城市能耗模拟方法的比较研究抢先版

【编者按】为了更好地推广学者的研究成果,我们将不定期地推送一些尚未见刊的稿件的精华观点,以飨读者。本文为本刊已录用文章《城市能耗模拟方法的比较研究》的精华版,作品的发布已取得作者授权。欢迎读者指正、讨论。在此感谢在百忙中抽出时间撰写精华版的作者,你们的努力让学术论文的阅读体验变得更好。

城市能耗广义上是指城市中建筑、交通、工业能耗的总和。城市能耗中约60%为城市建筑能耗,具体包括暖通空调能耗、照明能耗、插座电器能耗等。由城市能耗排放出的碳氧化物占全球总排放量的四分之三,建筑能耗排放就占其中的三分之一。这主要因为建筑行业80%以上的能源来自化石燃料,其消耗的能源占全球能耗的40%。因此,提高能源利用率,减少城市温室气体排放,有效避免气候变化和能源进口依赖等风险是目前许多国家正在积极研究和应对的重要课题。虽然减少温室气体排放的目标通常设定在国家层面,但必须在城市层面采取具体的政策措施,而城市能耗信息的准确掌握可以有效促进相关政策措施的正确制定,通过城市能耗模拟的方法获得相关数据是一种较为常用的手段。

城市能耗模拟是对城市众多建筑能耗进行模拟,是一新兴方向,具有很大的技术难度,在多个领域引起高度重视。该技术起步于1960年代,至今,单体建筑能耗模拟已是一颇为成熟的领域。据美国能源部统计显示,全世界有400余种建筑模拟技术工具,典型代表有EnergyPlus、TRANSYS、DeST等,这些技术工具在单体建筑的设计和改造,以及绿色建筑标识方面得到了广泛的应用。

城市能耗模拟是在城市层面对能耗进行科学的计算和分析,对于研究城市能源的优化、安全、管理具有重要的基础性意义。目前,主要有两类基本模拟方法:自上而下(top-down)法和自下而上(bottom-up)法(图1)。

图1 城市能耗模拟的两种方法

根据目前国际上最新的城市能耗模拟方法,可以看出城市能耗模拟的一般性流程分为获取城市数据、建立城市模型、模拟城市能耗、校验模拟结果、结果可视化这五个基本模块。

城市能耗模拟的主要研究方法包括以下几种。

一是软件集成。运用必要的计算机技术手段,在GIS平台上处理城市建筑的大数据,通过合适的第三方程序,如Rhino、Grasshopper等,实现从GIS数据到IDF数据的转换,从而使用EnergyPlus对城市建筑大数据进行能耗模拟,确保计算的准确性和高效性(图2)。

图2 软件集成示意

二是数据集成。进行城市尺度的能耗模拟基于城市建筑多维度信息,包括表征形态的三维几何信息,以及对能耗规律具有重要影响的其他非几何信息,例如人流量、围护结构的热工物理参数等。而城市能耗模拟结果将依托GIS平台整合进入城市建筑大数据库,进一步完善城市大数据库。

鉴于城市能耗模拟对于城市能源管理的重要意义,国内外学者在这一领域已经进行了很多研究。但是,城市能耗模拟以及建模水平,仍处于初级阶段。目前,主要面临的挑战有以下三点。

城市建筑基础数据获取困难。城市建筑基础数据包括建筑形态、高度、围护结构传热系数、窗墙比等。在建模过程中所需要的围护结构传热系数等非几何信息具有极大的获取难度。同时,实测数据的缺失会影响模拟结果的校验,进而影响结果的准确性。

目前尚没有一款适用于城市能耗模拟的软件,而软件开发最大的困难是如何将城市建筑的几何信息、非几何信息以及能耗模拟软件进行耦合。

目前尚没有针对不同城市能耗模拟方法在不同城市尺度上的模拟速度和准确度方面的研究,因而城市设计师难以获得有选择性的参考。

对于不同城市的能耗模拟尺度,本文总结出的城市能耗模拟的一般性流程具有普遍的适用性,但针对不同的案例需要在不同的模块上进行不同程度的调整,例如建筑体块模型的简化等,以保证模拟的可行性与准确性。

城市能耗模拟方法的研究需要继续完善,以期未来可以建立兼具模拟、实测、分析功能的城市能耗大数据平台。城市能耗模拟方法应用于城市规划设计实践中,可以探索空间形态与其他要素及能源利用和消耗的关系;发掘城市物质空间形态对能耗的影响机理,评估能耗与城市空间形态因子间的敏感度;研究单体建筑、建筑群之间的能量互动;提高以低能耗为目标的城市形态优化水平;促进能耗大数据与城市规划设计中其他大数据的协同应用。

武玥,东南大学建筑学院硕士研究生

王路,东南大学建筑学院硕士研究生

王超,东南大学建筑学院博士研究生

石邢,东南大学建筑学院教授,博士生导师,东南大学建筑学院副院长,Frontiers of Architectural Research副主编。

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