Multi-objective Optimization of Energy Performance, Thermal Comfort, and Retrofit Cost for Underground Commercial Spaces Using a Surrogate-Based Approach
Diese Studie verwendet einen auf Ersatzmodellen basierenden Multi-Objective-Optimierungsrahmen, der DesignBuilder, EnergyPlus, BPNN und NSGA-II integriert, um optimale Sanierungsstrategien für unterirdische Gewerbeflächen zu identifizieren, die den Energieverbrauch, den thermischen Komfort und die Investitionskosten in Einklang bringen und gleichzeitig die wesentlichen Zielkonflikte sowie die dominierenden Einflussfaktoren aufzeigen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Tief unter der Oberfläche von Universitätscampus findet eine stille Revolution darüber statt, wie wir über Gebäude denken. Es handelt sich dabei nicht um die sonnendurchfluteten Büros oder Wohntürme, an die wir gewöhnt sind, sondern um unterirdische Gewerbeflächen: belebte Food Courts, Einzelhandelsgeschäfte und Treffpunkte, die unter der Erde verborgen liegen. Da ihnen Fenster und natürliches Licht fehlen, sind diese Umgebungen vollständig auf Maschinen angewiesen, um die Luft in Bewegung zu halten, das Licht anzuschalten und die Temperatur angenehm zu halten. Diese starke Abhängigkeit schafft einen schwierigen Balanceakt. Wenn man die Maschinen herunterregelt, um Strom zu sparen, kann der Raum stickig oder zu kalt werden. Wenn man sie hochfährt, um Komfort zu gewährleisten, schießt die Stromrechnung in die Höhe. Jahrzehntelang haben Ingenieure versucht, diese Probleme zu lösen, indem sie jeweils nur einen Faktor nach dem anderen betrachteten, doch eine neue Studie legt nahe, dass die Lösung darin liegt, zu verstehen, wie diese Faktoren miteinander kämpfen und zusammenarbeiten. Das Ziel ist nicht mehr nur das Energiesparen, sondern das Finden eines „Sweet Spots“, an dem Komfort, Kosten und Effizienz koexistieren können, ohne dass einer die anderen zerstört.
Forscher der China University of Mining and Technology wandten ihre Aufmerksamkeit einem spezifischen unterirdischen Cafeteria-Bereich auf ihrem Campus in Xuzhou zu – einem Raum voller Essensstände, eines kleinen Supermarkts und Essbereiche. Sie wollten sehen, ob sie die Funktionsweise dieses Raums so umgestalten könnten, dass er besser für den Planeten, den Geldbeutel und die Menschen darin ist. Zu diesem Zweck erstellten sie einen detaillierten digitalen Zwilling des Gebäudes, ein virtuelles Modell, das tausende von Simulationen durchführen konnte, um zu sehen, was passieren würde, wenn sie alles von der Dicke der Wände bis hin zu den Temperatureinstellungen der Klimaanlagen ändern würden. Sie raten nicht einfach; sie speisten das Modell mit realen Daten darüber, wie viele Menschen die Räume besuchten, welche Geräte genutzt wurden und wie sich das Gebäude tatsächlich verhielt. Dann nutzten sie einen leistungsstarken Computeralgorithmus, um Millionen verschiedener Kombinationen von Änderungen zu testen, um die bestmöglichen Ergebnisse zu finden.
Die Studie konzentrierte sich auf drei Hauptziele, die oft in entgegengesetzte Richtungen ziehen. Das erste war der Energieverbrauch, gemessen am Stromverbrauch des Gebäudes pro Quadratmeter über ein Jahr. Das zweite war der thermische Komfort, den sie verfolgten, indem sie die Stunden zählten, in denen die Temperatur zu heiß oder zu kalt war, damit sich die Menschen wohlfühlen konnten. Das dritte waren die Kosten der Änderungen selbst, berechnet als die jährliche Investition, die für die Modernisierungen erforderlich ist. Die Forscher fanden heraus, dass das ursprüngliche, unveränderte Gebäude etwa 248 Kilowattstunden pro Quadratmeter jährlich verbrauchte und die Menschen fast 2.813 Stunden im Jahr Unbehagen erlebten. Als sie den Computer nach der perfekten Lösung suchen ließen, offenbarte sich eine ernüchternde Realität: Man kann nicht alles haben. Das bestmögliche Szenario zur Energieeinsparung führte zu einem Gebäude, das deutlich weniger komfortabel war, während das Szenario, das den Menschen den größten Komfort bot, einen massiven Anstieg des Energieverbrauchs erforderte.
Anstatt einen Gewinner zu wählen, kartierten die Forscher eine Landschaft der Kompromisse, bekannt als Pareto-Frontier. Diese Karte zeigte, dass für jeden Schritt in Richtung niedrigerer Stromrechnungen ein entsprechender Schritt in Richtung mehr Unbehagen gemacht wurde und umgekehrt. Sie identifizierten, dass die wirkungsvollsten Hebel für Veränderungen nicht die Wände oder das Dach waren, sondern die Art und Weise, wie das Gebäude verwaltet wird. Die Temperatureinstellungen der Heiz- und Kühlsysteme, die Menge der von außen eingebrachten Frischluft und die Anzahl der Menschen im Inneren waren die dominierenden Faktoren. Überraschenderweise hatte das bloße Hinzufügen von mehr Isolierung zu den unterirdischen Wänden einen viel geringeren Effekt als erwartet, da die Erde, die das Gebäude umgibt, bereits eine stabile Temperatur bietet. Die Studie zeigte, dass die größten Gewinne durch die Anpassung der internen Abläufe erzielt wurden: die Verringerung der Leistung von Beleuchtung und Geräten, die Einstellung der Klimaanlage auf etwas weniger streng und die sorgfältige Steuerung der Menge an Frischluft, die hineingepumpt wird.
Aus diesem komplexen Geflecht von Optionen wählten die Forscher eine einzige „gesamtoptimale“ Lösung aus, die das beste Gleichgewicht bot. Dieser empfohlene Plan würde den Energieverbrauch leicht auf etwa 285 Kilowattstunden pro Quadratmeter erhöhen, aber die Zeit, in der sich die Menschen unwohl fühlten, um fast neun Prozent reduzieren, was die Gesamtzahl auf etwa 2.563 Stunden senkt. Die Kosten für die Umsetzung dieser Änderungen wären moderat und beliefen sich auf etwa 22 Yuan pro Quadratmeter pro Jahr. Diese Lösung erreichte weder den absolut niedrigsten Energieverbrauch noch den absolut höchsten Komfort, aber sie vermied die extremen Kosten und die schlechte Leistung der anderen Optionen. Sie bewies, dass man durch kleine, koordinierte Anpassungen an der Betriebsweise des Gebäudes – statt dessen physische Struktur grundlegend zu überarbeiten – einen Raum schaffen kann, der effizient, komfortabel und erschwinglich ist.
Die Ergebnisse stellen die verbreitete Annahme infrage, dass die Sanierung eines unterirdischen Gebäudes teure, schwere Bauarbeiten erfordert. Die Studie legt nahe, dass der effektivste Weg darin besteht, die Priorität darauf zu setzen, wie der Raum betrieben wird. Durch die Feinabstimmung der Temperatureinstellungen, die Reduzierung der Leistung von Beleuchtung und Geräten sowie die Steuerung des Luftstroms können Betreiber eine signifikante Verbesserung erreichen, ohne das Budget zu sprengen. Dieser Ansatz bietet einen praktischen Leitfaden für Universitäten und andere Institutionen, die diese unterirdischen Räume nutzen. Er zeigt, dass die Zukunft des grünen Bauens in diesen einzigartigen Umgebungen nicht darin besteht, dickere Wände zu bauen, sondern darin, sorgfältiger über die unsichtbaren Systeme nachzudenken, die den Raum am Leben erhalten. Die Forschung liefert einen klaren, datengestützten Leitfaden für diese schwierigen Entscheidungen und stellt sicher, dass die unterirdischen Räume von morgen nicht nur energieeffizient, sondern auch Orte sind, an denen sich die Menschen wirklich gerne aufhalten.
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