Διερεύνηση της ενεργειακής απόδοσης ενός κτιρίου με τη χρήση του λογισμικού BEopt

Abstract

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία πραγματεύεται την παρουσίαση και την χρήση του λογισμικού με την ονομασία BEopt (Building Energy Optimization), το οποίο δημιουργήθηκε από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμης Ενέργειας των Ηνω- μένων Πολιτειών της Αμερικής (NREL).

Το λογισμικό αυτό, σε πρώτη φάση, παρέχει δυνατότητες για την αξιολόγηση κτιριακών μοντέλων και τον προσδιορισμό των βέλτιστων κατασκευαστικών επιλο- γών που μπορούν να πραγματοποιηθούν στο ίδιο το κέλυφος του κτιρίου, με σκοπό το κτίριο να καταναλώνει όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια και να έχει το χαμηλότε- ρο κόστος αναφορικά με τη χρήση αυτής της ενέργειας.

Ταυτόχρονα με τον περιορισμό στη κατανάλωση ενέργειας, δύναται να προσ- διοριστούν και τυχόν κίνητρα για την παραγωγής αυτής της απαιτούμενης ενέργειας από το κτίριο, μέσω εγκατάστασης φωτοβολταϊκών συστημάτων στο κτίριο. Με τον τρόπο αυτό, μπορεί το κτιριακό μοντέλο να εισέλθει στην κατάσταση Μηδενικής Κα- θαρής Ενέργειας (Zero Net Energy - ZNE) οπού το ίδιο το κτίριο παράγει την ενέρ- γεια που έχει ανάγκη.

Στο πρώτο μέρος της εργασίας αυτής, το οποίο είναι θεωρητικό, παρουσιάζε- ται το λογισμικό BEopt. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται αναλυτικά ο τρόπος χρήσης του, ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται η εισαγωγή των διάφορων δεδομένων, ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιούνται οι υπολογισμοί από το λογισμικό, αλλά και ο τρόπος με τον οποίο παρουσιάζονται όλα τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων με τη μορφή έτοιμων γραφημάτων.

Στο δεύτερο μέρος, το οποίο είναι υπολογιστικό, πραγματοποιείται η υπολο- γιστική διερεύνηση δύο Υποθέσεων. Και στις δυο Υποθέσεις, υπάρχει το ίδιο κτίριο αναφοράς και το λογισμικό διερευνά διορθωτικές παρεμβάσεις στο κέλυφος, με δυο διαφορετικούς τρόπους ανάλυσης, για την εκλογή του βέλτιστου συνδυασμού. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών παρουσιάζονται με τη μορφή γραφημάτων.

Πιο αναλυτικά:

Στο πρώτο κεφάλαιο, πραγματοποιείται μια πρώτη εισαγωγή στο BEopt. Πα- ρουσιάζεται συνοπτικά ο σκοπός της χρήσης του λογισμικού αυτού και παρουσιάζο- νται όλα τα στάδια εφαρμογής του σε κτιριακά μοντέλα, από τις απλές κατασκευα- στικές παρεμβάσεις στο κέλυφος, έως την κατάσταση της Μηδενικής Καθαρής Ενέρ- γειας (Zero Net Energy - ZNE).

Στο δεύτερο κεφάλαιο, πραγματοποιείται η παρουσίαση του τρόπου χρήσης του λογισμικού. Παρουσιάζονται όλες οι εργαλειοθήκες τα μενού χρήσης και όλες οι επιμέρους ρυθμίσεις και επιλογές που είναι αναγκαίες για τη χρήση του BEopt. Στο τρίτο κεφάλαιο, πραγματοποιείται η παρουσίαση του τρόπου εισαγωγής των δεδομένων στο λογισμικό. Απεικονίζεται ο τρόπος σχεδίασης του κτιριακού μοντέλου, η εισαγωγή των κατασκευαστικών του επιλογών με την διαχείριση των επιμέρους βιβλιοθηκών από αυτές τις επιλογές, η εισαγωγή των οικονομικών στοιχείων και πιθανών κινήτρων, καθώς και οι τρόποι με τους οποίους το λογισμικό αναλύει τα δεδομένα που θα εισαχτούν.

Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο το λογισμικό εκτελεί τις προσομοιώσεις και τους υπολογισμούς των δεδομένων που έχουν εισαχτεί, και παρουσιάζει τα αποτελέσματα αυτόν των υπολογισμών, μέσω της παρουσίασης όλων των γραφημάτων που δημιουργούνται.

Στο πέμπτο κεφάλαιο, πραγματοποιείται η δημιουργία, η εκτέλεση και η ανάλυση των αποτελεσμάτων της πρώτης Υπόθεσης. Το BEopt χρησιμοποιεί την Λειτουργία Σχεδιασμού για να αναλύσει τα δεδομένα εισόδου. Στην Υπόθεση αυτή δημιουργήθηκαν συγκεκριμένες παραλλαγές ενός κτιρίου αναφοράς με διαφοροποιημένη μόνο την μόνωση των τοίχων και το είδος των παραθύρων και το λογισμικό συνέ-κρινε τον κάθε ένα συνδυασμό με το κτίριο αναφοράς. Τέλος παρουσιάζονται τα α-ναλυτικά γραφήματα για τον κάθε συνδυασμό.

Στο έκτο κεφάλαιο, πραγματοποιείται η δημιουργία, η εκτέλεση και η ανάλυση των αποτελεσμάτων της δεύτερης Υπόθεσης. Το BEopt χρησιμοποιεί την Λειτουργία Βελτιστοποίησης για να αναλύσει τα δεδομένα εισόδου. Στην Υπόθεση αυτή το κτίριο αναφοράς παραμένει το ίδιο με την προηγούμενη Υπόθεση. Η διαφοροποίηση εδώ είναι, ότι εισάγονται πολλαπλές επιλογές για το είδος της μόνωσης και των παραθύρων στο πρόγραμμα και αυτό πραγματοποιεί πολλαπλούς υπολογισμούς για όλους τους δυνατούς συνδυασμούς που αυτό μπορεί να δημιουργήσει. Αφού αξιολογήσει κάθε δυνατό συνδυασμό, παρουσιάζει μια σειρά από βέλτιστους συνδυασμούς, ο ένας πιο αποδοτικός από τον προηγούμενο, έως ότου καταλήξει στον τελικό συνδυασμό που θα είναι ο ολικός βέλτιστος. Αυτός θα παρέχει στο κτιριακό μοντέλο τον καλύτερο συνδυασμό εξοικονόμησης ενέργειας και χαμηλότερου ολικού κόστους ενέργειας (Ετήσιο Κόστος Ενέργειας και Ετήσιο Κόστος για την Εγκατάσταση του συνδυασμού στο κτίριο). Τέλος παρουσιάζονται τα αναλυτικά γραφήματα για κάθε σημείο αυτής της καμπύλης.

Στο έβδομο και τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συνοπτικά συμπεράσματα και αποτελέσματα που αποκομίστηκαν από τη διεξαγωγή της υπολογιστικής αυτής μελέτης.

This thesis deals with the presentation and use of the software called BEopt (Building Energy Optimization), which was created by the National Renewable Energy Laboratory of the United States of America (NREL).

This software, initially, provides opportunities for assessing building models and determining the best construction choices which can be made within the same building frame, in order for the building to consume as less energy as possible and have the lowest cost regarding the use of this energy.

Along with limiting the power consumption, any incentives for the production of this energy requirement of the building can be identified through the installation of photovoltaic systems in the building. In this way, the building model can enter in the state of Zero Net Energy (ZNE) when the building itself produces the energy needed.

The first part of this work, which is theoretical, presents BEopt. It shows in detail how to input various data, the way in which the calculations are made, and also the way in which all the results of simulations are presented in the form of finished graphs.

In the second part, which is computational, two cases of computational investigation are performed. In both cases there is the same reference building and the software explores corrective interventions in the frame, with two different ways of analysis in order to select the optimal combination. The results of the calculations are presented in graphical form.

More specifically:

In the first chapter, there is a first introduction to BEopt. It summarizes the purpose of the use of this software and presents all the stages of its implementation in building models: from simple manufacturing interventions in the frame to the condition of Zero Net Energy (ZNE).

In the second chapter, there is the presentation of how to use the software. All the toolbars, menus and various settings and options necessary for the use of BEopt are presented.

In the third chapter, the presentation of how to import data into the software takes place. It illustrates how the building model is designed, the input of civil construction options with the management of individual libraries of these options, the input of financial data and possible incentives, as well as the ways in which the software analyzes the input data.

In the fourth chapter, the way in which the software performs the simulations and calculations of data is presented, as well as the results of this calculation, by presenting all the generated graphs.

In the fifth chapter, the creation, execution and analysis of the results of the first case take place. The BEopt uses the Design Mode to analyze the input data. In this case specific variant of a reference building differentiated only by the insulation of walls and type of windows and the software compared each combination with the reference building. Finally, analytical graphs for each combination are presented.

In the sixth chapter, there are the creation, execution and analysis of the results of the second case. The BEopt uses the Optimization Mode to analyze the input data. In this case the reference building remains the same as in the previous one. The differentiation here is that multiple options for the type of insulation and windows are input in the program and it performs multiple calculations for all possible combinations that can be created. After evaluating each possible combination, it presents a series of best combinations, one more efficient than the previous, until it reaches the final combination which will be the total optimal. This will provide the building model the best combination of energy savings and lower overall energy costs (Annualized Energy Related Cost and Annual Cost for the installation of the combination in the building). Finally, analytical graphs for each point of this curve are presented.

In the seventh and final chapter, there are the summary results and conclusions drawn from the conduct of this computational study.