Construction and Control of Validated Highly Configurable Multi-Physics Building Models for Multi-Energy System Analysis in a Co-Simulation Setup
作者: Haozhen Cheng, Jan Stock, André Xhonneux, Hüseyin K. Çakmak, Veit Hagenmeyer
分类: eess.SY
发布日期: 2025-03-11
💡 一句话要点
构建并控制可验证的高配置多物理场建筑模型，用于协同仿真环境下的多能源系统分析。
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 多物理场建模 建筑能源系统 协同仿真 数字孪生 能源效率 TABULA项目 区域供热
📋 核心要点
- 现有能源系统分析缺乏经过充分验证的多物理场建筑模型，限制了对复杂能源交互的准确预测。
- 论文提出一种高度可配置的多物理场建筑模型，通过模块化设计和参数调整适应不同建筑类型和能源系统。
- 通过与TABULA项目数据对比验证了模型的准确性，并在协同仿真中展示了其在多能源系统分析中的应用。
📝 摘要（中文）
在可再生能源日益普及的背景下，通过监测系统行为和预测未来能源情景来提高能源效率变得越来越重要，特别是对于分配和提供热能的能源系统。城市数字孪生在推进城市能源系统规划和基础设施管理方面至关重要。在协同仿真平台中使用来自区域数字孪生传感器记录的能源数据，是分析详细系统行为和估计未来情景的一种有前景的方法。然而，多物理场能源系统模型的开发和耦合需要经过验证，才能用于进一步的深入分析。本文提出了一种新的多物理场/多模态和高度可配置的建筑模型。通过与TABULA项目的数据进行比较，验证了其准确性和可靠性，确保了其与实际场景的相关性和适用性。该建筑模型在系统配置方面的模块化和灵活性在各种真实建筑类型上进行了评估。此外，通过在协同仿真设置中实施该模型，并将其耦合到年度协同仿真中的区域供热网模型，突出了该建筑模型在多能源系统中的适用性。所提出的多物理/多模态建筑建模概念的仿真结果显示，与已发布的参考建筑数据相比，具有非常高的一致性，因此可以单独用作灵活和模块化的建筑模型，包括热系统和电力系统，以用于未来可持续性的部门耦合能源系统分析。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决多能源系统分析中缺乏经过验证的、高度可配置的建筑模型的问题。现有方法通常依赖于简化的建筑模型，无法准确捕捉建筑物的复杂物理特性和能源交互，导致仿真结果与实际情况存在偏差。这阻碍了对能源效率提升策略的有效评估和优化。
核心思路：论文的核心思路是构建一个模块化、可配置的多物理场建筑模型，该模型能够同时考虑建筑物的热力学、电气特性以及与外部能源系统的交互。通过模块化设计，用户可以根据实际建筑物的特点选择合适的模型组件，并通过参数配置来调整模型的行为。这种方法旨在提高模型的灵活性和适用性，使其能够应用于各种不同的建筑类型和能源系统配置。
技术框架：该建筑模型采用模块化架构，包含以下主要模块：1) 建筑结构模块，用于描述建筑物的几何形状、材料属性和热传递特性；2) 热力学模块，用于模拟建筑物的温度分布、热负荷和通风情况；3) 电气模块，用于模拟建筑物的电力需求、光伏发电和储能系统；4) 控制模块，用于模拟建筑物的能源管理策略和控制系统。这些模块通过定义明确的接口进行耦合，实现多物理场的协同仿真。整个模型可以在协同仿真平台中与其他能源系统模型（如区域供热网模型）进行集成。
关键创新：该论文的关键创新在于构建了一个高度可配置的多物理场建筑模型，该模型不仅考虑了建筑物的热力学特性，还考虑了电气特性以及与外部能源系统的交互。此外，该模型通过与TABULA项目的数据进行对比验证，确保了其准确性和可靠性。这种综合性的建模方法能够更准确地预测建筑物的能源消耗和性能，为能源系统优化提供更可靠的依据。
关键设计：模型的关键设计包括：1) 模块化架构，允许用户根据实际需求选择和配置模型组件；2) 参数化建模，允许用户通过调整参数来控制模型的行为；3) 与TABULA项目的数据进行对比验证，确保模型的准确性；4) 在协同仿真平台中与其他能源系统模型进行集成，实现多能源系统的综合分析。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该论文提出的多物理场建筑模型与TABULA项目的数据进行了对比验证，结果显示具有非常高的一致性，证明了模型的准确性和可靠性。此外，该模型在协同仿真平台中与区域供热网模型进行了集成，成功实现了多能源系统的综合分析，展示了其在实际应用中的潜力。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于城市能源系统规划、建筑节能设计、智能楼宇控制等领域。通过使用该模型，可以更准确地预测建筑物的能源消耗和性能，从而优化能源系统配置，提高能源利用效率，降低碳排放。此外，该模型还可以用于评估不同节能策略的效果，为政策制定者提供决策支持。
📄 摘要（原文）
Improving energy efficiency by monitoring system behavior and predicting future energy scenarios in light of increased penetration of renewable energy sources are becoming increasingly important, especially for energy systems that distribute and provide heat. On this background, digital twins of cities become paramount in advancing urban energy system planning and infrastructure management. The use of recorded energy data from sensors in district digital twins in collaborative co-simulation platforms is a promising way to analyze detailed system behavior and estimate future scenarios. However, the development and coupling of multi-physics energy system models need to be validated before they can be used for further in-depth analyses. In the present paper, a new multi-physics/-modal and highly configurable building model is presented. Its accuracy and reliability are validated by comparison with data from the TABULA project, ensuring its relevance and applicability to real-world scenarios. The modularity and flexibility with regard to the system configurability of the developed building model is evaluated on various real building types. In addition, the applicability of the building model in a multi-energy system is highlighted by implementing the model in a collaborative co-simulation setup and by coupling it to a district heating grid model in yearly co-simulations. The simulation results for the proposed multi-physical/-modal building modeling concept show a very high level of agreement compared to published reference building data and can therefore be used individually as flexible and modular building models including both thermal and electrical systems for future sector-coupled energy system analyses in view of sustainability.