Development of methodologies for automatic thermal model generation using building information models
Authors: Γιαννάκης Γεώργιος 
Published: August 2021

Τα τελευταία χρόνια ιδιαιτέρο ενδιαφέρον έχει παρουσιαστεί στον τομέα της ενεργειακήςαπόδοσης και εξοικονόμησης κτηρίων, καθώς η ταχεία αύξηση της ενεργειακής κατανάλωσης έχει ήδη εγείρει ανησυχίες για την εξάντληση των συμβατικών ενεργειακών πόρων. Προς αυτή την κατεύθυνση, η χρήση θερμικών μοντέλων λεπτομερούς προσομοίωσης κτηρίων (Building Energy Performance simulation — BEPs) είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα και προσδίδει σημαντικές δυνατότητες κατά τις φάσεις σχεδιασμού και λειτουργίας, καθώς τα μοντέλα αυτά δύναται να προβλέψουν με υψηλή ακρίβεια την ενεργειακή συμπεριφορά των κτηρίων. Τα κτήρια αντιμετωπίζονται ως πολύπλοκα συστήματα και μια λεπτομερής προσομοίωση απαιτεί να ληφθούν υπόψη τα πραγματικά κλιματικά δεδομένα, η γεωμετρία, τα υλικά του κτηρίου, τα συστήματα θέρμανσης — αερισμού — κλιματισμού και η συμπεριφορά του χρήστη. Τα δεδομένα αυτά μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: στατικά δεδομένα, που περιέχουν πληροφορίες για τη γεωμετρία, τα υλικά κατασκευής και τα συστήματα θέρμανσης — αερισμού — κλιματισμού, και δυναμικά δεδομένα, τα οποία περιγράφουν τα χρονοδιαγράμματα λειτουργίας διαφόρων παραμέτρων του κτηρίου καθώς και τα ισχύοντα κλιματικά δεδομένα. Συνεπώς, στοχεύοντας στην ανάπτυξη ενός λεπτομερούς μοντέλου θερμικής προσομοίωσης απαιτείται η λεπτομερής καταγραφή και προώθηση των δεδομένων αυτών σε ένα λογισμικό προσομοίωσης, ορίζοντας τα δεδομένα εισόδου του εν λόγω λογισμικού. Απόρροια της δυσκολίας να συλλεγούν και να οριστούν καταλλήλως τα δεδομέναεισόδου αποτελεί ο υψηλός φόρτος εργασίας για την ανάπτυξη μοντέλων BEPs.Όσον αφορά στα στατικά δεδομένα, η ανάπτυξη μίας μεθοδολογίας για ημι-αυτόματη δημιουργία μοντέλων BEPs θα μπορούσε να επιταχύνει τη διαδικασία μοντελοποίησης. Προς αυτή την κατεύθυνση, τα Κτηριακά Πληροφοριακά Μοντέλα (Building Information Models – BIM) είναι πλούσια σε πληροφορία αρχεία που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την επίσπευση της διαδικασίας συλλογής των στατικών δεδομένων. Αναφερόμενοι στη γεωμετρία, το ανοικτό πρότυπο τυποποιημένων κλάσεων Industry Foundation Classes (IFC) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή της στατικής αυτής πληροφορίας, αλλά σε μορφή που συνήθως δεν δύναται άμεσα να αξιοποιηθεί για την παραγωγή των μοντέλων θερμικής προσομοίωσης λόγω της απουσίας των 2oυ επιπέδου χωρικών ορίων (2nd level space boundaries). Αν και το πρότυπο IFC υποστηρίζει την καταγραφή των 2oυ επιπέδου χωρικών ορίων, οι τρέχουσες εκδόσεις εργαλείων που εξάγουν τα αρχεία IFC αδυνατούν να περιγράψουν ορθώς τα όρια αυτά. Σε περιπτώσεις όπου η πληροφορία των 2oυ επιπέδου χωρικών ορίων είναι διαθέσιμη, απαιτείται μια αντιστοίχηση των δεδομένων του IFC σε δεδομένα εισόδου για ένα συγκεκριμένο λογισμικό προσομοίωσης. Μια ακριβής αντιστοίχηση των δεδομένων αυτών μπορεί να οδηγήσει σε μια υψηλής ακρίβειας γεωμετρία του μοντέλου BEPs. Σε αυτό το σημείο, ένα ερώτημα το οποίο ο δημιουργός του μοντέλου θα κληθεί να απαντήσει είναι το πόσο ακριβές πρέπει να είναι το μοντέλο θερμικής προσομοίωσης. Η ακρίβεια ενός μοντέλου διαφοροποιείται ανάλογα με τον σκοπό για τον οποίο χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα, οι απαιτήσεις ακρίβειας των θερμικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται κατά την φάση ανάπτυξης προηγμένων στρατηγικών ελέγχου των ενεργειακών στοιχείων του κτηρίου (όπως για παράδειγμα των συστημάτων κλιματισμού και θέρμανσης, καθώς και συστήματων σκίασης και φυσικού αερισμού) διαφέρουν σημαντικά σε σχέση με τις απαιτήσεις των μοντέλων προσομοίωσης που χρησιμοποιούνται κατά τις ενεργειακές επιθεωρήσεις. Κατά την φάση ανάπτυξης προηγμένων στρατηγικών ελέγχου, απαιτείται ένα μοντέλο χαμηλής υπολογιστικής πολυπλοκότητας, που είναι σε θέση να συλλάβει τις ευαισθησίες και τις τάσεις κατά τη μεταβολή των συνθηκών, αλλά η υψηλή ακρίβεια δεν είναι απαραίτητη. ΄Οσον αφορά στα δυναμικά δεδομένα, η διαθεσιμότητα μετρούμενων από αισθητήρες δυναμικών δεδομένων σε ένα κτήριο αποτελεί μια ευκαιρία για την εξάλειψη αβεβαιοτήτων του μοντέλου BEPs χωρίς να αυξάνεται η υπολογιστική πολυπλοκότητα. Αναφερόμενοι στις καιρικές συνθήκες, τα δεδομένα αυτά είναι σύνηθες να μην περιλαμβάνουν πληροφορία σχετικά με την ηλιακή ακτινοβολία, παρά μόνο το ποσοστό κάλυψης του ουρανού από σύννεφα. Ακόμα και αν υπάρχουν διαθέσιμα στοιχεία της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας, ένα κρίσιμο στοιχείο για την προσομοίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτηρίων είναι η διαθεσιμότητα δεδομένων τόσο της διάχυτης όσο και της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας, δεδομένα τα οποία επί το πλείστον δεν είναι διαθέσιμα.Σε αυτή την διατριβή, αρχικά παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για την ημι-αυτόματη δημιουργία των στατικών δεδομένων μοντέλων θερμικής προσομοίωσης, αποτελούμενη από τα εξής βήματα: 1) συλλογή δεδομένων που περιγράφουν τη γεωμετρία του κτηρίου από το σχετικό αρχείο IFC, 2) επεξεργασία των δεδομένων που αποκτήθηκαν από έναν αλγόριθμο υπολογισμού των 2oυ επιπέδου χωρικών ορίων (αλγόριθμος CBIP), και 3) εφαρμογή μιας διαδικασίας μετασχηματισμού που μετατρέπει την πληροφορία της γεωμετρίας του αρχείου IFC και τα αποτελέσματα του αλγορίθμου CBIP σε δεδομένα εισόδου των λογισμικών θερμικής προσομοίωσης EnergyPlus και TRNSYS. Στη συνέχεια, η γεωμετρία του μοντέλου BEPs που προκύπτει εφαρμόζοντας την προαναφερθείσα μεθοδολογία είναι υψηλής λεπτομέρειας λόγω υψηλού αριθμού επιφανειών και θερμικών ζωνών, αυξάνοντας το χρόνο εκτέλεσης της προσομοίωσης και αποκλείοντας τη χρήση τους κατά τη φάση ανάπτυξης προηγμένων στρατηγικών ελέγχου των ενεργειακών στοιχείων του κτηρίου. Συνεπώς, διερευνώνται μεθοδολογίες επιτάχυνσης της προσομοίωσης που εστιάζουν στη μείωση του πλήθους των επιφανειών ή / και των θερμικών ζωνών έτσι ώστε να μειωθεί η πολυπλοκότητα του μοντέλου. Έπειτα, ο καθορισμός μιας σύνδεσης του μοντέλου BEPs με μετρήσεις αισθητήρων του κτηρίου είναι υψίστης σημασίας. Η σύνδεση αυτή, ιδιαίτερα επιθυμητή επίσης για τη δοκιμή και το σχεδιασμό των στρατηγικών ελέγχου, επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα ευρέως γνωστό λογισμικό ανταλλαγής δεδομένων, το Building Controls Virtual Test Bed (BCVTB). Τέλος, μεταξύ μιας πληθώρας μεθόδων για την εκτίμηση της δίαχυτης και της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας, το ερώτημα της καταλληλότερης μεθόδου δεν έχει πλήρως διευθετηθεί, ερώτημα στο οποίο η διατριβή αυτή προσπαθεί να απαντήσει.Η μεθοδολογία για την ημι-αυτόματη δημιουργία μοντέλων θερμικής προσομοίωσης εφαρμόστηκε σε πραγματικά κτήρια και τα αποτελέσματά τους παρουσιάζονται, αναδεικνύοντας την ικανότητα της μεθοδολογίας στο χειρισμό πολύπλοκων (μη-κυρτών) γεωμετριών και στην παραγωγή όλων των δεδομένων της γεωμετρίας που απαιτούνται από το μοντέλο θερμικής προσομοίωσης. Η μεθοδολογία επιταχύνει σημαντικά τη συνολική διαδικασία δημιουργίας μοντέλων θερμικής προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας τη γεωμετρική πληροφορία που περιλαμβάνεται στο αρχείο IFC. Στη συνέχεια, οι μεθοδολογίες επιτάχυνσης της προσομοίωσης αξιολογήθηκαν με βάση την ακρίβεια και την υπολογιστική πολυπλοκότητα σε πραγματικά κτήρια. Επιπλέον, από ένα πλήθος πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν στα κτήρια αυτά, ένα επιλέχθηκε να παρουσιαστεί, τονίζοντας την αναγκαιότητα της σύνδεσης των μετρήσεων αισθητήρων με το θερμικό μοντέλο για την εξάλειψη των αβεβαιοτήτων του μοντέλου θερμικής προσομοίωσης. Τέλος, οι διάφορες μέθοδοι εκτίμησης της διάχυτης και άμεσης ακτινοβολίας αξιολογήθηκαν, υποδεικνύοντας ότι δεν υπάρχει μία μέθοδος αισθητά καλύτερη από τις υπόλοιπες.