Object oriented scalable detail with building simulation : a model library and some comparisons with state of the art tools

The main idea behind this thesis is to show that dynamic simulation can help achieve better energy efficiency in buildings. To this end, moreover, it is very important to be able of conducting system-level studies with a scalable detail level. This work presents the motivations for the statements above, and explains how simulation can be a decision aid tool along the entire life of a project, be it a new design or a refurbishing. Finally, OOMS (Object-Oriented Modeling and Simulation) is proposed as the formalism for the required modeling and simulation tasks, and the reasons for adopting that formalism in system-level building simulation are illustrated by means of convenient examples. The work also acknowledges the relevant problems involved in such a matter, especially the necessity for dynamic simulation models to maintain steady-state consistence with design-oriented ones (in the classical sense). In so doing, we define the role and expected outcome of the major types of tools, for example showing what one can (and cannot) expect from certification systems, sizing-oriented models, and so forth. The goal of the long-term research to which this thesis belongs is constructing a set of dynamic simulation models and procedures capable of tackling the whole-building problem in a unified framework, and with fully scalable complexity. In order to do that in practice, a model library is thus introduced, and some examples demonstrate the improvements yielded by OOMS to both the ease and the usefulness of simulation in building design. By means of some case studies, show the usefulness on two different fronts: • The same model can be used to conduct studies at different levels of detail, allowing the designer to base his/her decisions on simulation outputs right from the beginning of a design, and maintaining coherence along that design process; • Models conceived in this way allow to synthesize and compare different control systems, both at a high level (correctness of a strategy and suitability for the specifications at hand) and with arbitrarily fine detail (capability of the installed devices to actually realize that strategy). Finally, this work preliminarily shows how OOMS allows to model relevant facts such as the behavior of air movers, and sub-zonal airflow descriptions. In doing so, OOMS allows to capture energy-relevant phenomena at a level that is surely coarse with respect to fine-scale 3D CFD codes. However, this in OOMS is done together with all other modeling task, in a single framework and tool. Specifically, the contribution of this thesis consists in implementing some library models, and especially in defining and conducting comparative tests to relate the proposed approach to well assessed engineering techniques, thereby evidencing the proposal’s advantages.

L’idea principale che sta alla base di questa tesi è mostrare come la simulazione dinamica possa aiutare a raggiungere una migliore efficienza energetica negli edifici. A tal proposito, è molto importante che essa, inoltre, sia in grado di condurre le analisi a livello di sistema di controllo con un livello di dettaglio scalabile. Questo lavoro presenterà le motivazioni di quanto appena dichiarato, e spiegherà come la simulazione possa essere uno strumento di aiuto decisionale lungo l’intera vita di un progetto, sia che si tratti di nuova costruzione o di rimessa a nuovo. Infine, il linguaggio orientato agli oggetti definito OOMS (Object-Oriented Modeling and Simulation) viene proposto come formalismo per la modellazione e simulazione, e alcuni esempi saranno presentati per illustrare le ragioni per le quali si è scelto tale formalismo per la simulazione degli edifici a livello di sistema di regolazione. Il lavoro riconosce anche i problemi rilevanti coinvolti in tale materia, in particolare la necessità dei modelli di simulazione dinamica di mantenere la consistenza dello stato stazionario con quello orientato (nel senso classico). Così facendo, si definisce il ruolo e i risultati attesi dei principali tipi di strumenti, mostrando per esempio ciò che uno può (e non può) aspettarsi dai programmi di certificazione, dimensionamento degli modelli orientati, e così via. L’obiettivo della ricerca a lungo termine a cui appartiene questa tesi è di formulare una serie di modelli di simulazione dinamica e procedure in grado di affrontare la progettazione dell’intera costruzione attraverso un quadro unitario e una complessità completamente scalabile. A tale scopo, nella pratica saranno presentati un modello di libreria e alcuni esempi che dimostreranno i miglioramenti apportati dal linguaggio OOMS sia per la facilità sia per l’utilità della simulazione nella progettazione edilizia. Per mezzo di alcuni casi di studio, si dimostra tale utilità su due fronti differenti: • Lo stesso modello può essere utilizzato per condurre studi a diversi livelli di dettaglio, consentendo in tal modo al progettista di basare le proprie decisioni progettuali sulle uscite di simulazione fin dall’inizio della costruzione dell’edificio, e di mantenere la coerenza lungo quel processo di progettazione; • Modelli concepiti in questo modo permettono di sintetizzare e confrontare i diversi sistemi di controllo, sia ad alto livello (correttezza di una strategia e idoneità per le specifiche a portata di mano) sia con dettagli arbitrariamente sottili (capacità dei dispositivi installati per realizzare effettivamente la strategia). Infine, questo lavoro mostra preliminarmente come il linguaggio OOMS permetta di modellare alcune situazioni rilevanti come il comportamento dei moti dell’aria (compreso il caso che si tratti di una descrizione sub-zonale). In tal modo, la tecnica agli oggetti orientati permette di catturare fenomeni energetici rilevanti ad un livello che è sicuramente grossolano rispetto alla scala 3D dei codici eleborati da CFD. Tuttavia, nel linguaggio di programmazione scelto questo viene fatto insieme a tutti gli altri compiti di modellazione attraverso un unico strumento. In particolare, il contributo di questa tesi consiste nell’implementare alcuni modelli della libreria, e soprattutto nel definire e condurre alcune prove comparative per mettere in relazione l’approccio proposto con le tecniche di ingegneria ben consolidate, evidenziando così i vantaggi della proposta.