Towards Building-Scale Digital Twins: a preliminary white-box model performing real-time simulations.

The Digital Twin (DT) concept originates from the aerospace industry when NASA published a roadmap on modelling and simulation, where they provided the first definition for DTs [1]. The current activities related to DTs are still at an early stage with respect to buildings, thus it is necessary to understand how they can be used and how they can be developed. The case study consists in developing a white-box DT on an office room in London, UK, with the aim of predicting the energy consumption and IAQ, thus exploring a type of building and an aim that have been less discussed in literature compared to others. The final goal is to optimize the systems’ control strategy and guarantee a qualitative indoor environment for people. There are several steps identified to achieve this, and this case study only focuses on the first one, that is to develop a digital twin that can synchronize with the building in real-time and make predictions related to the current time. To do so, firstly, a basic model of the room is built using various software, selecting EnergyPlus as the simulation engine. Then, the architecture of the DT is created, and the model is calibrated. The key outcomes are as follows: (1) the back-end process behind the development of the digital twin is shown and highlights the complexity behind these projects; (2) the DT at its first stage with its architecture is able to perform real-time simulations; (3) the calibration phase provided good results that are useful to understand what main factors are impacting the selected outputs; (4) the model makes good predictions for equipment power consumption, with a MAPE of 9.73% calculated on a weekly basis using historical data; (5) some issues and considerations are provided to drive future work.

Il concetto di Digital Twin (DT) ha origine dall'industria aerospaziale quando la NASA ha pubblicato una tabella di marcia sulla modellazione e la simulazione, dove hanno fornito la prima definizione per i DT [1]. Le attuali attività relative ai DT sono ancora in una fase iniziale rispetto agli edifici, quindi è necessario capire come possono essere utilizzati e come possono essere sviluppati. Il caso in studio consiste nello sviluppo di un DT white-box su una stanza d’ufficio a Londra, nel Regno Unito, con l'obiettivo di prevedere il consumo energetico e qualità dell’aria (IAQ), esplorando così un tipo di edificio e un obiettivo che sono stati meno discussi in letteratura rispetto ad altri. L'obiettivo finale è ottimizzare la strategia di controllo dei sistemi e garantire un ambiente interno di qualità per le persone. Ci sono diversi passaggi identificati per raggiungere questo obiettivo, e questo caso studio si concentra solo sul primo, ovvero sviluppare un gemello digitale in grado di sincronizzarsi con l'edificio in tempo reale e fare previsioni relative al tempo corrente. Per fare ciò, in primo luogo, viene costruito un modello base della stanza utilizzando diversi software, selezionando EnergyPlus come motore di simulazione. Quindi, viene creata l'architettura del DT e il modello viene calibrato. I risultati chiave sono i seguenti: (1) viene mostrato il processo di back-end alla base dello sviluppo del gemello digitale che evidenzia quale può essere la complessità alla base di questi progetti; (2) il DT nella sua prima fase con la sua architettura è in grado di eseguire simulazioni in tempo reale; (3) la fase di calibrazione ha fornito buoni risultati utili per comprendere quali fattori principali stanno influenzando gli output selezionati; (4) il modello fa buone previsioni per il consumo energetico delle apparecchiature, con un MAPE del 9,73% calcolato su base settimanale usando dati storici; (5) Vengono spiegati i problemi riscontrati e vengono fornite alcune considerazioni per guidare il lavoro futuro.