Paramet­ri­soitu laskenta energiasimulointiohjelmissa

Paramet­ri­sointi on matemaat­tinen prosessi, jossa ilmaistaan ​​järjes­telmän, prosessin tai mallin tila joidenkin riippu­mat­tomien suureiden, joita kutsutaan paramet­reiksi, funktiona. Energia­si­mu­loin­tioh­jel­missa paramet­reina voidaan käyttää mm. ikkunan kokoa, ilman­vuo­to­lukua, raken­nuksen suuntausta tai lämmön talteenoton hyöty­suh­detta. Näille paramet­reille annetaan vaihtoehtoja joko lukuvä­liltä tai tiettyjen arvojen joukosta. Paramet­ri­soi­dussa lasken­nassa ohjelma käy läpi satun­naiset, kaikki tai tietyn määrän vaihtoehtoja annet­tujen parametrien perusteella.

Ennen paramet­ri­soidun laskennan suorit­ta­mista on varmis­tettava, että simuloi­ta­vasta kohteesta on tehty ns. perus­tapaus, jolle on asetettu kaikki lähtö­arvot. Perus­ta­pauksen energia­si­mu­loinnin tuloksen olisi oltava lähellä oletettua energian kulutuksen tasoa, jolloin varmis­tutaan myös paramet­ri­soidun laskennan tulosten oikeel­li­suu­desta. Mikäli perus­ta­pauk­sessa on virheitä tai lähtö­arvot ovat puutteel­liset, ei paramet­ri­soitu laskenta tuota tarkkoja tai oikeita tuloksia.

Tässä artik­ke­lissa vertaillaan Riuskan ja IDA ICEn paramet­ri­soidun laskennan periaat­teita ja vertaillaan niiden eroa sekä käytet­tä­vyyttä erilai­sissa simuloin­ti­ta­pauk­sissa ja -tarpeissa.

Riuska-energia­si­mu­loin­tioh­jelma

Riuska on MagiCAD-ohjel­mistoon kuuluva energia­si­mu­loin­tioh­jelma. Energia­si­mu­loin­tioh­jelmana Riuska on kevyt ja nopea, keskittyen pääasiassa yleisimpiin tapauksiin ja niiden simulointeihin.

Laskenta Riuska-ohjel­massa

Kuvassa 1 on Riuskan paramet­ri­soidun laskennan aloitus­näkymä. Ylimmästä valin­nasta ”Lasken­ta­tapaus” voi laskentaan liittää muita samassa projek­tissa olevia lasken­ta­ta­pauksia. Lasken­ta­tapaus Riuskassa on kopioi­ta­vissa, jolloin toiseen lasken­ta­ta­paukseen voidaan muuttaa lähtö­tietoja. Kaikkia Riuskan lasken­ta­pa­ra­metreja ei paramet­ri­soi­dussa lasken­nassa voi asettaa, esimer­kiksi ilman­vaih­to­koneen aikataulut, joten lasken­ta­ta­pausten kautta voi myös nämä muuttujat ottaa huomioon.

Halutut muuttuvat parametrit asetetaan painik­keesta (…) ja valitaan parametrin minimiarvo, maksi­miarvo ja laskennan askelväli. Joissakin tapauk­sissa, kuten rakenteet ja ikkunat, on valittava listalta halutut muuttujat, jolloin kaikki kyseiset raken­nuksen osat muuttuvat parametrin mukaan. Jotta valinta on mahdol­linen, on sen oltava Riuskan kysei­sessä kirjastossa. 

Tulokset Riuska-ohjel­massa

Riuskan paramet­ri­soitu laskenta tuottaa kuvan 3 mukaisen taulukon ja graafin. Graafin yläreu­nassa on tulosten maksi­miarvot ja alalai­dassa minimiarvot sekä suluissa taulukon sarakkeen järjes­tys­numero. Väril­liset kuvaajat näyttävät kunkin lasken­ta­ta­pauksen tuloksen.

Taulu­kossa on ylhäällä mustalla tekstillä annettuja parametrejä ja sinisellä tekstillä lasken­tojen tulokset jaettuna sarak­keisiin. Viemällä hiiren osoit­timen sarakkeen otsikon päälle, voidaan nähdä valit­tujen lasken­ta­ta­pausten määrä, sarakkeen arvojen summa ja keskiarvo sekä minimi- ja maksimiarvot.

Tulokset on tulkittava suoraan taulu­kosta ja kuvaa­jista, sillä taulukkoa tai kuvaajaa ei voi kopioida tai järjestää esim. suurimman arvon mukaan. Ottaen huomioon, että suurin sallittu kombi­naa­tioiden määrä on 100 000, voi tulosten tulkinta olla hankalaa joissakin tapauk­sissa. Jos yhden sarakkeen tulosten tarkastelu ei riitä, voi olla helpointa tarkas­tella mitä väris­kaalaa esiintyy eniten tärkeimpien sarak­keiden kohdalla graafissa ja tutkia näitä tapauksia tarkemmin.

IDA ICE -energiasimulointiohjelma

IDA ICE on EQUA Simula­tions AB:n energia­si­mu­loin­tioh­jelma. IDA ICE on erittäin monipuo­linen ja kattava ohjelma, jolla voi simuloida hyvinkin monimut­kaisia energia­rat­kaisuja tarkalla tasolla.

Laskenta IDA ICE -ohjelmassa

IDA ICEn paramet­ri­soitu laskenta vaatii käyttä­jältä lasken­ta­pa­ra­metrien ja halut­tujen tulosten määrit­telyn. Ennen määrit­telyä on syytä tehdä energia­si­mu­lointi, jolla varmis­tetaan simulaation toimivuus.

Paramet­ri­soitu laskenta aloitetaan Parametric Runs -valikosta (Työkalut / Parametric Runs / New). IDA ICEn näkymistä valitaan parametreja Input- ja Output-paramet­reiksi. Kuvassa 4 on Input-paramet­reiksi valittu yhden tilan ikkunat ja valais­tuksen teho. Output-paramet­reina on sähkön ja kauko­lämmön kokonaisenergiat.

OK Arvo -sarak­keessa voidaan määrittää raja-arvot hakasu­luilla tai tarkat arvot suluilla, mikäli kenttään voidaan asettaa numee­risia arvoja. Ikkunoiden tapauk­sessa on yhdis­tettävä vaihtuvat ikkunat yhteen ikkunaan, jotta laskenta osaa muuttaa kaikki ikkunat samaksi tyypiksi yhden muuttuessa. Tämä tapahtuu esimer­kiksi yleis­lo­makkeen ikkunat-taulu­kossa lasitus-sarakkeen valikosta (Yhdistely / Muokkaa linkkiä…) ja etsimällä lasira­kenne, johon kaikki muuttuvat ikkunat linki­tetään. Tällöin on vain yksi ”pääikkuna”, joka muuttuu paramet­ri­soi­dussa lasken­nassa ja muut ikkunat muuttuvat tämän mukana. Samalla tavalla voidaan tehdä esimer­kiksi seinille muuttuvia arvoja paramet­ri­soi­dussa laskennassa.

Distri­bution-sarake määrittää numee­risten parametrien hajon­ta­tyylin. Resoluutio-sarake määrittää numee­risten parametrien lukumäärän OK Arvo -sarak­keessa määri­te­tyllä välillä.

Output-kentässä sarak­keessa Role määri­tetään, kuinka tuloksia käsitellään. Vaihtoeh­toina on Show, Min, Max ja Constrain. Constrain-valin­nalla voidaan rajoittaa tuloksia tietylle välille sarak­keissa Min ja Max.

Kun parametrit on asetettu, ajetaan simulaatiot painik­keesta Run All. Lasken­tojen määrä riippuu Input-kentän parametrien määrästä. Kuvan 4 tapauk­sessa laskentoja on 3*3, sisältäen 3 ikkuna­vaih­toehtoa ja 3 valais­tuksen nimel­lis­tehon vaihtoehtoa. Useam­milla paramet­reillä lasken­ta­ta­pauksia voi tulla helposti satoja tai jopa tuhansia, jolloin laskenta-aika voi olla useita päiviä. Jos esimer­kiksi lasketaan kahdelle eri ulkosei­nälle, yläpoh­jalle ja alapoh­jalle kullekin kolme vaihtoehtoa, on lasken­ta­ta­pauksia ja 3*3*3*3=81. Kolmen ikkuna­vaih­toehdon lisää­minen kasvat­taisi lasken­tojen määrän 243:een. Noin 2500 laskennan suorit­ta­minen, mallin monimut­kai­suu­desta ja laskevan tieto­koneen kyvyistä riippuen, voi viedä noin neljä päivää.

Tulokset IDA ICE -ohjelmassa

Jokainen laskenta on tulok­sissa omalla rivillään. Rivillä on myös annetut muuttuvat parametrit ja laskennan tulokset. Tulokset voi viedä Exceliin yläreunan painikkeesta.

Alareunan Explore… -painike näyttää tulokset graafi­sesti. Sarak­keita valit­se­malla kuvaajat muuttavat väriä ja grafiikka on hieman helpommin luettavissa.

Alareunan + -painik­keella voidaan tehdä diagrammi, jonka esitys­tapoja voidaan muuttaa. Show-As -sarakkeen kenttiä valit­se­malla saadaan parametri esitettyä y-akselilla, x-akselilla, alueena, värinä, muotona tai piilo­tettua kokonaan. Kuvassa 6 on yksin­ker­tainen diagrammi laskennan tulok­sista, jossa tulok­sille on asetettu erilaisia esitystapoja.

Energia­si­mu­lon­tioh­jelmien vertailua: Riuska vs. IDA ICE

Paramet­ri­soitu laskenta energia­si­mu­loin­tioh­jel­missa on hyödyl­linen raken­nuksen ja talotek­niikan ominai­suuksien optimoin­nissa. Kuten energia­si­mu­loin­nis­sakin, Riuska on helppo ja nopea, mutta mahdol­li­suudet ovat rajal­liset. IDA ICE taas vaatii syvää pereh­ty­mistä itse ohjelmaan ja kattavaa talotek­niikan ja raken­nus­tek­niikan tunte­musta. IDA ICE -ohjel­malla voi kuitenkin tehdä paramet­ri­soituja laskentoja hyvinkin katta­vasti sekä yksityis­koh­tai­sesti, ja tulosten esittä­minen on selkeämpää.

Riuska soveltuu lähinnä nopeaan optimointiin suuril­lakin määrillä muuttujia, mutta ohjelman rajoi­tukset tulevat nopeasti vastaan, jos halutaan simuloida muita kuin yleisimpiä tapauksia. IDA ICE taas on hyvä työkalu tutki­muk­sel­li­selle lasken­nalle ja sillä voidaan tarkasti optimoida pienempiä ja hyvinkin erikoisia tai teknisiä ratkaisuja raken­nuksen energia­te­hok­kuuden suhteen.

---

Kirjoittaja:

Jari Kuusisto, projek­ti­suun­nit­telija, Karelia-ammattikorkeakoulu

Artik­ke­likuva: Vita M / Unsplash