Los edificios utilizan el 40 por ciento de la energía primaria de Estados Unidos y el 75 por ciento de su electricidad. que puede saltar al 80 por ciento cuando la mayoría de la población está en casa usando sistemas de calefacción o aire acondicionado y las estaciones llegan a sus extremos.

La Oficina de Tecnologías de Construcción (BTO) del Departamento de Energía de EE. UU. 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 los edificios estadounidenses en un 30 por ciento entre 2010 y 2030, un desafío enorme considerando que Estados Unidos alberga 124 millones de estructuras de edificios.

Al mismo tiempo, La Oficina de Electricidad (OE) del DOE apoya la investigación para lograr una seguro, y red eléctrica 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, usar patrones, y las condiciones climáticas predominantes:es una herramienta analítica que se puede utilizar para identificar oportunidades rentables de eficiencia energética en edificios nuevos y existentes. Hoy dia, La recopilación y organización de los datos necesarios para elaborar un modelo energético son en gran medida procesos manuales. Como resultado, El modelado se utiliza solo en una fracción de los proyectos de nueva construcción y modernización.

Un equipo dirigido 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 para hacer posible la creación rentable de un modelo energético 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 de satélite y calibración automatizada:el uso de múltiples simulaciones para encontrar la combinación de parámetros de construcción desconocidos que más se acerque a la energía medida. usar. Para demostrar su enfoque, el equipo utilizó recientemente la supercomputadora Cray XK7 Titan de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) para modelar todos los edificios atendidos por Electric Power Board (EPB) de Chattanooga, todos los 178, 368 de ellos, y descubrió a través de más de 2 millones de simulaciones que EPB podría potencialmente ahorrar entre $ 11 y $ 35 millones por año ajustando el uso de electricidad durante los momentos críticos máximos.

"Este tipo de modelado es realmente el siguiente nivel de inteligencia en políticas y tecnologías de ahorro de energía, "Nuevo dijo.

En el proyecto EPB, financiado por BTO y OE, los modelos se pueden utilizar para sugerir modificaciones u otras soluciones para ahorrar energía, por lo tanto, ayuda a reducir la demanda de electricidad durante las horas críticas pico y equilibra mejor las operaciones de la red eléctrica. Las simulaciones también podrían indicar dónde EPB podría considerar agregar recursos energéticos distribuidos conocidos como microrredes:generación de energía localizada como energía solar, junto con el almacenamiento de energía, para mejorar aún más la resistencia de la red.

New y sus colegas tienen la intención de hacer que los modelos estén disponibles abiertamente para ayudar a reducir la energía, demanda, emisiones, y costos para los hogares y negocios de Estados Unidos.

Supercomputación para soluciones energéticas

EPB's 9, La red de fibra óptica de 000 millas 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 los investigadores de ORNL comparar y validar modelos de construcción de forma rápida y precisa con estos datos del mundo real. Las simulaciones también ayudan a ORNL a mejorar EnergyPlus, Producto insignia de simulación de edificios completos de DOE, en asociación con otros laboratorios nacionales y varios contratistas.

El proyecto reciente se desarrolló a partir del entusiasmo de EPB por comprender el uso y la demanda de energía de los edificios en su territorio.

"EPB quería ver cuánto dinero podían ahorrar a sus clientes tomando medidas para reducir la demanda de energía durante las horas críticas pico, "Nuevo dijo.

Cambiar a gas natural, sellar correctamente los edificios, elevar los niveles de aislamiento al código, y el uso de termostatos inteligentes para precalentar o preenfriar los hogares son algunas formas de reducir la demanda de energía durante los períodos de uso máximo. Cuantificar el ahorro de energía a nivel de edificio y escalarlo hasta casi 179, 000 edificios, sin embargo, es un desafío que requiere recursos informáticos de alto rendimiento como los de la OLCF, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en ORNL.

"EPB tiene 178, 368 edificios, y cada modelo de construcción requiere alrededor de 3, 000 entradas, "Nuevo dijo". 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 ".

A estos números, simular un edificio en una computadora de escritorio lleva entre 2 y 10 minutos. La simulación de múltiples escenarios para cientos de miles de edificios requiere una supercomputadora.

El equipo de ORNL ganó tiempo en la supercomputadora Titan recientemente desmantelada a través del programa de asignación discrecional del director de la OLCF y ejecutó simulaciones de todos los edificios en el territorio de EPB. El equipo ejecutó nueve escenarios de monetización diferentes, con cada conjunto de simulaciones que duran 6,5 horas en Titán, para analizar qué variables del edificio afectan el uso eléctrico y, por lo tanto, el costo para EPB. El equipo quería saber qué pasaría si la infiltración, Encendiendo, o se actualizó el aislamiento para cada edificio.

Al comparar los resultados con los datos de servicios públicos 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 a ciegas, ", Dijo New." Tenemos una tasa de error para cada edificio sobre qué tan 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, Nuevo dijo, es el uso de edificios como "baterías térmicas".

"Cuando bombeas energía a un edificio, puede atravesar la hora crítica en lugar de encender el aire acondicionado durante las horas críticas pico, ", Dijo New." Eso reduce la demanda de manera significativa y podría evitar que una empresa de servicios públicos tenga que construir 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 la implementación completa del programa, Nuevo dijo.

"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 ".