Application of agent-based modeling to assess the impact of occupant behavior on buildings' energy use

Abstract

In der Gebäudesimulation gibt es oft gravierende Unterschiede zwischen dem berechneten und dem tatsächlichen Energiebedarf. Die Gründe dafür können vielfältig sein, jedoch wird als einer der größten Faktoren das Verhalten von Nutzern im Gebäude benannt. Dieses ist schwer vorauszusagen, hat jedoch einen signifikanten Einfluss auf den tatsächlichen Energiebedarf.Herkömmliche Software bildet vor allem mit zeitschrittbasierten Tabellen die Anwesenheit und Interaktionen von Gebäudenutzern nach. Als alternativer Ansatz wird in den letzten Jahren immer öfter die sogenannte Agentenbasierte Modellierung verwendet. Dabei werden individuelle Einheiten erstellt, die basierend auf einem Regelset verschiedene Aktionen ausführen. Diese als Agents bezeichneten Gebäudenutzer können sich je nach Modell unterscheiden. Abhängig von dem aktuellen Input ändern sich dementsprechend ihre Aktionen. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, eine Energiesimulation eines Bürogebäudes mit einem Agenten basierten Modell zu verbinden. Das Modell soll untersuchen, wie sich verschiedene Nutzertypen auf den Endenergiebedarf auswirken. Dazu wurde in dem Programm Netlogo ein Verhaltensmodell für Gebäudenutzer erstellt. Dieses umfasst vier verschiedene Typen, die jeweils einen hohen oder niedrigen Energieverbrauch aufweisen und sich zusätzlich in ihrer Toleranz bezüglich des Raumklimas aufteilen. Dieses Modell wird anschließend mit dem Energiesimulationsprogramm EnergyPlus mithilfe einer Co-Simulation verbunden. In einem fiktiven Bürogebäude wird für jeweils eine repräsentative Woche pro Jahreszeit mit Hilfe mehrerer Nutzerzusammensetzungen der Energiebedarf untersucht. Die Co-Simulation erfolgt dabei über eine Verbindung aus dem Programm Building Control Virtual Test Bed und der Programmiersprache Python. Für jeden Zeitschritt werden die Handlungen der Gebäudenutzer basierend auf den aktuellen klimatischen Bedingungen simuliert und als Input zurück an EnergyPlus gegeben. Die Arbeit beschreibt dabei sowohl das zugrundeliegende Verhaltensmodell, als auch die Verbindung der Programme miteinander. Im Anschluss werden die Ergebnisse der Simulationen verglichen und untersucht. Dabei wird deutlich, dass das Energiebewusstsein der Gebäudenutzer einen großen Einfluss auf den Verbrauch hat. Zusätzlich zeigt sich, dass in einigen Fällen eine größere Toleranz - und im Simulationsmodell damit verbunden ein Unterlassen der Einflussnahme auf das Gebäude - zu einem erhöhten Energieverbrauch führen kann. Zudem zeigt sich, dass die kommerzielle Nutzung von präziseren Energiesimulationsmodellen mit Co-Simulationen, bedingt durch den großen Aufwand zur Erstellung, noch an ihrem Anfang steht.

In the building simulation, there are often serious differences between the calculated and the actual energy demand. The reasons for this can be many, but one of the biggest factors is the behaviour of users in the building which is diffcult to predict, but has a signifiant inuence on the actual energy demand. Conventional software mainly replicates presence and interactions with time-step based tables. In recent years, agent-based modeling has been increasingly used as a new approach. This involves creating individual units that perform various actions based on a set of rules. These building users, called agents, can differ according to need. Depending on the current input, their actions change accordingly. The present work aims to combine a dynamic energy simulation of an office building with an Agent-based model. The model will investigate how different types of users affect the final energy demand. For this purpose, a behavioural model for building users was created in the software Netlogo. This comprises four different types of users, each of which have a high or low energy load and are additionally divided in their tolerance with regard to the indoor climate conditions. The model is then connected to the energy simulation programme EnergyPlus using a co-simulation. The co-simulation is carried out by combining the software Building Control Virtual Test Bed and the Python programming language. In a fictitious office building, the energy demand is investigated for one representative week per season with several user compositions. For each time step, the actions of the building users are simulated based on the current climatic conditions and fed back to EnergyPlus as input. The work describes both the underlying behavioural model and the connection between the tools. Subsequently, the results of the simulations are compared and analysed. It becomes clear that the energy awareness of the building users has a significant influence on the energy consumption. In addition, it is shown that in some cases a greater tolerance - in the simulation model associated with reduced influence on the building - can lead to an increased energy consumption. It is also apparent that the commercial use of more precise energy simulation models with co-simulations is still in its infancy due to the exceptional effort required to create them.