【智慧城市】從建築能源需求側特徵到決策支持系統

歐盟7大智慧項目之一的INDICATE提出了一個全新的城市決策支持系統，它涵蓋了與發展節能城市相關的所有主要系統和活動。 未來智慧城市規劃要如何以準確、全面、智能的方式完成？讓我們來看看INDICATE是怎樣做的。

目前世界上50％以上的人口生活在城市環境中，預計到2050年這個數字將增長到70％。 隨著向城市地區的遷移，對能源的需求也在增加。到2030年，估計全球能源消費的75％將來源於城市。 為了城市發展的可持續性，城市設計，城市規劃以及能源的生產和管理都需要新的方法。 所謂的「智慧城市」代表了利用基礎數據驅動框架提高城市地區效率和可持續性的機會。然而，最近數據的激增和可用性尚未導致可持續增長和改善城市規劃。

INDICATE——智慧城市決策支持系統

INDICATE（全稱Indicator-based Interactive Decision Support andInformation Exchange Platform for Smart Cities/基於指標的智能城市交互決策支持和信息交換平台）是歐盟資助的FP7研究項目，旨在創建一個總體規劃工具，支持決策者和利益相關者將其城市轉變為智慧城市。INDICATE提出的這種全新的城市決策支持系統涵蓋了與發展節能城市相關的所有主要系統和活動。要創建「智慧經濟」，將需要集成智能城市規劃工具，包括建築總體規劃，詳細的能源優化和環境分析。它使用動態模擬模型和演算法，重點關注並優化建築物，能源網路和可再生能源技術之間的相互作用，將根據規劃，減碳，系統集成和優化周期提供關於可再生能源的最佳技術，基礎設施改進和能源管理的建議。 這個工具的一個功能是通過建立一個共同城市指數，讓不同城市的能源表現可以直接進行比較。

城市建築能源需求模型

動態模擬工具，如INDICATE將有助於設計未來的智能，節能和可持續的城市。城市的能源表現的核心是其建築物，這將需要在模擬工具中準確地表示。現有的「自下而上」的方法來建立模擬需要大量的投入，以及高勞動和處理開銷。這些方法不適用於需要同時模擬多個建築物的城市規模的模型。為此，開發了一種新的方法來描述適合於城市規模，自上而下能量建模的建築物的能源性能。對敏感性分析研究進行了回顧，以確定能源建模最重要的建築性能。然後，這些屬性通過建築，功能，幾何和系統的四個建築屬性子集與類型化建築分類相關。該方法簡化了能源模型中建築物的描述，並將大大減少勞動力和處理費用。

能源建模過程大概包括以下內容：

1. 智慧城市組成部分及參數確定，描述其能源特徵

把城市形態視為一個子系統體系（如下圖）。 諸如能源供應網路和運輸網路等許多組成系統相互結合，形成一個更大的城市規模的系統。就智慧城市的能源供應鏈而言，其包括的組成部分有能源相關行為的供需組成部分，能源網路，儲能部分，電力交通網路和社會經濟學。

2. 構建模型結構

從能源建模的角度來看，可以將智慧城市描述為節點和鏈接的集合。 節點代表能源供應系統或城市系統使用能源的地點。連接線是讓能量在城市的源頭和使用之間流動的管道。

3. 城市建築特徵化

任何實際建築的能源性能基礎可以以四個屬性子集表示：建築結構，使用功能，幾何信息和內部系統。在這裡，該系統不再使用傳統的建築模擬工具——如虛擬環境（IES）和能源+（美國能源部）使用一個「自下而上」的方法來創建一個單一的建築物的虛擬表示，而是使用一種更適合於建築群建模的「自上而下」的方式。這消除了明確指定每個建築物的每個細節的需要，大大節省了人力和時間。這種建築能源模型可被用於計算模擬環境中建築群的能源需求，如天然氣和電力的供應。

4. 靈敏度分析和建築特性

為了使建築能量模型產生的結果正確，建築物的某些物理特性需要在模型中表示出來。然而，這些特徵中的一些在建築物的能量表現模型上會比其他特徵產生更大的影響。因此，有必要通過敏感性分析來確定哪些特徵產生最大的能量影響，然後確保這些特徵在模型中恰當表示出來。

5. 建築能源特徵及建築類型

在自上而下的城市模型中需要表示以下建築特徵：內部載荷，玻璃窗，建築物隔熱，通風率，HVAC系統，居住者行為，建築物大小和可持續系統。 除了居住者的行為之外，這些都可以被認為是建築物的固有屬性，所以更適合於自下而上的能量建模方法。對於自上而下的建模方法，需要將這些特徵推廣到建築類型研究所定義的類別中：即建設日期，形式，區域，改造歷史和使用。

最後，如果我們將通過建築物屬性子集識別出的對建築能源建模重要的建築屬性分配給它們的類型分類，可以得到最終的自上而下的建築能源特徵（如下圖）。

這種方法將類型化的建築分類與能源績效方面最重要的建築屬性聯繫起來。它可以用來簡化城市規模，自上而下描述能源建模的住宅和非住宅建築。

要創建「智慧經濟」，將需要集成智能城市規劃工具，包括建築總體規劃，詳細的能源優化和環境分析，且這三者相輔相成、互相作用。INDICATE正在朝著未來的方向努力，我們可以相信在不遠的未來，每個城市的智慧能源構建都將在這樣的決策支持系統的幫助下，得到最優的規劃。

內容及圖片參考來源：

「Demand-sidecharacterisation of the smart city for energy modelling」, Kinnane, Oliver;Basu, Biswajit

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