ORNL的自动建筑能源建模(AutoBEM)软件能够检测建筑、生成模型和模拟非常大区域的建筑能源使用。信用:约书亚·纽/橡树岭国家实验室橡树岭国家实验室的一项研究着眼于在田纳西州查塔努加的一系列建筑中，哪种节能措施最有效。住宅和商业建筑消耗了美国近四分之三的电力——在高峰时段，这一比例达到80%。模拟大范围的能源使用有助于确定减少能源使用的方法，从而减少这一过程中的温室气体排放。
在最近的一项研究中，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员利用能源部阿贡国家实验室的超级计算能力评估了超过178，000栋建筑的能源使用情况。这项工作是一个更大目标的一部分，该目标是为全国1.29亿栋建筑建模。
如果你把所有这些建筑的能源账单加起来，每年的总额大约是4030亿美元。
“我认为这是对我们经济的抵押贷款，”ORNL大学的计算机科学家约书亚·瑞安·纽说。“如果我们能找到更有效地利用能源的更好方法，我们就能作为一个社会取得更多成就。”
New和同事开发了自动建筑能源建模(AutoBEM)软件，该软件用于检测建筑、生成模型和模拟非常大区域的建筑能源使用。创建一个大型建筑网络的能源图，而不是只看一栋建筑甚至几百栋建筑，可以为规划最有效的节能措施提供机会。
然而，许多模拟大量建筑的努力依赖于普通商业建筑的原型，如办公室、仓库和学校。在能源使用方面，计算机模型的预测和现实生活的反映之间仍然存在差距。为了缩小这些差距，需要用实际能源使用数据来验证模型。
为了这项研究，New和同事们与一家市政公用事业公司合作，在田纳西州的查塔努加市创建了一个由178，337栋建筑组成的数字孪生体。为此，他们将每栋建筑的能源使用信息(每隔15分钟一次)与卫星图像、纳税评估和其他数据来源整合在一起。然后，他们预测了八项节能措施对能源使用、需求、成本和排放的影响。这些措施包括屋顶隔热、照明变化以及提高供暖和制冷效率。
为了运行模拟，该团队使用了位于阿贡领导计算设施(ALCF)的Theta超级计算机，这是能源部科学办公室的一个用户设施。一个建筑能源模型平均有3000个输入。其中一个输入可能是一个价值超过8000英镑的单个房间的每小时照明时间表，纽说，因此很容易想象在超过10万栋建筑中模拟八种不同的节能措施会如何迅速成为一项数据密集型工作。
“我们已经能够扩大规模，在1小时内在Theta上运行超过100万栋建筑的年度模拟，”New说。“这真的释放了很多你在其他情况下看不到的潜力。”
Theta的配置为AutoBEM提供了优势，AutoBEM使用了EnergyPlus和OpenStudio这两个能源部的建筑能源建模工具。区别在于处理能力的类型:虽然许多高性能计算机的能力来自图形处理单元(GPU)，但EnergyPlus主要运行在中央处理单元(CPU)上，中央处理单元旨在快速连续地处理一项又一项任务。
“就CPU而言，Theta是美国最强大的超级计算机之一，”New说，并指出代码最初是在ORNL的Titan上运行的，这是一台GPU密集型机器。“当我们到达Theta时，AutoBEM缩放得非常漂亮。我们经常使用80%以上的θ。”
ORNL团队的研究在ALCF通过美国能源部的先进科学计算研究领导计算挑战获得了时间，这是一个分配国家超级计算设施资源的项目，重点是高风险、高回报的模拟项目。
ALCF大学的科学主任凯瑟琳·莱利说:“这项研究模拟了一大群建筑来减少能源使用，这对我们的资源和分配方案来说是一个新问题。“这项工作实际上与未来几十年的重要能源问题相一致，即我们如何减少国家建筑的碳足迹。”
历史上，在高性能计算中，人们可能会运行一个大型模拟，然后去分析数据，然后运行另一个模拟。赖利说，ALCF继续为新类型的工作流程和科学构建其系统。
莱利说:“如果你试图了解一个城市中许多不同场景的能源需求，并想看看你能转动的所有旋钮，那就是成千上万个模拟——而不是一个大的模拟。“对于这样的项目，您需要一个能够管理非常动态的工作流的系统。这是ALCF能够支持的。”
对查塔努加建筑的AutoBEM模拟发现，99%的建筑通过评估一套节能技术实现了节能。例如，通过将供暖、通风和空调(HVAC)系统的效率降低7.5%，177，307栋建筑的年平均能源成本节省了28，500美元。研究人员总结说，一项既定的节能措施，如提高暖通空调效率、空间密封、隔热或照明，可能会抵消每栋建筑500至3000磅的二氧化碳。全部细节发表在《能量》杂志上的一篇论文中。
“我们在建筑中所做的事情将产生持久的影响，”New说。“创造一个更可持续、更有弹性的建筑存量，将产生我这辈子可能看不到的影响，但我孙子的孙子们会庆幸我们做对了。”
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