Multi-objective Optimization of Energy Performance, Thermal Comfort, and Retrofit Cost for Underground Commercial Spaces Using a Surrogate-Based Approach
Este estudio emplea un marco de optimización multiobjetivo basado en sustitutos que integra DesignBuilder, EnergyPlus, BPNN y NSGA-II para identificar estrategias de rehabilitación óptimas para espacios comerciales subterráneos que equilibren la intensidad de uso de energía, el confort térmico y los costos de inversión, al tiempo que revelan las compensaciones clave y los factores influyentes dominantes.
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Bajo la superficie de los campus universitarios, se está llevando a cabo una revolución silenciosa en nuestra forma de entender los edificios. No se trata de las oficinas bañadas por el sol o las torres residenciales a las que estamos acostumbrados, sino de espacios comerciales subterráneos: concurridos patios de comida, tiendas minoristas y puntos de encuentro enterrados bajo la tierra. Debido a que carecen de ventanas y luz natural, estos entornos dependen enteramente de máquinas para mantener el aire circulando, las luces encendidas y la temperatura confortable. Esta fuerte dependencia crea un difícil acto de equilibrio. Si se reducen las máquinas para ahorrar electricidad, el espacio puede volverse viciado o demasiado frío. Si se aumentan al máximo para garantizar el confort, la factura eléctrica se dispara. Durante décadas, los ingenieros han intentado solucionar estos problemas analizando un factor a la vez, pero un nuevo estudio sugiere que la solución reside en comprender cómo estos factores luchan y trabajan juntos. El objetivo ya no es solo ahorrar energía, sino encontrar un punto ideal donde el confort, el costo y la eficiencia puedan coexistir sin que uno destruya a los demás.
Investigadores de la Universidad de Minería y Tecnología de China centraron su atención en una cafetería subterránea específica en su campus de Xuzhou, un espacio lleno de puestos de comida, un pequeño supermercado y áreas de comedor. Querían ver si podían rediseñar la forma en que este espacio opera para que sea mejor para el planeta, para el bolsillo y para las personas en su interior. Para ello, construyeron un gemelo digital detallado del edificio, un modelo virtual que podía ejecutar miles de simulaciones para ver qué pasaría si cambiaban desde el grosor de las paredes hasta los ajustes de temperatura de los aires acondicionados. No se limitaron a suponer; alimentaron el modelo con datos reales sobre cuántas personas lo visitaban, qué equipos se utilizaban y cómo se comportaba realmente el edificio. Luego, utilizaron un potente algoritmo informático para probar millones de combinaciones diferentes de cambios, buscando los mejores resultados posibles.
El estudio se centró en tres objetivos principales que a menudo tiran en direcciones opuestas. El primero fue el uso de energía, medido por cuánta electricidad consumía el edificio por metro cuadrado al año. El segundo fue el confort térmico, que rastrearon contando las horas en las que la temperatura era demasiado alta o demasiado baja para que las personas se sintieran a gusto. El tercero fue el costo de los cambios en sí mismos, calculado como la inversión anualizada necesaria para realizar las mejoras. Los investigadores descubrieron que el edificio original, sin modificar, consumía aproximadamente 248 kilovatios-hora por metro cuadrado al año y dejaba a la gente incómoda durante casi 2,813 horas al año. Cuando dejaron que la computadora buscara la solución perfecta, reveló una realidad cruda: no se puede tener todo. El mejor escenario posible para ahorrar energía resultó en un edificio significativamente menos confortable, mientras que el escenario que hacía que la gente estuviera más cómoda requería un salto masivo en el uso de energía.
En lugar de elegir a un ganador, los investigadores trazaron un paisaje de compromisos, conocido como frontera de Pareto. Este mapa mostró que por cada paso hacia facturas de energía más bajas, había un paso correspondiente hacia más horas de incomodidad, y viceversa. Identificaron que las palancas más poderosas para el cambio no eran las paredes o el techo, sino la forma en que se gestionaba el edificio. Los ajustes de temperatura en los sistemas de calefacción y refrigeración, la cantidad de aire fresco traído del exterior y el número de personas en el interior fueron los factores dominantes. Sorprendentemente, el simple hecho de añadir más aislamiento a las paredes subterráneas tuvo un efecto mucho menor de lo esperado, debido a que la tierra que rodea al edificio ya proporciona una temperatura estable. El estudio demostró que las mayores ganancias provinieron de ajustar las operaciones internas: reducir la potencia de las luces y los equipos, ajustar el aire acondicionado para que fuera ligeramente menos estricto y gestionar cuidadosamente cuánto aire fresco se bombea hacia el interior.
A partir de esta compleja red de opciones, los investigadores seleccionaron una única solución "óptima general" que ofrecía el mejor equilibrio. Este plan recomendado aumentaría el uso de energía ligeramente a unos 285 kilovatios-hora por metro cuadrado, pero reduciría el tiempo en que la gente se siente incómoda en casi un nueve por ciento, bajando el total a aproximadamente 2,563 horas. El costo para implementar estos cambios sería modesto, ascendiendo a unos 22 yuanes por metro cuadrado al año. Esta solución no logró el uso de energía absolutamente más bajo ni el confort absolutamente más alto, pero evitó los costos extremos y el bajo rendimiento de las otras opciones. Demostró que, mediante la realización de pequeños ajustes coordinados en la forma en que funciona el edificio, en lugar de una reforma de su estructura física, los gestores pueden crear un espacio que sea eficiente, confortable y asequible.
Los hallazgos desafían la suposición común de que reparar un edificio subterráneo requiere construcciones pesadas y costosas. El estudio sugiere que el camino más efectivo es priorizar cómo se opera el espacio. Al ajustar la temperatura, reducir la potencia de la iluminación y los equipos, y gestionar el flujo de aire, los operadores pueden lograr una mejora significativa sin romper el banco. Este enfoque ofrece un plano práctico para universidades y otras instituciones que dependen de estos espacios subterráneos. Muestra que el futuro de la edificación ecológica en estos entornos únicos no consiste en construir paredes más gruesas, sino en pensar más cuidadosamente en los sistemas invisibles que mantienen vivo el espacio. La investigación proporciona una guía clara y basada en datos para tomar estas decisiones difíciles, asegurando que los espacios subterráneos del mañana no sean solo eficientes energéticamente, sino también lugares donde la gente realmente quiera estar.
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