Methodological approach for calibration of building energy performance simulation models applied to a common "measurement and verification" process

A big challenge for energy savings performance contracting projects is the transparent and reliable determination of the energy consumption before and after retrofitting. This process, the so called “measurement and verification” (M&V) process, can be performed by means of calibrating simulation models with measured data, e.g. the energy bill data. There are guidelines for reporting and conducting this procedure. According to reports from case studies, it seems that they are carried out using several different approaches. The main goal of this work is to develop a consistent, practical approach for the M&V process. The approach supports visual inspection methods, parametric studies, and optimization methods. The visual inspection method can help to understand characteristics of a specific building depending on an input parameter change via graphs. However, the visual inspection method requires an extensive effort for this trial and error process and it is strongly dependent upon the users’ experience. The automated parametric study can be applied both for calibration and sensitivity analysis of uncertain parameters. The big challenge for the practical use is the need for automating the process due to an enormous number of simulation cases and the required skills in applied statistics. Optimization algorithms quickly provide the user with a quantitatively best solution. However, they do not analyze the actual problems and therefore do not contribute to an understanding of the system under consideration. Furthermore, results should be examined carefully because the optimization may produce mathematically correct but physically meaningless results. Due to the present advantages and disadvantages of these methods, a calibration tool including all three methods would be desirable in order to predict the impact of energy efficient retrofitting projects.

Methodologische Herangehensweise für die Kalibrierung von Gebäudesimulationsmodellen im “Measurement M&V Verification“-Prozess.
Eine große Herausforderung bei Energiespar-Contracting-Projekten ist die transparente und zuverlässige Bestimmung der Energieeinsparung vor und nach der Sanierung. Der sogenannte “Measurement & Verification“ (M&V)-Prozess kann mittels der Kalibrierung von Simulationsmodellen mit gemessenen Daten, z. B. den Berechnungsdaten von Energieversorgern, durchgeführt werden. Es gibt mehrere Leitfäden für die Vorgehensweise bei solchen M&V-Prozessen, Projektberichten von Fallstudien zufolge wird die Kalibrierung der Gebäudesimulationsmodelle jedoch mit recht unterschiedlichen Ansätzen bewerkstelligt. Ziel dieser Arbeit ist es, einen einheitlichen, praxistauglichen methodischen Ansatz für den M&V-Prozess zu entwickeln. In dem hier vorgestellten neuen Ansatz können sowohl Methoden der visuellen Untersuchung, parametrische Studien als auch Optimierungsverfahren angewendet werden. Die Methoden der visuellen Untersuchung können in erster Linie dazu beitragen, Eigenschaften eines bestimmten Gebäudes zu verstehen. Der große Nachteil dabei ist, dass sie auf einer “Trial and Error“-Vorgehensweise beruht. Somit ist sie mit hohem Zeitaufwand verbunden und die Qualität des Ergebnisses hängt stark von der durchführenden Person ab. Automatisierte parametrische Studien werden bislang in erster Linie für Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Eine Übertragung dieser Methode auf die Modellkalibrierung erscheint jedoch im genannten Kontext vielversprechend. Die große Herausforderung für eine praktische Anwendung ist hierbei, einen hohen Automatisierungsgrad zu erreichen, da eine sehr große Anzahl von Simulationsfällen ausgewertet werden muss. Darüber hinaus erfordert sie vom Anwender vertiefte Fachkompetenzen im Bereich Statistik. Optimierungsverfahren erlauben es, schnell zu quantitativ besseren Lösungen zu gelangen. Deren Nachteil ist jedoch, dass sie keine Analyse des Systems vornehmen und dadurch kaum zu einem besseren Systemverständnis beitragen. Zudem sollten die Ergebnisse eines Optimierungsprozesses sorgfältig geprüft werden, da daraus zwar mathematisch korrekte, aber unter Umständen physikalisch bedeutungslose Systemvarianten resultieren können. Aufgrund der bekannten Vor- und Nachteile dieser Methoden wäre ein Kalibrierungswerkzeug wünschenswert, welches alle drei Verfahren in der Praxis nutzbar macht, um die Wirkung energieeffizienter Sanierungsprojekte besser vorhersagen zu können.