Att utveckla en perfekt energieffektiv byggnad är relativt lätt att göra – om du inte ger byggnadens boende någon kontroll över sin miljö. Eftersom ingen vill ha den typen av byggnad, Professor Christoph Reinhart har fokuserat sin karriär på att hitta sätt att göra byggnader mer energieffektiva och samtidigt hålla användarnas behov i åtanke.

"Vid denna tidpunkt när vi designar byggnader, den största osäkerheten kommer från användarbeteende, säger Reinhart, som leder Sustainable Design Lab på MIT:s avdelning för arkitektur. "När du förstår värmeflödet, det är en mycket exakt vetenskap att se hur mycket värme man ska lägga till eller ta från ett utrymme."

Utbildad i fysik, Reinhart gick över till arkitektur eftersom han ville tillämpa de vetenskapliga koncept han lärt sig för att göra byggnader mer bekväma och energieffektiva. I dag, han är internationellt känd för sitt arbete med vad arkitekter kallar "dagsljus" – användningen av naturligt ljus för att belysa byggnadernas interiörer – och analys av miljöbyggnadsprestanda på stadsnivå. Designverktygen som kom fram från hans labb används av arkitekter och stadsplanerare i mer än 90 länder.

The Sustainable Design Labs arbete har också producerat två spinoff-företag:Mapdwell, som ger individualiserade kostnads-nyttoanalyser för installation av solpaneler; och Solemma, som tillhandahåller miljöanalysverktyg som DIVA-for-Rhino, en mycket optimerad mjukvarukomponent för dagsljus och energimodellering. Reinhart är medgrundare och strategisk utvecklingsrådgivare på Mapdwell, och han är vd för Solemma.

Genom allt, Fysiken har förblivit ett centralt underlag. "Allt vårt labb utvecklar är baserat på fysik först, säger Reinhart, som tog magisterexamen i fysik från Albert Ludwigs Universität i Freiburg, Tyskland, och Simon Fraser University i Vancouver, Kanada.

Informerande design

En livslång miljöaktivist, Reinhart säger att han blev inspirerad att studera arkitektur delvis av arbetet från Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, som byggde ett helt självförsörjande solcellshus i Freiburg i början av 1990-talet.

När han avslutade sin masteruppsats, Reinhart säger, han läste också en artikel som antydde att egenskaper som färg kan vara viktigare än prestanda för arkitekter som väljer ett solsystem – en idé som fick honom att hitta sätt att ge arkitekter möjlighet att överväga estetik och miljöprestanda hos deras design på samma gång . Han började detta arbete med att undersöka dagsljus vid Karlsruhes tekniska universitet, Tyskland.

Ljus är otroligt viktigt ur designsynpunkt – arkitekter talar om att "måla med ljus" – men det finns också betydande tekniska utmaningar i belysning, till exempel hur man hanterar värme och bländning, säger Reinhart.

"Du behöver bra himmelsmodeller och du behöver bra renderingsverktyg för att modellera ljuset. Du behöver också datavetenskap för att göra det snabbare - men det är bara grunderna, " Reinhart säger, noterar att nästa steg är att överväga hur människor uppfattar och använder naturligt ljus. "Det här riktigt nyanserade sättet att tänka är det som gör dagsljus så roligt och intressant."

Till exempel, designers gör vanligtvis byggnader med alla persienner öppna. Om de lär sig att människor kommer att hålla ner persiennerna 90 procent av tiden med en given design, de kommer sannolikt att tänka om det, Reinhart säger, eftersom "ingen vill det."

Programvaran för dagsljusanalys som utvecklades av Reinharts team 1998 ger just denna typ av information. Känd som DAYSIM, den används nu över hela världen för att modellera den årliga tillgängligheten av dagsljus i och runt byggnader.

Reinhart har också publicerat läroböcker om dagsljus:"Daylighting Handbook I:Fundamentals and Designing with the Sun" publicerades 2014, och en andra volym, "Daylighting Handbook II:Daylight Simulations and Dynamic Facades, " släpptes i oktober förra året.

"Dagsljus var verkligen min första väg in i arkitektur, " Reinhart säger, noterar att han tycker det är underbart att fältet kombinerar "rock solid science" som skymodellering med mer subjektiva frågor relaterade till användarnas upplevelse, som:"När är solljus en skuld?" och "När ger det visuellt intresse?"

Undervisa och ge råd

Efter att ha tagit sin doktorsexamen i arkitektur från Technical University 2001, Reinhart undervisade kort vid McGill University i Kanada innan han utnämndes till docent i arkitektur vid Harvard Universitys Graduate School of Design. År 2009, studentforumet där utsåg honom till årets fakultetsmedlem.

Under 2012, han började på fakulteten vid MIT, där han vanligtvis handleder sju eller åtta doktorander, inklusive cirka tre som arbetar med sin doktorsexamen. Ofta, han har också studenter som arbetar i hans labb genom programmet för forskningsmöjligheter för grundutbildning. Flera studenter som studerar datavetenskap har visat sig vara särskilt hjälpsamma, han säger.

"Det är fantastiskt vad MIT-studenter kan implementera, " han säger.

Reinhart är också instruktör, självklart, särskilt undervisning 4.401/4.464 (Environmental Technologies in Buildings), som fokuserar på hur man bedömer byggnaders energieffektivitet.

"Det finns inget roligare - särskilt på en institution som MIT - än att lära ut dessa koncept, " han säger.

MIT Energy Initiative (MITEI) arbetar nu för att göra det ämnet tillgängligt online via MITx, och klassen förväntas ingå i ett planerat examensbevis i energi, enligt Antje Danielson, MITEI:s utbildningsdirektör.

Stadsmodellering

Under tiden, Reinhart har skalat upp sin egen forskning för att modellera energianvändning på stadsnivå. 2016, han och kollegor avslöjade en energimodell för Boston som uppskattar gas- och elbehovet för varje byggnad i staden – och hans team har sedan dess utvärderat andra stadsområden.

Detta arbete har understrukit för honom hur viktigt användarbeteendet är för att beräkna energianvändningen.

"För en enskild byggnad kan du få en känsla av användarens beteende, men om du vill modellera en hel stad, det problemet exploderar på dig, " Reinhart säger, noterar att hans team använder statistiska metoder som Bayesiansk kalibrering för att bestämma sannolika beteenden.

Väsentligen, de samlar in data om energianvändning och tränar datorn att känna igen olika scenarier, till exempel energin som används av olika antal människor och apparater.

"Vi kastar 800 användarbeteenden mot ett urval av byggnader, och eftersom vi vet hur mycket energi dessa byggnader faktiskt använder, vi behåller bara de beteendemönster som ger oss rätt energianvändning, " Reinhart säger, förklarar att en upprepning av processen ger en kurva som indikerar byggnadernas mest sannolika användningsområden. "Vi vet inte exakt var folk är, men på stadsnivå, vi får rätt."

Att bestämma hur energi används i denna breda skala ger viktig information för att tillgodose behoven hos energisystemet som helhet, säger Reinhart. Det är därför Reinhart för närvarande arbetar med Exelon Corporation, en stor nationell energileverantör, för att bedöma energianvändningen i Chicago. "Vi kan säga, låt oss främja den här typen av uppgraderingar och i stort sett garantera att det är så här energibelastningen i ett grannskap eller för särskilda transformatorstationer kommer att förändras – vilket är precis vad företag vill veta, " han säger.

Kopplingen mat-energi-vatten

Nyligen, Reinhart har också börjat undersöka sätt att göra livsmedelsproduktionen mer energieffektiv och hållbar. Hans labb utvecklar en mjukvarukomponent som kan uppskatta livsmedelsutbyten, tillhörande användning av energi och vatten, och de koldioxidutsläpp som uppstår för olika typer av urbana gårdar.

Till exempel, hydroponisk containerodling – ett system för att odla mat utan jord inuti något som liknar en fraktcontainer – främjas nu av företag i vissa städer, inklusive Boston. Detta system använder vanligtvis mer el än vad konventionellt jordbruk gör, men att energianvändningen mer än kan kompenseras av det minskade behovet av transporter, säger Reinhart. Redan, Reinharts team har visat att tak- och containerodling på tillgänglig mark i Lissabon, Portugal, skulle teoretiskt kunna möta stadens totala grönsaksefterfrågan.

Detta arbete utforskar sambandet mellan mat, energi, och vatten är bara nästa nivå av komplexitet för Reinhart i en karriär dedikerad till att flytta nålen på hållbarhet. Lyckligtvis, han är inte ensam i sitt arbete; han har skickat en mängd unga akademiker ut i världen för att arbeta med liknande problem.

Reinharts tidigare doktorander arbetar nu vid universitet inklusive Cornell, Harvard, Syrakusa, och University of Toronto, och han fortsätter att samarbeta med dem i projekt.

Det är som att ha en växande familj, säger Reinhart, en tvåbarnspappa. "Elever går aldrig. Det är som barn."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.