Los edificios usan el 40 por ciento de la energía primaria de Estados Unidos y el 75 por ciento de su electricidad, lo que puede aumentar al 80 por ciento cuando la mayoría de la población está en casa usando sistemas de calefacción o refrigeración y las estaciones alcanzan sus extremos.
La Oficina de Tecnologías de Construcción BTO del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, una de las ocho oficinas de tecnología dentro de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, tiene como objetivo reducir el consumo de energía por pie cuadrado de edificios estadounidenses en un 30 por ciento de2010 a 2030: un desafío enorme teniendo en cuenta que Estados Unidos alberga 124 millones de estructuras de construcción.
Al mismo tiempo, la Oficina de Electricidad OE del DOE apoya la investigación para una red eléctrica más eficiente, segura y moderna, incluida la investigación sobre formas de controlar la demanda de electricidad para mantener la red equilibrada y más resistente a las interrupciones.
Modelado de energía del edificio - simulación por computadora del uso de energía del edificio dada una descripción del edificio, sus sistemas, patrones de uso y condiciones climáticas predominantes - es una herramienta analítica que se puede usar para identificar oportunidades rentables de eficiencia energética en las existentesy nuevos edificios. Hoy en día, la recopilación y organización de los datos necesarios para armar un modelo energético son en gran medida procesos manuales. Como resultado, el modelado se usa solo en una fracción de los proyectos de nueva construcción y modernización.
Un equipo liderado por Joshua New, miembro del personal senior de investigación y desarrollo del Laboratorio Nacional Oak Ridge ORNL del DOE, está buscando cambiar eso y específicamente hacer posible la creación rentable de un modelo de energía de construcción para cada edificio en Estados Unidos.El enfoque ORNL se basa en la extracción automatizada de parámetros de construcción de alto nivel, como el área del piso y la orientación de fuentes de datos disponibles públicamente, como imágenes satelitales y calibración automatizada: el uso de simulaciones múltiples para encontrar la combinación de parámetros de construcción desconocidos que mejor coincidan con los medidosuso de energía. Para demostrar su enfoque, el equipo recientemente utilizó la supercomputadora Cray XK7 Titan de Oak Ridge Leadership Computing Facility OLCF para modelar cada edificio atendido por la Junta de Energía Eléctrica EPB de Chattanooga, los 178,368 de ellos, y descubrióa través de más de 2 millones de simulaciones de que EPB podría potencialmente ahorrar $ 11- $ 35 millones por año al ajustar el uso de electricidad durantetiempos críticos máximos.
"Este tipo de modelado es realmente el siguiente nivel de inteligencia en políticas y tecnologías de ahorro de energía", dijo New.
En el proyecto EPB, financiado por BTO y OE, los modelos se pueden usar para sugerir modificaciones u otras soluciones para ahorrar energía, lo que ayuda a reducir la demanda de electricidad durante las horas pico críticas y equilibrar mejor las operaciones de la red eléctrica. Las simulaciones también podrían indicardonde EPB podría considerar agregar recursos de energía distribuidos conocidos como microrredes generación de energía local como la solar, junto con almacenamiento de energía para mejorar aún más la capacidad de recuperación de la red.
New y sus colegas tienen la intención de hacer que los modelos estén disponibles de forma abierta para ayudar a reducir la energía, la demanda, las emisiones y los costos de los hogares y negocios de Estados Unidos.
Supercomputación para soluciones energéticas
La red de fibra óptica de 9,000 millas de EPB sirve como la columna vertebral de su Smart Grid, uno de los sistemas de distribución eléctrica más avanzados del país. EPB registra datos de servicios públicos cada 15 minutos para cada edificio en su territorio de servicio. La asociación EPB-ORNL permite a ORNLinvestigadores para comparar y validar de forma rápida y precisa los modelos de construcción con estos datos del mundo real. Las simulaciones también ayudan a ORNL a mejorar EnergyPlus, el producto estrella de simulación de edificios enteros del DOE, en asociación con otros laboratorios nacionales y varios contratistas.
El reciente proyecto se desarrolló a partir del afán de EPB por comprender el uso de energía y la demanda de los edificios en su territorio.
"EPB quería ver cuánto dinero podrían ahorrar a sus clientes tomando medidas para reducir la demanda de energía durante las horas pico críticas", dijo New.
Cambiar a gas natural, sellar edificios adecuadamente, elevar los niveles de aislamiento al código y usar termostatos inteligentes para precalentar o preenfriar hogares son algunas formas de reducir la demanda de energía en tiempos de uso máximo. Cuantificar el ahorro de energía en un edificioSin embargo, nivelar y escalar hasta casi 179,000 edificios es un desafío que requiere recursos informáticos de alto rendimiento, como los de OLCF, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en ORNL.
"EPB tiene 178,368 edificios, y cada modelo de edificio requiere alrededor de 3,000 entradas", dijo New. "Si quisiéramos incluir un programa de iluminación de 15 minutos, tendríamos 35,040 números solo para decirnos si las luces están encendidas o apagadas- y esa es solo una entrada "
En estos números, simular un edificio en una computadora de escritorio lleva entre 2 y 10 minutos. Simular múltiples escenarios para cientos de miles de edificios requiere una supercomputadora.
El equipo ORNL ganó tiempo en la supercomputadora Titan recientemente desmantelada a través del programa de asignación discrecional del Director del OLCF y realizó simulaciones de todos los edificios en el territorio de EPB. El equipo ejecutó nueve escenarios de monetización diferentes, con cada conjunto de simulaciones que duraron 6.5 horas en Titán,para analizar qué variables del edificio afectan el uso eléctrico y, por lo tanto, le cuestan a EPB. El equipo quería saber qué sucedería si se mejorara la infiltración, la iluminación o el aislamiento para cada edificio.
Al comparar los resultados con los datos de la utilidad de 15 minutos, el equipo verificó la precisión de las mediciones de energía ahorrada y gastada.
"No solo estamos creando estos modelos y haciendo análisis hipotéticos", dijo New. "Tenemos una tasa de error para cada edificio sobre cuán cerca estamos igualando ese uso de energía de 15 minutos".
Mejor para los negocios
En 2020, EPB planea instalar termostatos inteligentes en unos 200 edificios para validar las estimaciones de simulación del equipo. Una estrategia que debe validarse, dijo New, es el uso de edificios como "baterías térmicas".
"Cuando bombea energía a un edificio, puede pasar la hora crítica en lugar de encender el aire acondicionado durante los momentos críticos más altos", dijo New. "Eso reduce la demanda significativamente y podría evitar que una empresa de servicios públicos tenga queconstruir una nueva subestación multimillonaria "
Reducir el uso y la demanda de energía es un objetivo importante para los investigadores y las empresas de servicios públicos. La instalación del termostato podría ser el primer paso para el despliegue completo del programa, dijo New.
"Al final del día, las empresas de servicios públicos quieren que la energía sea un factor de productividad económica", dijo New. "Nuestros modelos les están ayudando a lograr ese objetivo".
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E. Garrison, JR New y M. Adams, "Precisión de un enfoque bruto de los modelos urbanos de energía de edificios de varias escalas en comparación con el uso de electricidad de 15 minutos". Premio al mejor trabajo de doctorado en papel Actas de la Conferencia de Invierno de ASHRAE , Atlanta, GA, 12-16 de enero de 2019.
E. Garrison, JR New y M. Adams, "Edificios como baterías térmicas: potencial de afeitado de picos de termostatos inteligentes y capacitancia térmica variable". Actas de la Conferencia de simulación de construcción de IBPSA Roma, Italia, del 2 al 4 de septiembre de 2019.
JR New, M. Adams, E. Garrison, W. Copeland, B. Smith y A. Campbell, "Nailing the Peak: City-Scale, Building-Specific Load Factor and Contribution to the Utility of Hour of Critical Generation." Actas de la Conferencia de simulación de construcción de IBPSA Roma, Italia, del 2 al 4 de septiembre de 2019.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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