Comprensione dei tre tipi di modelli energetici per gli edifici

Il consumo di energia dei sistemi di costruzione può essere stimato sulla base dei dati di targa e del programma operativo. Tuttavia, questa è una stima molto approssimativa che non considera il clima locale e l'interazione tra i diversi sistemi di costruzione. Quando si decide tra misure di efficienza energetica per un progetto di costruzione, la modellizzazione energetica è uno strumento potente. Uno studio dell'American Institute of Architects (AIA) ha confrontato i risparmi energetici ottenuti negli edifici, con e senza modelli energetici. I proprietari di edifici che hanno utilizzato misure di efficienza energetica senza modelli hanno ottenuto un risparmio del 37%, ma questo è aumentato al 52% nei progetti in cui è stato utilizzato il modello energetico. In altre parole, i progetti di efficienza energetica negli edifici hanno ottenuto un risparmio del 15% in più quando è stata utilizzata la modellazione energetica. I modelli energetici possono essere classificati in tre tipi principali, a seconda di come elaborano le informazioni: scatola bianca, scatola nera e scatola grigia. Questa classificazione è utilizzata in generale dai data scientist e non è esclusiva per i modelli energetici. Il modello è completamente basato sulla fisica e sulle proprietà del sistema da modellare. Il modello è completamente basato su dati storici e analisi statistiche. Il modello utilizza una combinazione di fisica semplificata e dati storici. I modelli energetici basati sulla fisica sono i più precisi e questo è l'approccio utilizzato da software come DOE-2 ed EnergyPlus. Tuttavia, la creazione di modelli di white box è impegnativa, poiché devono includere tutte le equazioni e i dati necessari. A causa della loro complessità, i modelli white box sono anche i più esigenti in termini di potenza del computer, il che rende la loro simulazione lenta. Oltre alla loro accuratezza, i modelli white-box hanno il vantaggio di non richiedere dati storici. Ciò significa che possono simulare un edificio che non esiste ancora, purché siano note le sue proprietà fisiche. Se la competenza tecnica e la potenza di calcolo sono disponibili, i modelli energetici in white box possono fornire preziose informazioni per gli sviluppatori immobiliari. La modellazione a scatola nera è un approccio completamente diverso: mentre i modelli a scatola bianca tentano di prevedere il comportamento basato sulla fisica, i modelli a scatola nera sono ingegnerizzati al contrario con i dati esistenti. Questi modelli possono essere facilmente calibrati con i dati disponibili e possono essere elaborati molto più velocemente rispetto ai modelli white-box. Alcuni esempi di metodi di modellazione basati su dati sono le reti neurali artificiali (ANN), le macchine di supporto vettoriale (SVM) e la regressione statistica. Il limite principale se i modelli di scatola nera è la dipendenza da dati storici. Nelle applicazioni di efficienza energetica, questi modelli sono validi solo per l'edificio che ha prodotto i dati o altri edifici con proprietà molto simili. La creazione di un modello a scatola nera per un edificio che non esiste è impossibile, poiché non ci sono dati per calibrare il modello. I modelli di scatole nere sono molto utili quando si gestiscono edifici esistenti, poiché possono essere utilizzati per simulare l'impatto delle misure di efficienza energetica prima di implementarle. Una volta creato il modello, può essere utilizzato per analizzare i problemi di costruzione e individuarne le cause. I modelli con scatola grigia hanno elementi di modelli con scatola bianca e scatola nera. Usano equazioni fisiche per rappresentare il comportamento edilizio, ma si tratta di equazioni più semplici di quelle utilizzate nei modelli di white box. Di conseguenza, un modello a scatola grigia può essere simulato più rapidamente dopo essere stato calibrato. Tuttavia, la fisica semplificata porta a una perdita di precisione. Per compensare ciò, i modelli a scatola grigia sono calibrati con dati storici, proprio come i modelli a scatola nera. Un modello energetico a scatola grigia offre un equilibrio tra la precisione di un modello a scatola bianca e la velocità di un modello a scatola nera. Il processo di calibrazione dei modelli con scatola nera e scatola grigia viene spesso definito come "addestramento" del modello, poiché i parametri di simulazione vengono regolati fino a quando i risultati del modello corrispondono al comportamento del sistema da modellare. Nessuno degli approcci di modellizzazione energetica può essere considerato migliore degli altri, poiché tutti hanno applicazioni nel settore dell'edilizia. I modelli in scatola bianca sono l'unica opzione quando non sono disponibili dati. Tuttavia, possono anche essere usati per confrontare il comportamento reale di un edificio con il suo comportamento ideale secondo i principi della fisica. D'altra parte, i modelli black-box e gray-box possono essere utilizzati per rappresentare un edificio esistente e prevederne il consumo energetico. La modellazione energetica può essere molto utile per i proprietari di edifici di New York, dal momento che la legge locale 97 del 2019 limita i limiti di emissione a partire dal 2024. Con così tante diverse opzioni per migliorare gli edifici, i proprietari devono assicurarsi di trovare il miglior mix per ridurre le emissioni. Idealmente, il retrofit di un edificio dovrebbe massimizzare i risparmi energetici ed evitare le emissioni per dollaro investito in anticipo.