precisa ser validada, Novo disse, é o uso de edifícios como “baterias térmicas”.

    "Quando você bombeia energia para um edifício, você pode passar a hora crítica em vez de ligar o ar-condicionado durante os horários críticos de pico, "New disse." Isso reduz a demanda significativamente e pode evitar que uma concessionária tenha que construir uma nova subestação multimilionária. "

    Reduzir o uso e a demanda de energia é uma meta importante para os pesquisadores e para as concessionárias. A instalação do termostato pode ser a primeira etapa para uma implementação completa do programa, Novo disse.

    "No fim do dia, concessionárias querem que a energia seja um fator de produtividade econômica, "New disse." Nossos modelos estão ajudando-os a atingir esse objetivo. "


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