Evidence-based calibration of a building energy performance model with uncertainty and sensitivity analysis

Abstract

Dynamic simulation of buildings is an increasingly common practice in engineering and architecture. Although the simulators currently used are increasingly powerful, the complexity of buildings leads to the need for simplifications that can have a relevant impact on the quality of the results obtained. Several studies performed recently have emphasized considerable discrepancies between measured and simulated building energy performance. As buildings usually do not present the same performance during their operation as the one predicted in the design phase, a broad interest in building real-monitoring has been instigated and the gap between measured and simulated energy consumption data has thus become an elementary concern in the building simulation domain. For this reason, the calibration of building simulation models is of growing interest. The objective of this work is to use the data from the Indoor Environmental Quality (IEQ) measurements and the actual energy use measurements, electricity and heating consumption for one year of an in-use low-carbon newly built residential apartment in West London - UK, for the calibration and validation of an energy performance model. To achieve this, performances of some typical apartments were analyzed, and an energy model was created in DesignBuilder using design stage documentation, postoccupancy measurement and metering along with IEQ data from typical zones. A systematic, evidence-based methodology was used for calibrating one representative apartment energy model-based to monthly energy consumption data. The outcomes from the calibrated model energy simulation were compared with the actual measured energy data, then the causes of discrepancies between the two results were elaborate and the gap between these two performances was analysed to predict possible determinants. Uncertanti and Sensitivity Analysis (UA/SA) were conducted after the completion of the calibrated model in order to verify and quantify the degree of uncertainty for and the most influential and determinants variables in an energy performance model. The calibrated model created was validated by monthly calibration criteria as per IPMVP/ASHRAE Guideline 14, of CV(RMSE) <15% and NMBE<±5%. The energy performance remaining gap between the actual measurements and the calibrated model simulation results are than point out and explained. The work also reflects on practicalities of data collection such as shortcomings in the metering, monitoring and observations that could be addressed for model calibration more accurate. Some improvements in the limitations found in this work are recommended: more rigidity in the validation standards of calibrated models and existing methods for calibration; and the reduction of uncertainty in the model's input parameters.

A simulação dinâmica de edifícios é uma prática cada vez mais comum em engenharia e arquitetura. Embora os simuladores atualmente utilizados sejam cada vez mais poderosos, a complexidade dos edifícios leva à necessidade de simplificações que podem ter um impacto relevante na qualidade dos resultados obtidos. Vários estudos realizados recentemente enfatizam discrepâncias consideráveis entre o desempenho energético medido e simulado do edifício. Como os edifícios geralmente não apresentam o mesmo desempenho durante a operação que o previsto na fase de projeto, foi instigado um amplo interesse no monitoramento real de edifícios, e a lacuna entre os dados de consumo de energia medidos e simulados tornou-se uma preocupação elementar na construção de domínio de simulação. Por esse motivo, a calibração dos modelos de simulação de construção é de crescente interesse. O objetivo deste trabalho é usar os dados das medições de Qualidade do Ambiente Interno (QAI) e as medições reais de uso de energia, consumo de eletricidade e aquecimento durante um ano de um apartamento residencial em uso recém construído de baixo carbono no oeste de Londres - Reino Unido, para a calibração e validação de um modelo de desempenho energético. Para conseguir isso, os desempenhos de alguns apartamentos típicos foram analisados e um modelo de energia foi criado no DesignBuilder usando a documentação da fase de projeto, medições de dados pósocupação, juntamente com dados de QAI de zonas típicas. Uma metodologia sistemática, baseada em evidências, foi usada para calibrar um modelo representativo de energia de apartamentos com base nos dados mensais de consumo de energia. Os resultados da simulação de energia do modelo calibrado foram comparados com os dados reais de energia medidos, em seguida as causas das discrepâncias entre os dois resultados foram elaboradas e a diferença entre esses dois desempenhos foi analisada para prever possíveis determinantes. A análise de incerteza e de sensibilidade (UA/SA) foi realizada após a conclusão do modelo calibrado, a fim de verificar e quantificar o grau de incerteza e as variáveis mais influentes e determinantes em um modelo de desempenho energético. O modelo calibrado criado foi validado pelos critérios mensais de calibração conforme a Diretriz 14 do IPMVP/ASHRAE, de CV (RMSE) <15% e NMBE <± 5%. A lacuna remanecente do desempenho energético entre as medições reais e os resultados da simulação do modelo calibrado é indicada e explicada. O trabalho também reflete sobre aspectos práticos da coleta de dados, como deficiências na medição, monitoramento e observações que poderiam ser abordadas para uma calibração do modelo mais precisa. Algumas melhorias nas limitações encontradas neste trabalho são recomendadas: mais rigidez nos padrões de validação de modelos calibrados; e métodos existentes para calibração; e a redução da incerteza nos parâmetros de entrada do modelo.