Utveckling av rutiner för beräkning och visualisering av energianvändning i bostäder utifrån tidsanvändningsdata

Transkript

1 Utveckling av rutiner för beräkning och visualisering av energianvändning i bostäder utifrån tidsanvändningsdata Detaljerad beskrivning av projektet Joakim Widén Doktorand Institutionen för teknikvetenskaper Fasta tillståndets fysik Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Box Uppsala joakim.widen@angstrom.uu.se

2 (5) Projektets syfte Det här föreslagna projektets syfte är att, med utgångspunkt i resultat från tidigare forskningsprojekt, vidareutveckla en beräkningsmodell över energianvändningen för vardagliga aktiviteter i bostäder, för implementering i programvara som är under utveckling. Modellen ska ligga till grund för en modul i ett visualiseringsprogam där vardagens energianvändning i hushåll beskrivs på ett pedagogiskt och innovativt sätt. Målet är att visualiseringsprogrammet ska kunna få en mängd tillämpningar, till exempel inom energirådgivning och information till hushåll, samt som simuleringsverktyg och databank över energibeteendet i hushåll, med nytta för både energiföretag och forskare. Bakgrund Statistiska Centralbyrån har i ett antal tidsanvändningsstudier kartlagt hur ett representativt urval av befolkningen fördelar sin tid på olika aktiviteter i vardagen. Insamlingen av data har skett genom att hushållsmedlemmarna har skrivit detaljerade dagboksanteckningar om vilka aktiviteter som genomförs, platsen de befinner sig på, samt vilka personer de är tillsammans med, under utvalda dygn. Resultatet är ett sällsynt rikt och mångfacetterat datamaterial, som tidigare legat till grund för så kallade tidsgeografiska studier av hushållens vardagsliv [1]. Fler tidsanvändningsstudier har genomförts i andra sammanhang, bland annat inom beteendestudier kopplade till Energimyndighetens pågående mätstudie över hushållsel [2]. Inom ett pågående doktorandprojekt inom den nationella forskarskolan Program energisystem som finansieras av Energimyndigheten och med kompletterande projektfinansiering från ELAN-programmet [3], och utfört av Joakim Widén (undertecknad), har en modell utvecklats för att omvandla tidsanvändningsdata till energilastkurvor över hushållsel. Genom att anta en uppsättning av hushållsapparater och olika principiella användningsmönster för dessa, samt koppla de olika aktiviteterna till apparaterna, kan realistiska elanvändningsdata framställas. Hittills har en databas över tidsanvändningsdata från 1996 använts, men data från 2000/2001 är för närvarande under bearbetning och kommer att utnyttjas inom kort. Vid validering av modellen mot preliminära resultat från Energimyndighetens pågående mätstudie fås god överensstämmelse mellan modellerade och uppmätta energilastkurvor. Beskrivning av modellen och resultaten från valideringen ges i [4]. Med liknande modellstruktur har även lastkurvor över varmvatten i hushåll tagits fram i ett anknutet projekt [5]. För att åskådliggöra tidsanvändningsdata har ett visualiseringsprogram, kallat VISUAL- TimePAcTS, tagits fram. Programmet utvecklas av Katerina Vrotsou vid NVIS (Norrköpings Visualiserings- och InteraktionsStudio vid Linköpings universitet, Campus Norrköping). Tidsanvändningen i en population åskådliggörs där med hjälp av en 3- dimensionell visualisering som visar tid på dygnet, individer och aktiviteter på tre olika axlar. Genom interaktion med användaren kan programmet anpassa visualiseringen och

3 (5) det går att välja olika urval av individer baserat på bakgrundsstatistik. För närvarande utvecklas mönsterdetektering, så att sekvenser av aktiviteter kan plockas ut och analyseras. Programmet, och dess olika funktioner, beskrivs i [6] och [7]. Metod I det föreslagna projektet kommer den modell för omvandling av tidsanvändningsdata till elanvändningsdata som beskrivs i [4] att vidareutvecklas för att ingå, som en modul, i programmet VISUAL-TimePAcTS. Det finns även möjlighet att använda resultat från de modelleringsstudier som görs för varmvattenanvändning [5]. Målet är att visualisera även en beräknad energianvändning för de hushållsaktiviteter som beskrivs i programmet. Det föreslagna projektet blir en naturlig övergång från teoretisk modellutveckling till praktisk tillämpning av modellen. Till att börja med ska modellen vidareutvecklas inför implementering i programmet. De huvudsakliga åtgärderna är: 1 a Högre tidsupplösning. Hittills är modellens utdata på timbasis, medan de tidsanvändningsdata som den baseras på tillåter en tidsupplösning på femminuterseller enminutsintervall. Förfinad tidsupplösning efter undersökning av förhållandet mellan modellkomplexitet och utdataprecision kommer att genomföras. Detta kräver också ytterligare analys av enskilda hushållsapparaters lastkurvor, vilket kommer att göras med hjälp av mätningar på apparatnivå från Energimyndighetens mätstudie. 1 b Olika uppsättningar av hushållsapparater. I dagsläget används en genomsnittlig uppsättning av hushållsapparater i modellen. Ett steg i vidareutvecklingen av modellen är därför att erbjuda användaren olika uppsättningar att välja bland, eller att låta användaren själv definiera de olika hushållsapparaternas prestanda. 1 c Förfinad koppling mellan hushållsapparater och aktiviteter. Speciellt när det gäller modelleringen av belysning i hushållen finns utvecklingspotential. Det är möjligt att vidareutveckla modellens koppling mellan olika aktiviteter och belysningsbehov, så att olika aktiviteter kräver olika belysningseffekt. Det empiriska underlag som tas fram av Energimyndigheten i den pågående mätstudien kan då utnyttjas. Detsamma gäller även för andra typer av apparater. När det gäller användningen av den planerade beräkningsmodulen i visualiseringsprogrammet finns en rad möjligheter att integrera användaren i visualiseringen och öka tillämpningen av programmet i andra sammanhang. De programfunktioner som kommer att utvecklas är: 2 a Val av hushållsapparater. Användaren av visualiseringsprogrammet kan välja olika apparatuppsättningar i förlängningen från en lista över produktmodeller för en

4 (5) grupp av hushåll eller för enskilda hushåll. Det ska även vara möjligt för användaren att själv definiera unika lastkurvor för de apparater som används. 2 b Statistikverktyg. Programmet ska kunna beräkna apparatspecifika och aggregerade lastkurvor samt uppskattningar av totalanvändning av el per år hos valda delpopulationer givet parameteruppsättningar och korrigeringsfaktorer. Vedertagna mått för analys av lastkurvor ska kunna evalueras. 2 c Export till olika simuleringsprogram. De data som modellen och visualiseringsprogrammet beräknar ska kunna användas i olika typer av beräkningar och simuleringar (se nedan). Export av data till lämpliga format bör utvecklas. Vidareutvecklingen av modellen samt framtagningen och specificeringen av programfunktioner enligt ovan, kommer att utföras av undertecknad, i samarbete med professor Kajsa Ellegård, Linköpings universitet. Resultatet kommer att vara ett tydligt specificerat underlag för implementering i VISUAL-TimePAcTS. Tidsplan En preliminär tidsuppskattning med angivet antal veckor (med arbetstakt 20 %) ser ut som följer: Utveckling av modellen enligt punkterna 1 a c ovan. Implementering av modellen i Matlab för testberäkningar och validering. Applicering av vidareutvecklad modell på (eventuellt nya) dataset. Validering mot mätningar. Fastställande av format för implementering av modellen i visualiseringsprogrammet. Kunskapssammanställning för utveckling av de kompletterande programfunktionerna 2 a c ovan. Utformning av kravspecifikationer för implementering av de kompletterande funktionerna 2 a c i programmet. Vecka Vecka Vecka Vecka 1 5 Vecka 6 14 Vecka 15 22

5 (5) Tillämpningsområden (i allmänhet samt för GE) Ett antal tillämpningsområden för energivisualiseringsmodulen i programmet kan urskiljas: Energirådgivning och information till hushåll. De aktiviteter som finns registrerade i visualiseringsprogrammets databas kan tjäna som representativa exempel över aktiviteter och energianvändning i hushåll. En framtida tillämpning av programmet skulle även kunna vara beräkning av elanvändning utifrån tidsanvändningsdata som användarna av programmet själva anger. Genom att laborera med olika tidsanvändningsprofiler, uppsättningar av hushållsapparater och andra parametrar kan användaren enkelt upptäcka förändringspotentialer hos sin egen energianvändning. Detta torde även vara intressant för GE:s del, till exempel i informationsarbete och annan verksamhet riktad mot kunder. Data- och statistikresurs för forskare och företag. Programmet kan fungera som dataoch statistikbank och som verktyg för beräkning och statistisk behandling av realistiska lastkurvor för hushåll. Detta är intressant för olika typer av forskning såväl samhällsvetenskapligt som tekniskt orienterad om hushållens energianvändning. Även energiföretag som GE bör kunna finna tillämpningar av denna typ av programfunktioner, till exempel när det gäller lastkurvor för eleffektbehov eller värmeunderlag för fjärrvärme. Komplement till simuleringsverktyg. Programmet kan framställa indata till simuleringsverktyg för exempelvis byggnadssimuleringar det kan gälla belysning, inomhusklimat eller byggnaders energisystem. Många av de olika typer av data som programmet kan leverera hushållsmedlemmarnas hemmavaro, varmvatten- och hushållselanvändning och uppvärmningsbehov är intressanta som indata till simuleringar av energianvändning i byggnader. Uppsala den 21 augusti 2008 Joakim Widén

6 (5) Referenser: [1] Ellegård, Kajsa och Wihlborg, Elin, Fånga vardagen Ett tvärvetenskapligt perspektiv. Studentlitteratur, Lund, [2] [3] [4] Widén, Joakim; Wäckelgård, Ewa; Ellegård, Kajsa, Modeling household electricity load from time-use data, International Scientific Conference on Green Energy with energy management and IT in connection with the Swedish National Energy Convention 2008, March at Älvsjö fair, Stockholm. [5] Widén, Joakim; Lundh, Magdalena; Ellegård, Kajsa, Constructing load profiles for household electricity and hot water from time-use data modeling approach and validation. Manuscript in preparation for submission to Energy and Buildings. [6] Ellegård, K. and Cooper, M., Complexity in daily life a 3D-visualization showing activity patterns in their contexts. electronic International Journal of Time Use Research 1: [7] Vrotsou, K., Ellegård, K., Cooper, M., Exploring time diaries using semiautomated activity pattern extraction. IATUR XXVIIII Conference, October 17 19, Washington, DC, USA.