O consumo de energia dos sistemas prediais pode ser estimado a partir dos dados da placa de identificação e do cronograma de operação. No entanto, esta é uma estimativa muito aproximada que não considera o clima local e a interação entre os diferentes sistemas construtivos. Ao decidir entre medidas de eficiência energética para um projeto de construção, a modelagem energética é uma ferramenta poderosa.
Um estudo do Instituto Americano de Arquitetos (AIA) comparou as economias de energia alcançadas em edifícios, com e sem modelagem energética. Os proprietários de edifícios que utilizaram medidas de eficiência energética sem modelação obtiveram poupanças de 37%, mas este valor aumentou para 52% em projetos onde foi utilizada modelação energética. Ou seja, os projetos de eficiência energética em edifícios alcançaram 15% mais poupanças quando foi utilizada a modelação energética.
Os modelos energéticos podem ser classificados em três tipos principais, dependendo de como processam a informação: caixa branca, caixa preta e caixa cinzenta. Esta classificação é utilizada em geral por cientistas de dados, e não é exclusiva para modelos energéticos.
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Abordagem de Modelagem |
Descrição |
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Caixa branca |
Este modelo é baseado na física e nas propriedades do sistema. |
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Caixa preta |
Este modelo é baseado em dados históricos e análises estatísticas. |
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Caixa Cinza |
Este modelo usa uma combinação de física simplificada e dados históricos. |
White-Box: Modelagem de Energia com Física
Os modelos de energia baseados na física são os mais precisos, e esta é a abordagem usada por softwares como DOE-2 e EnergyPlus. No entanto, a criação de modelos caixa branca é exigente, uma vez que devem incluir todas as equações e dados necessários. Devido à sua complexidade, os modelos caixa-branca também são os mais exigentes em termos de potência computacional, o que torna sua simulação lenta.
Além da precisão, os modelos de caixa branca têm a vantagem de não exigir quaisquer dados históricos. Isto significa que podem simular um edifício que ainda não existe, desde que sejam conhecidas as suas propriedades físicas. Se a experiência em engenharia e o poder computacional estiverem disponíveis, os modelos de energia de caixa branca podem fornecer informações valiosas para incorporadores imobiliários.
Black-Box: Modelagem Energética com Dados
A modelagem de caixa preta é uma abordagem completamente diferente: enquanto os modelos de caixa branca tentam prever o comportamento com base na física, os modelos de caixa preta passam por engenharia reversa com dados existentes. Esses modelos podem ser facilmente calibrados com os dados disponíveis e podem ser processados muito mais rapidamente do que os modelos de caixa branca. Alguns exemplos de métodos de modelagem baseados em dados são redes neurais artificiais (RNA), máquinas de vetores de suporte (SVM) e regressão estatística.
A principal limitação dos modelos caixa preta é a dependência de dados históricos. Em aplicações de eficiência energética, estes modelos são válidos apenas para o edifício que produziu os dados, ou outros edifícios com propriedades muito semelhantes. Criar um modelo de caixa preta para um edifício que não existe é impossível, uma vez que não existem dados para calibrar o modelo.
Os modelos caixa preta são muito úteis na gestão de edifícios existentes, uma vez que podem ser utilizados para simular o impacto das medidas de eficiência energética antes de as implementar. Uma vez criado o modelo, ele pode ser usado para analisar problemas de construção e identificar suas causas.
Caixa Cinza: Modelagem de Energia Híbrida
Os modelos de caixa cinza possuem elementos de modelos de caixa branca e caixa preta. Eles usam equações físicas para representar o comportamento do edifício, mas são equações mais simples do que aquelas usadas em modelos de caixa branca. Como resultado, um modelo caixa cinza pode ser simulado mais rapidamente depois de calibrado.
No entanto, a física simplificada leva a uma perda de precisão. Para compensar isso, os modelos de caixa cinza são calibrados com dados históricos, assim como os modelos de caixa preta. Um modelo de energia de caixa cinza oferece um equilíbrio entre a precisão de um modelo de caixa branca e a velocidade de um modelo de caixa preta.
O processo de calibração dos modelos caixa preta e caixa cinza é frequentemente chamado de “treinamento” do modelo, uma vez que os parâmetros de simulação são ajustados até que os resultados do modelo correspondam ao comportamento do sistema que está sendo modelado.
Usando Modelagem de Energia Efetivamente
Nenhuma das abordagens de modelação energética pode ser considerada melhor que as outras, uma vez que todas têm aplicações no sector da construção. Os modelos de caixa branca são a única opção quando não há dados disponíveis. No entanto, também podem ser usados para comparar o comportamento real de um edifício com o seu comportamento ideal de acordo com os princípios da física. Por outro lado, os modelos caixa preta e caixa cinzenta podem ser utilizados para representar um edifício existente e prever o seu consumo de energia.
A modelação energética pode ser muito útil para os proprietários de edifícios de Nova Iorque, uma vez que a Lei Local 97 de 2019 impõe limites de emissões rigorosos a partir de 2024. Com tantas opções diferentes para atualizar edifícios, os proprietários devem certificar-se de que encontram a melhor combinação para reduzir as emissões. Idealmente, uma modernização de um edifício deveria maximizar a poupança de energia e evitar emissões por cada dólar investido antecipadamente.
