Multiobjective optimization of the shape of residential buildings using EnergyPlus and genetic algorithms

Há uma abordagem em ascensão nas comunidades científicas de tecnologia de edificações denominada Otimização baseada em Simulação (OBS). Esta tem como base o uso de algoritmos de otimização acoplados a programas de simulação. As técnicas de OBS têm demonstrado grande potencial para alcançar metas de projetos energeticamente eficientes, entretanto, estas são raramente utilizadas na prática de trabalho de engenheiros e arquitetos, sendo, em sua maioria, apenas estudadas em pesquisas acadêmicas. O presente estudo aborda um método de OBS utilizando ferramentas computacionais com interfaces amigáveis do ponto de vista dos arquitetos. São estudados problemas concernentes aos aspectos geométricos de edificações, dada a complexa relação destes com o desempenho termo energético do espaço construído. O estudo foi dividido em três etapas - a análise inicial por meio do RTQ-R indicou características geométricas de destaque; a otimização de uma zona térmica confirmou o potencial de interoperabilidade entre os programas e plugins relacionados ao processo e, por fim, a otimização da unidade habitacional destacou parâmetros geométricos de maior impacto para a cidade de São Paulo. Utilizou-se, para a otimização da unidade habitacional, os indicadores graus-hora de resfriamento (GHr) e de aquecimento (GHa) com temperaturas base de 26°C e 18°C, respectivamente. Identificou-se como parâmetros de maior impacto sobre o desempenho: área útil, inclinação da cobertura, áreas envidraçadas e áreas de vão de ventilação. Graus-hora mínimos próximos a 200°Ch de resfriamento e 800°Ch de aquecimento foram alcançados no Pareto Front e foi proposto um surrogate model para minimizar o dispêndio computacional no processo. Os resultados apontam que métodos de OBS aplicados a modelos com reduzido número de variáveis já são acessíveis para estudos preliminares e/ou gerais de projeto, do ponto de vista dos arquitetos. Modelos mais complexos podem confirmar os resultados através do surrogate model proposto e aplicado neste trabalho.A method called Simulation-based Optimization (SBO) is a rising approach in the scientific communities of building technology. It consists in the use of optimization algorithms coupled to simulation software. SBO techniques have shown great potential to achieve energy efficient design goals, however, they are seldom used by engineers and architects, and are mostly studied in academic research. The present research consists on a study of an SBO method using computational tools with friendly interfaces from the point of view of architects. Aspects related to the geometric aspects of buildings were studied, regarding their complex relationship with the thermal-energy performance. The study was divided into three stages - the initial analysis using the Brazilian Technical Quality Requirements for the Energy Efficiency of Residential Buildings (RTQ-R) indicated the prominent geometry characteristics; the optimization of a thermal zone confirmed the potential for interoperability between software and plugins related to the process and, finally, the optimization of the housing unit highlighted geometric parameters of higher impact for the city of São Paulo. The cooling and heating degree-hours (GHr and GHa) were used, with base temperatures of 26°C and 18°C, respectively, for the optimization of the housing unit, as the following parameters were identified as those with greater impact on the energy performance: area, roof inclination, glazed and ventilation area. A minimum of 200°Ch of cooling degree-hours and 800°Ch of heating degree-hours were achieved in the Pareto Front and a surrogate model was proposed to minimize the computational expenditure. The results indicate that SBO methods applied to models with a small number of variables are already accessible for preliminary and / or general design studies from the point of view of the architects. More complex models can confirm the results through the proposed surrogate model developed in this study.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológic