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基于三维地理信息系统的城市建筑节能研究

刘云亮  
【摘要】:我国城市规模的快速增长导致建筑能耗的快速大幅度增加,同时建筑能耗也是导致北方城镇雾霾问题加剧的主要原因之一。因此,建立城市规模建筑能耗模型,充分分析城市环境中建筑能耗的特点,对减少城市建筑能耗和雾霾,提高城市生活品质具有现实指导意义。然而城市规模建筑能耗模拟研究尚处于一个非常初级的阶段,在海量建筑能耗信息处理、大规模建筑能源系统建模、城市能耗可视化评估方面仍有诸多问题与不足。本研究以地理信息系统平台工具为基础,结合专业的建筑能耗模拟软件与数据科学分析工具,以天津科技大学河西校区建筑群为例,系统性提出一套适用于城市规模建筑能耗模拟研究与节能潜力评估的方法。包括地理信息系统数据处理、自动化建模、机器学习代理模型建立、节能方案可视化评估四个主要内容。首先,基于地理信息系统,提出了建立建筑能耗模型所需数据库的基本框架和具体方法,为以地理信息系统为基础的城市能耗模型建立奠定了数据基础。其次,完成了利用三维地理信息系统建立城市建筑能耗模型的程序化,形式是以计算机语言R为基础的程序包,实现了城市建筑能耗建模的自动化。该程序包还可实现建筑物每层热工区自动划分。然后,建立了五种机器学习代理模型,并比较了其预测性能,发现适用于本研究的最佳能耗代理模型为多元自适应回归样条法建立的模型。与直接使用建筑能耗模拟软件EnergyPlus相比,代理模型的运算速度至少提高102倍数量级。最后,提出将建筑能耗机器学习代理模型、全局敏感性分析方法与地理信息系统相结合的可视化方法,能直观地表达城市建筑能耗的空间分布。全局敏感性分析方法可用于确定不同节能方案的重要性排序,制定更高效灵活的精细化节能方案,并结合计算速度快的城市建筑能耗机器学习模型,快速评估不同节能方案的节能潜力,将节能效果动态展示于城区的地理信息系统。本研究将促进城市能源规划前期建筑能耗模型的广泛应用,为不同规划方案能耗预测推演奠定坚实的基础。同时也将促进智慧城市的发展,助力建筑信息模型和城市规划两个领域的发展。


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