Energy assessment in early architectural design stages : framework and validation methodology for architect-friendly computacional energy assessment

Abstract

Today’s buildings are responsible for about 40% of the global energy demand. To reduce energy consumption by using Energy Assessment (EA) methods, the Early Architectural Design Stages (EADS) are especially suitable to implement the best cost-benefit measures. To integrate EA into EADS, two main challenges must be simultaneously tackled: (a) the architect-(un)friendliness of computational models and (b) the results’ reliability. To accomplish both goals a Framework for Energy Assessment Tools in Early Architectural Design Stages (FORwArDS) and a validation methodology, Relative Validation (RV), is presented. FORwArDS feature three components: Input Model, Assessment Model, and Output Model, but focuses on the creation of a Simplified Input Model (SIM) throughout parameters reduction, the creation of alternative values for the chosen parameters and exemplary mathematical and geometrical simplification steps. In the case study, a SIM is created according to the exemplary simplification rules described in FORwArDS, springing from a detailed project model; a validation procedure follows the proposed methodology. The results are presented, analyzed and conclusions are drawn regarding the framework’s and validation methodology’s contributions to the improvement of the EADS. The framework’s open structure and the applicability of the validation methodology to any simulation contribute to the discussion about the integration problems of energy assessment in EADS and present useful tools for the creation and test of model simplification methodologies and EA for architects during EADS.

Edifícios são responsáveis por cerca de 40% da demanda global de energia. Para reduzir este consumo utilizando métodos de avaliação de energia (Energy Assessment – EA), as primeiras etapas de projeto arquitetônico (Early Architectural Design Stages – EADS) são especialmente adequadas para implementar medidas eficientes com a melhor relação custo-benefício. Para integrar a EA na EADS, dois desafios principais devem ser abordados simultaneamente: (a) a (não-)amigabilidade para arquitetos dos modelos computacionais e (b) a confiabilidade dos resultados. Para realizar ambos os objetivos, é apresentado neste trabalho um ambiente para o desenvolvimento de ferramentas de aferição de energia em EADS (Framework for Energy Assessment Tools in Early Architectural Design Stages –FORwArDS) e uma metodologia de validação, a validação relativa (Relative Validation – RV). FORwArDS possui três componentes: o modelo de entrada, o modelo de avaliação e o modelo de saída, mas o trabalho concentra-se na criação de um modelo de entrada simplificado (Simplified Input Model – SIM) através da redução de parâmetros, da criação de valores alternativos para os parâmetros escolhidos e, por fim, passos de simplificação matemática e geométrica. A estrutura aberta do ambiente permite uma ampla variedade de aplicações em pesquisa, prática e educação. A metodologia de validação proposta baseia-se no conceito de que a contextualização dos resultados obtidos representa a mais importante contribuição para a orientação de projeto no EADS. Este trabalho confronta pares de resultados, representando a mudança de projetos arquitetônicos similares originados em dois modelos de entrada diferentes, visando avaliar a precisão de seus correspondentes. No estudo de caso, um SIM, proveniente de um modelo de projeto detalhado, é criado de acordo com as regras de simplificação descritas no FORwARrDS. Os resultados são apresentados e analisados permitindo conclusões sobre as principais contribuições deste trabalho. O trabalho apresenta uma ferramenta útil para o desenvolvimento de metodologias de simplificação de modelos e EA para arquitetos durante EADS.