مقدمه: چرا شبیه سازی انرژی ساختمان اکنون بیش از همیشه اهمیت دارد

بخش ساختمان جهانی تقریباً ]40٪ از انتشار دی اکسید کربن مرتبط با انرژی را تشکیل می دهد، زیرا دولت ها کدهای انرژی را سفت می کنند و صاحبان خواستار صورتحساب های کم انرژی هستند، توانایی پیش بینی رفتار انرژی ساختمان قبل از اینکه از ساخت از یک "nic-to-have" برای یکپارچه سازی سیستم های انرژی اولیه، فراهم می کند، و مهندسان طراحی سریع، و سرعت های قابل توجه را فراهم می کند و سرعت تولید می کند.

شبیه سازی انرژی ساختمان چیست؟

نرم افزار شبیه سازی انرژی یک ابزار مبتنی بر کامپیوتر است که عملکرد انرژی ساختمان را در طول زمان مدل می کند. از الگوریتم های ریاضی برای نشان دادن انتقال گرما از طریق دیوارها، پنجره ها و سقف ها استفاده می کند؛ حرکت هوا از طریق سیستم های تهویه؛ بهره گیری از ساکنان، نور و تجهیزات؛ و رفتار سیستم های مکانیکی مانند چیلرها، دیگ بخار ها، و پمپ های گرما، داده های آب و هوا (به طور دقیق، نور ساعت، و یا مواد) را تولید می کند.

انواع ابزارهای شبیه سازی انرژی

  • موتورهای شبیه سازی سوراخ سازی [FLT 1] [به عنوان مثال، EnergyPlus، DOE-2] همه جریان های انرژی را در یک مدل واحد تجزیه و تحلیل می کنند.
  • دینامیک مایع محاسباتی (CFD) ابزار (به عنوان مثال، OpenFOAM، ANSYS Fluent) گردش هوا و توزیع دما به طور دقیق.
  • شبیه سازی نور و نور ویژه [FLT 1] [به عنوان مثال، تابش، DAYSIM] پیش بینی سطح نور طبیعی و انرژی روشنایی الکتریکی.
  • Parametric و بهینه سازی سیستم عامل [FLT 1 ] (به عنوان مثال، ابزار Ladybug، DesignBuilder) اجازه می دهد مقایسه خودکار هزاران نوع طراحی.

انتخاب ابزار بستگی به مرحله پروژه، دقت لازم و سوالات خاص مورد سوال قرار می گیرد، مطالعات توده ای و جهت گیری اولیه ممکن است از موتورهای ساده استفاده کنند، در حالی که طراحی دقیق HVAC اغلب نیاز به یک موتور مانند EnergyPlus دارد که توسط وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود و در برابر داده های ساختمان واقعی معتبر است.

مزایای اصلی استفاده از شبیه سازی در طراحی پایدار

۱- بهینه سازی بهره وری انرژی

شبیه سازی به طراحان اجازه می دهد تا مجموعه های پاکت جایگزین، انواع شیشه ای، دستگاه های سایه دار و ضخامت عایق را قبل از ارتکاب به مواد آزمایش کنند، به عنوان مثال، یک مطالعه پارامتری ممکن است نشان دهد که اضافه کردن سایه های بیرونی به پنجره های جنوبی باعث کاهش بار خنک کننده توسط 30٪ بیشتر از ارتقاء به سه برابر شدن می شود.این نوع از تصمیم گیری مبتنی بر شواهد تضمین می کند که هر دلار صرف شده در حداکثر بهره وری ارائه می دهد.

۲- افزایش آرامش داخلی و سلامت

فراتر از انرژی، مدل های شبیه سازی معیارهای حرارتی مانند پیش بینی شده به معنی رای (PMV) و دمای عملیاتی را پیش بینی می کنند، آنها همچنین اثربخشی تهویه، کیفیت هوای داخلی و بیش از حد خطر را ارزیابی می کنند.در یک مطالعه، ساختمان هایی که برای استراتژی های تهویه طبیعی شبیه سازی شده اند، کاهش 40٪ در ساعت بیش از 28 درجه سانتیگراد نسبت به طرح های کد به حداقل رساندن آن نشان داد.

کاهش هزینه های چرخه عمر

اگرچه شبیه سازی نیاز به سرمایه گذاری در زمان و مجوز نرم افزار دارد، اما به طور مداوم با اجتناب از تجهیزات بیش از اندازه، منطقه شیشه ای غیر ضروری و تغییرات سیستم آخرین دقیقه ای که توسط آزمایشگاه انرژی تجدید پذیر ملی 2020 انجام می شود، نشان می دهد که شبیه سازی یکپارچه در طراحی، کل هزینه های انرژی ساختمان را به طور متوسط 23 درصد در یک نمونه از 60 پروژه تجاری کاهش می دهد و کاهش می یابد.

۴- تسریع گواهینامه ساختمان سبز

برنامه هایی مانند LEED، BREEAM و استاندارد ساختمان سازی خوب (که اغلب نیاز به مدل سازی انرژی دارند یا پاداش می دهند) شبیه سازی انرژی لازم را فراهم می کند - مانند اعتبار عملکرد انرژی LEED Optimize - و می تواند مطابق با استاندارد ASHRAE 90.1 یا کد حفاظت از انرژی بین المللی، بسیاری از بسته های نرم افزار در حال حاضر گزارش های انطباق را به طور خودکار، صرفه جویی در هفته های اداری دستی برای مثال، شبیه سازی (FLT1) ارائه می دهد.

ویژگی های کلیدی ابزار شبیه سازی انرژی ساختمان مدرن

نرم افزار امروز فراتر از تعادل انرژی پایه است.ویژگی های زیر ابزارهای پیشرفته را از ماشین آلات ساده متمایز می کند:

  • ابزار به طور ساعتی فایل های آب و هوایی را از پایگاه های داده مانند EnergyPlus Weather (EPW) که شامل مکان های جهانی، سال های هواشناسی معمولی و سناریوهای آب و هوایی آینده برای تجزیه و تحلیل انعطاف پذیری آب و هوا.
  • کتابخانه های دقیق مواد: پایگاه داده های هدایت حرارتی، درجه حرارت خورشیدی، ضریب انتقال قابل مشاهده، و efeiivity اجازه می دهد تا مدل سازی دقیق از همه چیز از عایق آئروگل به شیشه الکتروکروم.
  • [HVAC Modeling: کاربران می توانند سیستم های متعارف (واحدهای فوق العاده، VRF، پرتوهای سرد) و همچنین رویکردهای جدید مانند اسلیم های تابشی، پمپ های حرارتی منبع زمین و انرژی و تهویه کننده های بازیابی انرژی را شبیه سازی کنند.
  • شبیه سازی انرژی تجدید پذیر [FLT 1]، خورشیدی یکپارچه PV، توربین های بادی و سیستم های حرارتی خورشیدی می تواند در همان مدل اندازه و بهینه سازی شود.
  • ] تجزیه و تحلیل پارامتری و حساسیت: ابزار مانند و یا ابزار لیدbug خودکار صدها نوع مختلف را اجرا می کنند، که نشان می دهد پارامترهای طراحی بیشتر بر استفاده از انرژی تاثیر می گذارد.
  • [FLT: 1 ] نقشه های حرارتی 3D، نمودارهای انرژی جریان دارد و داشبوردهای تعاملی نتایج قابل دسترس برای غیرکارشناسان و مشتریان را ایجاد می کنند.

تاثیر بر طراحی ساختمان پایدار: مثال های واقعی

اثرات زیست محیطی و اقتصادی طراحی شبیه سازی به خوبی مستند شده است.در یک ساختمان اداری خالص صفر در شمال غرب اقیانوس آرام، مهندسان از EnergyPlus برای مدل سازی برج های خنک کننده منفعل و خنک کننده تابش شب، برش اندازه سیستم مکانیکی توسط 45٪ و دستیابی به استفاده از انرژی سالانه خالص صفر استفاده می کنند. یکی دیگر از پروژه های مسکونی بالا در سنگاپور استفاده از شبیه سازی CFD برای بهینه سازی تهویه مطبوع، کاهش سرعت هوا در حالی که حفظ 60٪ و دستیابی به صرفه جویی در طول سال است.

شبیه سازی همچنین نقش مهمی در ساختمان های موجود مقاوم در برابر A 2022 دارد مطالعه موردی از یک دفتر بتنی 1970 در بوستون از شبیه سازی برای ارزیابی 15 بسته های مقاوم استفاده کرد، از جمله فیلم پنجره، عایق سقف و ارتقاء HVAC. ترکیب بهینه - که از طریق هزاران اجرا شبیه سازی شده است - استفاده از انرژی کاهش یافته توسط 38٪ با بازپرداخت 6.2 سال بدون شبیه سازی، احتمالاً یک پنجره به روز رسانی کمتر موثر است.

برای طراحانی که برای گواهینامه هایی مانند خانه Passive استفاده می کنند، شبیه سازی اجباری است. موسسه خانه Passive نیاز به استفاده از ابزار PHPP (بسته برنامه ریزی خانه های ورودی) دارد که به محاسبات تعادل انرژی ماهانه متکی است که اساسا شبیه سازی ساده ای هستند. معمارانی که شبیه سازی پویا را در نظر می گیرند اغلب به نتایج بهتر از PHPP به تنهایی، به ویژه برای زمین های پیچیده یا استراتژی های نوآورانه HVAC.

چالش ها و محدودیت های شبیه سازی انرژی

علی رغم ارزش ثابت شده آن، شبیه سازی یک گلوله نقره ای نیست.

  • کیفیت داده ها: Garbage in, Waste out. Inaccurate مواد, برنامه های اشغالی از دست رفته و یا فایل های آب و هوایی ضعیف می تواند منجر به نتایج گمراه کننده.
  • تخصص کاربر: موتورهای پیشرفته مانند EnergyPlus نیاز به آموزش در انتقال گرما، ترمودینامیک و نحو نرم افزار.
  • منابع محاسباتی: ، شبیه سازی دقیق CFD یا ساعت سالانه یک ساختمان بزرگ می تواند ساعت ها طول بکشد تا اجرا شود، و طراحی آن را کند.
  • نظارت مدل سازی: جزئیات کوچک، مانند حرارت در نفوذ بالکن یا سایه از ساختمان های مجاور، اغلب حذف می شوند، و منجر به پیش بینی های خوش بینانه می شوند.

برای کاهش این مسائل، بسیاری از شرکت ها اکنون مدل های انرژی تخصصی را استخدام می کنند یا از خدمات شبیه سازی مبتنی بر ابر استفاده می کنند که به طور موازی اجرا می شود. ابزارهای منبع باز مانند EnergyPlus [FLT 1] رایگان هستند، اما نیاز به تنظیم قابل توجهی دارند، در حالی که سیستم عامل های تجاری رابط های کاربر پسند بیشتری را با هزینه بالاتر ارائه می دهند.

روند آینده: AI، Twins دیجیتال و شبیه سازی زمان واقعی

موج بعدی شبیه سازی انرژی ساختمان توسط هوش مصنوعی و اینترنت اشیا (IoT) شکل می گیرد الگوریتم های یادگیری ماشین اکنون می توانند مدل های شبیه سازی را در برابر داده های سنسور ساختمان واقعی کالیبره کنند، ایجاد " دوقلوهای دیجیتال" که به طور مداوم پیش بینی های خود را بر اساس آب و هوا واقعی و اشغال به روز می کنند.این به اپراتورها اجازه می دهد تا عملکرد انرژی را در زمان واقعی، تنظیم نقاط یا برنامه ریزی های اضافی برنامه ریزی شده بهینه سازی کنند.

ابزارهای طراحی Generative مانند Autodesk Forma یا Cove.tool – از شبیه سازی همراه با AI برای پیشنهاد هزاران گزینه طراحی سازگار در دقیقه استفاده کنید، انتخاب شده به اجرا کنندگان برتر برای پایداری و هزینه است.این به طور چشمگیری فاز طراحی اولیه را کوتاه می کند. علاوه بر این، شبیه سازی کربن کل زندگی، که کربن را از مواد همراه انرژی عملیاتی محاسبه می کند، در بسته های پیشرو استاندارد می شود.

نتیجه گیری

نرم افزار شبیه سازی انرژی از یک کمک فنی طاقچه به بخش ضروری از طراحی ساختمان پایدار انتقال یافته است، معماران و مهندسان را قادر می سازد تا مبادلات تجاری را تعیین کنند، مصرف انرژی را کاهش دهند، انتشار گازهای گلخانه ای پایین تر و فضاهای راحت را ارائه دهند که با استانداردهای سبز دقیق، سریعتر، دقیق تر و یکپارچه تر با ابزارهای طراحی، نقش آن در شکل دادن محیط ساخته شده برای نسل های کم کربن، تنها یک ابزار رقابتی است.