Comprensión de los tres tipos de modelos energéticos para edificios

El consumo de energía de los sistemas del edificio se puede estimar a partir de los datos de la placa de identificación y el programa de funcionamiento. Sin embargo, esta es una estimación muy aproximada que no considera el clima local y la interacción entre los diferentes sistemas de construcción. Al decidir entre medidas de eficiencia energética para un proyecto de construcción, el modelado energético es una herramienta poderosa.

Un estudio del Instituto Americano de Arquitectos (AIA) comparó los ahorros de energía logrados en los edificios, con y sin modelado energético. Los propietarios de edificios que utilizaron medidas de eficiencia energética sin modelar lograron un ahorro del 37%, pero esto aumentó al 52% en los proyectos en los que se utilizó el modelado energético. En otras palabras, los proyectos de eficiencia energética en edificios lograron un 15% más de ahorro cuando se utilizó el modelado energético.

Los modelos energéticos se pueden clasificar en tres tipos principales, según cómo procesen la información: caja blanca, caja negra y caja gris. Esta clasificación la utilizan en general los científicos de datos y no es exclusiva de los modelos energéticos.

Enfoque de modelado

Descripción

Caja blanca

El modelo se basa completamente en la física y las propiedades del sistema que se está modelando.

Caja negra

El modelo se basa completamente en datos históricos y análisis estadístico.

Caja gris

El modelo utiliza una combinación de física simplificada y datos históricos.

White-Box: Modelado energético con física

Los modelos de energía basados ​​en la física son los más precisos, y este es el enfoque utilizado por software como DOE-2 y EnergyPlus. Sin embargo, la creación de modelos de caja blanca es exigente, ya que deben incluir todas las ecuaciones y datos necesarios. Debido a su complejidad, los modelos de caja blanca también son los más exigentes en cuanto a potencia informática, lo que hace que su simulación sea lenta.

Además de su precisión, los modelos de caja blanca tienen la ventaja de no requerir ningún dato histórico. Esto significa que pueden simular un edificio que aún no existe, siempre que se conozcan sus propiedades físicas. Si se dispone de la experiencia en ingeniería y la potencia informática, los modelos de energía de caja blanca pueden proporcionar información valiosa para los desarrolladores inmobiliarios.

Black-Box: Modelado energético con datos

Comprensión de los tres tipos de modelos energéticos para edificios

El modelado de caja negra es un enfoque completamente diferente: mientras que un modelo de caja blanca intenta predecir el comportamiento basado en la física, un modelo de caja negra se somete a ingeniería inversa con datos existentes. Estos modelos se pueden calibrar fácilmente con los datos disponibles y se pueden procesar mucho más rápido que los modelos de caja blanca. Algunos ejemplos de métodos de modelado basados ​​en datos son las redes neuronales artificiales (ANN), las máquinas de vectores de soporte (SVM) y la regresión estadística.

La principal limitación de los modelos de caja negra es la dependencia de datos históricos. En eficiencia energética aplicaciones, estos modelos solo son válidos para el edificio que produjo los datos, u otros edificios con propiedades muy similares. Crear un modelo de caja negra para un edificio que no existe es imposible, ya que no hay datos para calibrar el modelo.

Los modelos de caja negra son muy útiles a la hora de gestionar edificios existentes, ya que pueden utilizarse para simular el impacto de las medidas de eficiencia energética antes de implementarlas. Una vez que se ha creado el modelo, se puede utilizar para analizar problemas de construcción e identificar sus causas.

Gray-Box: Modelado de energía híbrida

Los modelos de caja gris tienen elementos de los modelos de caja blanca y caja negra. Utilizan ecuaciones físicas para representar el comportamiento de los edificios, pero son ecuaciones más sencillas que las que se utilizan en los modelos de caja blanca. Como resultado, un modelo de caja gris se puede simular más rápido una vez que se ha calibrado.

Sin embargo, la física simplificada conduce a una pérdida de precisión. Para compensar esto, los modelos de caja gris se calibran con datos históricos, al igual que los modelos de caja negra. Un modelo de energía de caja gris ofrece un equilibrio entre la precisión de un modelo de caja blanca y la velocidad de un modelo de caja negra.

El proceso de calibración de los modelos de caja negra y caja gris a menudo se denomina «entrenamiento» del modelo, ya que los parámetros de simulación se ajustan hasta que los resultados del modelo coinciden con el comportamiento del sistema que se está modelando.

Utilizar el modelado energético de forma eficaz

Comprensión de los tres tipos de modelos energéticos para edificios

Ninguno de los enfoques de modelado energético puede considerarse mejor que los demás, ya que todos tienen aplicaciones en el sector de la construcción. Los modelos de caja blanca son la única opción cuando no hay datos disponibles. Sin embargo, también se pueden utilizar para comparar el comportamiento real de un edificio con su comportamiento ideal según los principios de la física. Por otro lado, los modelos de caja negra y caja gris se pueden utilizar para representar un edificio existente y predecir su consumo de energía.

El modelado energético puede ser muy útil para los propietarios de edificios de la Ciudad de Nueva York, ya que la Ley Local 97 de 2019 establece límites estrictos de emisiones a partir de 2024. Con tantas opciones diferentes para mejorar los edificios, los propietarios deben asegurarse de encontrar la mejor combinación para reducir las emisiones. Idealmente, la remodelación de un edificio debería maximizar el ahorro de energía y las emisiones evitadas por dólar invertido por adelantado.