Αστική Μοντελοποίηση για Αξιολόγηση Μεγάλης Κλίμακας Βελτιώσεων Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων

Πάνω από τα δύο τρίτα των ανθρώπων στις ΗΠΑ ζουν σε αστικές περιοχές, οι οποίες αντιμετωπίζουν τεράστιες προκλήσεις που σχετίζονται με τη μετασκευή, την επέκταση και τη λειτουργική αποτελεσματικότητα για τη μείωση της χρήσης πόρων και των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου (GHG) και την επίτευξη των στόχων βιωσιμότητας και την ανθεκτικότητα στην καταπολέμηση της φύσης ακραία γεγονότα και καταστάσεις έκτακτης ανάγκης. Τα κτίρια στις πόλεις των ΗΠΑ καταναλώνουν έως και το 70% της συνολικής πρωτογενούς ενέργειας.

Για την επίτευξη των ενεργειακών και κλιματικών στόχων των πόλεων, είναι επομένως μια βασική στρατηγική για τη μείωση της χρήσης ενέργειας και των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στα αστικά κτίρια μέσω της εξοικονόμησης ενέργειας και των βελτιώσεων της απόδοσης. Η ενεργειακή μοντελοποίηση αστικών κτιρίων (UBEM) είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τις πόλεις και τους συμβούλους ενεργειακού σχεδιασμού τους για την αξιολόγηση του κτιριακού αποθέματος και την καθοδήγηση των ανακαινίσεων κτιρίων σε κλίμακα πόλης.

Το UBEM αναφέρεται στην υπολογιστική μοντελοποίηση και προσομοίωση της απόδοσης μιας ομάδας κτιρίων (από ένα συγκρότημα πόλης σε μια συνοικία και σε μια ολόκληρη πόλη) σε ένα αστικό πλαίσιο, για να ληφθεί υπόψη όχι μόνο η δυναμική των μεμονωμένων κτιρίων αλλά, το πιο σημαντικό, οι επιδράσεις μεταξύ των κτιρίων (π.χ. σκίαση και ανταλλαγή θερμότητας ακτινοβολίας) και οι αμοιβαίες επιρροές μεταξύ των κτιρίων και του αστικού μικροκλίματος, παρέχοντας ποσοτικές γνώσεις για την ενημέρωση των αστικών κτιρίων και τη χάραξη ενεργειακής πολιτικής. Η εξέταση των αστικών κτιρίων ως μέρος του αστικού συστήματος (ένα σύστημα συστημάτων) θα επιτρέψει σε μια ομάδα κτιρίων να επιτύχει μεγαλύτερη απόδοση από το απλό άθροισμα μεμονωμένων κτιρίων.

Το πρώτο και κρίσιμο βήμα του UBEM είναι η ανάπτυξη μιας ψηφιακής αναπαράστασης του κτιριακού αποθέματος σε πόλεις που περιέχουν εκατοντάδες χιλιάδες κτίρια. Το Σχήμα 2 δείχνει τη ροή εργασίας που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία του συνόλου δεδομένων του κτιρίου του Σαν Φρανσίσκο. Οι βάσεις δεδομένων χρήσης γης, αρχεία εκτιμητών και αποκάλυψης ενέργειας χρησιμοποιούν τον Αριθμό Αγροτεμαχίου Αξιολογητή (APN) ως αναγνωριστικά αγροτεμαχίου για την αποθήκευση των δεδομένων κτιρίου. Αρχικά ενοποιήσαμε τα δεδομένα που σχετίζονται με το δέμα και τα χαρτογραφήσαμε με τα δεδομένα αποτυπώματος κτιρίου για να δημιουργήσουμε ένα κύριο σύνολο δεδομένων κτιρίου με όλα τα πεδία από κάθε σύνολο δεδομένων. Στη συνέχεια, το κύριο σύνολο δεδομένων απλοποιήθηκε και τυποποιήθηκε για τη δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων πόλεων στο CityGML για όλα τα κτίρια του Σαν Φρανσίσκο. Η προδιαγραφή ανταλλαγής δεδομένων ενέργειας κτιρίου (BEDES) χρησιμοποιήθηκε για την τυποποίηση των όρων στο σύνολο δεδομένων κτιρίου. Τα τελικά προϊόντα δεδομένων παρέχονται σε μορφές CityGML, GeoJSON και FileGDB που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από διάφορα εργαλεία αστικής μοντελοποίησης και ανάλυσης.

Το CityGML είναι ένα διεθνές πρότυπο Open Geospatial Consortium για την αναπαράσταση και την ανταλλαγή τρισδιάστατων μοντέλων πόλεων. Το CityGML ορίζει την τρισδιάστατη γεωμετρία, την τοπολογία, τη σημασιολογία και την εμφάνιση των αστικών αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων των κτιρίων και των συστατικών τους, των υδάτινων σωμάτων, των επίπλων πόλης (φωτισμός δρόμων, των φωτεινών σηματοδοτών), των υποδομών μεταφοράς (δρόμους, δρόμοι, γέφυρες, σήραγγες) και βλάστηση . Το CityGML έχει την ευελιξία να αναπαριστά αστικά αντικείμενα σε διάφορα επίπεδα λεπτομερειών. Για παράδειγμα, ένα κτίριο έχει πέντε επίπεδα αναπαράστασης όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.

Αυτό είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό, καθώς ορισμένα κτίρια στις πόλεις έχουν περισσότερες πληροφορίες (π.χ., εκείνα που υπόκεινται σε ενεργειακή συγκριτική αξιολόγηση και διάταγμα δημοσιοποίησης της πόλης), ενώ άλλα έχουν ελάχιστες δημόσιες πληροφορίες (π.χ. τύπος χρήσης, έτος κατασκευής, συνολική επιφάνεια ορόφου). Στην πορεία, περισσότερες πληροφορίες γίνονται διαθέσιμες για περισσότερα κτίρια και μπορούν να προστεθούν για τη βελτίωση της αναπαράστασης του CityGML.

Τα αρχεία CityGML δημιουργήθηκαν με βάση το σχήμα CityGML 2.0, ιδιαίτερα το κτίριο και τα γενικά μέρη. Αντιστοιχίσαμε τα περισσότερα χαρακτηριστικά κτιρίων στα τυποποιημένα στοιχεία CityGML. Για χαρακτηριστικά (π.χ. ετήσια χρήση ενέργειας εργοταξίου) που δεν μπορούν να χαρτογραφηθούν, ονομάστηκαν γενικοί τύποι CityGML (::_GenericsAttribute). Έτσι, όλα τα χαρακτηριστικά κτιρίου περιλαμβάνονται στην αναπαράσταση CityGML. Η συμπερίληψη όλων των κτιρίων της πόλης σε ένα μόνο αρχείο CityGML (σε μέγεθος GB) καθιστά δύσκολη τη διαχείριση και την επεξεργασία του αρχείου λόγω του μεγάλου μεγέθους του. Για την υπόθεση του Σαν Φρανσίσκο, χωρίσαμε το κτιριακό απόθεμα σε 15 περιοχές σχεδιασμού με κάθε μία να αντιπροσωπεύεται από ένα ξεχωριστό αρχείο CityGML.

Τα μοντέλα πόλεων που βασίζονται σε 3D CityGML χρησιμοποιούνται στη συνέχεια στο CityBES (Hong et al. 2016) για μοντελοποίηση και ανάλυση ενέργειας κτιρίων. Το CityBES είναι μια ανοιχτή διαδικτυακή πλατφόρμα δεδομένων και υπολογιστών για την υποστήριξη προγραμμάτων ενεργειακής απόδοσης κτιρίων σε περιοχή ή πόλη. Το CityBES χρησιμοποιεί το EnergyPlus, μια ναυαρχίδα του USDOE κινητήρα μοντελοποίησης ενέργειας κτιρίων με βάση τη φυσική, για την προσομοίωση της χρήσης ενέργειας των κτιρίων και τον υπολογισμό της εξοικονόμησης ενέργειας από τις ενεργειακές μετασκευές. Το σχήμα 4 δείχνει τη δομή τριών επιπέδων του CityBES:το επίπεδο δεδομένων, το επίπεδο λογισμικού αλγόριθμου/μηχανής και το επίπεδο εφαρμογής.

Κύρια χαρακτηριστικά του CityBES περιλαμβάνουν:(1) Ολοκληρωμένη απεικόνιση 3D-GIS της απόδοσης του κτιρίου χρησιμοποιώντας ποικίλες μετρήσεις, (2) συγκριτική αξιολόγηση ενεργειακής απόδοσης κτιρίου για μετοχές κτιρίων σε διαφορετικές πόλεις , (3) αξιολόγηση και ιεράρχηση ενεργειακής αναβάθμισης, (4) αξιολόγηση δυναμικού ηλιακής φωτοβολταϊκής στέγης στον τελευταίο όροφο και (5) αξιολόγηση τυπικών τύπων ενεργειακών συστημάτων της περιοχής που αποκόπτουν μια ομάδα κτιρίων. Το CityBES στοχεύει πολεοδόμους και προγραμματιστές, διαχειριστές ενέργειας πόλεων, ιδιοκτήτες κτιρίων, επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας, ενεργειακούς συμβούλους και ερευνητές.

Μια μελέτη περίπτωσης διεξήχθη χρησιμοποιώντας το CityBES για να επιδείξει την αυτόματη παραγωγή ενεργειακών μοντέλων κτιρίων και τη ροή εργασιών της ανάλυσης ενεργειακής αναβάθμισης 940 μικρού και μεσαίου κτιρίου γραφείων και λιανικής σε έξι περιοχές του βορειοανατολικού Σαν Φρανσίσκο. Η πιθανή εξοικονόμηση ενέργειας και το ενεργειακό κόστος πέντε μεμονωμένων μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας (ECM) και δύο πακέτων ECM εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας το CityBES, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.

Τα αποτελέσματα δείχνουν επίσης ότι:(1) και τα πέντε μέτρα μαζί μπορούν να εξοικονομήσουν 23%-38% της ενέργειας του εργοταξίου ανά κτίριο. (2) η αντικατάσταση του φωτισμού με λαμπτήρες διόδων εκπομπής φωτός και η προσθήκη εξοικονομητών αέρα στα υπάρχοντα συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού (HVAC) είναι η πιο οικονομική με μέση απόσβεση 2,0 και 4,3 ετών, αντίστοιχα. και (3) δεν είναι οικονομικό να αναβαθμίσετε συστήματα HVAC ή να αντικαταστήσετε παράθυρα στο Σαν Φρανσίσκο λόγω του ήπιου κλίματος της πόλης και των ελάχιστων φορτίων ψύξης και θέρμανσης.

Μια βασική πρόκληση στο UBEM είναι η εξισορρόπηση της ακρίβειας των προσομοιωμένων αποτελεσμάτων και της πολυπλοκότητας του μοντέλου, η οποία έχει ισχυρές επιρροές στους υπολογιστικούς πόρους. Πραγματοποιήσαμε μια άλλη μελέτη για να αξιολογήσουμε τις επιπτώσεις τριών μεθόδων χωροθέτησης ζωνών και της χρήσης πολλαπλασιαστών δαπέδου στην προσομοιωμένη χρήση ενέργειας 940 κτιρίων γραφείων και καταστημάτων σε τρεις κλιματικές ζώνες χρησιμοποιώντας το CityBES.

Η πρώτη μέθοδος χωροθέτησης, το OneZone, δημιουργεί μία θερμική ζώνη ανά όροφο με βάση το αποτύπωμα του κτιρίου-στόχου. Η δεύτερη μέθοδος χωροθέτησης, η AutoZone, χωρίζει το αποτύπωμα του κτιρίου σε ζώνες περιμέτρου και πυρήνα. Για τη μέθοδο AutoZone αναπτύχθηκε ένας νέος αλγόριθμος αυτόματης δημιουργίας ζωνών που βασίζεται σε pixel. Η τρίτη μέθοδος ζωνών, το Prototype, χρησιμοποιεί τα σχήματα πρωτοτύπων κτιρίου αναφοράς του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η προσομοιωμένη χρήση ενέργειας πηγών των κτιρίων με τον πολλαπλασιαστή ορόφου είναι οριακά υψηλότερη έως και 2,6% από εκείνες που μοντελοποιούν ρητά κάθε όροφο, οι οποίες χρειάζονται δύο έως τρεις φορές περισσότερο χρόνο για να λειτουργήσουν.

Σε σύγκριση με τη μέθοδο AutoZone, η μέθοδος OneZone οδηγεί σε μειωμένα θερμικά φορτία και λιγότερες χωρητικότητες εξοπλισμού:15,2% μικρότερη χωρητικότητα ανεμιστήρα, 11,1% μικρότερη ικανότητα ψύξης, 11,0% μικρότερη ικανότητα θέρμανσης, 16,9% λιγότερα φορτία θέρμανσης και 7,5% λιγότερα φορτία ψύξης. Οι διαφορές χρήσης ενέργειας στην πηγή κυμαίνονται από -7,6% έως 5,1%. Κατά τη σύγκριση της μεθόδου Prototype με τη μέθοδο AutoZone, οι διαφορές χρήσης της πηγής ενέργειας κυμαίνονται από -12,1% έως 19,0% και εντοπίζονται μεγαλύτερα εύρη διαφορών για τα θερμικά φορτία και τις χωρητικότητες του εξοπλισμού. Αυτή η μελέτη έδειξε ότι οι μέθοδοι ζωνών έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην προσομοιωμένη χρήση ενέργειας του UBEM. Μια σύσταση που προκύπτει από αυτήν τη μελέτη είναι να χρησιμοποιήσετε τη μέθοδο AutoZone με πολλαπλασιαστή δαπέδου για να λάβετε ακριβή αποτελέσματα, ενώ εξισορροπείτε τον χρόνο εκτέλεσης της προσομοίωσης για το UBEM.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται σε δύο άρθρα με τίτλο Αυτόματη δημιουργία και προσομοίωση ενεργειακών μοντέλων αστικών κτιρίων με βάση σύνολα δεδομένων πόλεων για ανάλυση μετασκευής κτιρίων σε κλίμακα πόλης, και  Impacts of building geometry modeling method on the simulation results of αστικό building energy models, που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy . Η ερευνητική εργασία του UBEM διεξήχθη από τον Δρ. Tianzhen Hong, τον Dr. Yixing Chen και την κυρία Mary Ann Piette από το Τμήμα Τεχνολογίας Κτιρίων και Αστικών Συστημάτων του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley.

Αναφορές

• Chen, Y., Hong, T., Piette, M.A. Αυτόματη δημιουργία και προσομοίωση ενεργειακών μοντέλων αστικών κτιρίων με βάση σύνολα δεδομένων πόλεων για ανάλυση αναβάθμισης κτιρίων σε κλίμακα πόλης. Εφαρμοσμένη Ενέργεια, 2017.
• Hong, T., Chen, Y., Lee, S.H., Piette, M.A. CityBES:A Web-based Platform to Support City-Scale Building Energy Efficiency, Urban Computing 2016, San Francisco.
• Gröger, G., Plümer, L. CityGML – Διαλειτουργικά σημασιολογικά τρισδιάστατα μοντέλα πόλεων, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 71:12–33, 2012.