Validation and Sensitivity Analysis of an Optimization Platform for Efficient Energy-plus Buildings

Abstract

A otimização de desempenho tornou-se uma abordagem padrão para o projeto de controle de sistemas de energia. Na França, país onde foi realizado o projeto de fim de curso, essa mesma atividade de pesquisa acontece no setor da construção Civil. Neste segmento, o maior setor consumidor de energia é o setor residencial terciário, o que torna óbvio um esforço em novas soluções, permitindo um ganho econômico e ambiental. A concepção de prédios e edifícios baseia-se geralmente em uma abordagem sequencial, que primeiro visa a redução da demanda, depois a eficiência energética e finalmente recorre à utilização de energias renováveis. Ao analisar todos os componentes em conjunto, como no caso do projeto holístico de construção, é possível obter um ótimo global, que difere em muitos aspectos do obtido pela segmentação das fases. Para isso, é necessário otimizar o projeto considerando o edifício como um todo, levando em consideração seu revestimento e isolação, sistema de trocas de calor, ocupação e o impacto ambiental, tudo isso durante a sua vida útil.

Existem dificuldades significativas na abordagem holística, por exemplo, o tempo de cálculo devido à complexidade, a simulação dinâmica do edifício, a explosão combinatória ligada às variáveis de decisão e parâmetros de otimização, incertezas, etc. O uso de técnicas como modelos substitutos e computação paralela auxiliam na resolução de alguns destes problemas. Como muitos aspectos devem ser considerados, a otimização é multi-objetiva e não-linear, no entanto, para aplicações práticas, a computação deve ser feita em tempo razoável. Além disso, há a necessidade de intercambiabilidade de diferentes ferramentas (para modelagem, otimização, tomada de decisão, por exemplo). O projeto INTENSE apresenta uma metodologia e o desenvolvimento de um ambiente de programação para a referida otimização holística dos edifícios. Este estágio está situado no final do projeto, ao passo que a validação para a metodologia e para a ferramenta desenvolvida deve ser fornecida, assim como uma análise de sensibilidade.

Performance optimization has become a standard approach for the design and control of energy systems. This same research activity happens in the building sector. It is well known that in France, the greatest energy consuming sector is the tertiary residential sector, which makes obvious to focus the effort in new solutions, allowing an economic and environment gain. The design of buildings is usually based on a sequential approach, which first accesses the demand reduction, then checks the energy efficiency and finally targets the use of renewable energy. When analysing all components together, as in the case of a holistic building design, it is possible to obtain a global optimum, that differs in many ways from the one obtained by segmenting the phases. In order to do that, it is necessary to optimize the design considering the building as a whole, by taking into consideration its envelope, system, occupancy and the environmental impact, all of it over the buildings life time. There are significant difficulties on the holistic approach, for instance, calculation time due to the complexity, dynamics simulation of the building, the combinatorial explosion linked to the decision variables and parameters on the optimization, uncertainties, etc. The use of techniques such as surrogate models and parallel computing brings an aid to solve some of the issues. Since many aspects are to be considered, the optimization is multi-objective and nonlinear, however, for practical applications, the computation has to be done in reasonable time. Moreover, there is the necessity of interchangeability of different tools (for modeling, optimizing, decision making, for instance).

Project INTENSE presents a methodology and the development of a programming environ- ment for such holistic optimization of buildings. This internship is placed at the end of the

project, whereas validation for the methodology and for the developed tool has to be provided, as well as a sensitivity analysis has to be made.