CN109147046A - 城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法 - Google Patents

城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，包括：在城市卫星影像中标识城市居住建筑系统的屋顶平面外轮廓；在屋顶平面外轮廓上叠加建筑属性集数据；建筑属性集包括建筑类型、建筑高度、建筑层数以及建造年代；根据每个单栋居住建筑的建筑属性集中的关键属性，区划每个单栋居住建筑的建筑类型；为每个单栋居住建筑叠加相邻建筑物阴影遮挡关系，将三维空间数据模型连同建筑属性集和天气数据导入建筑能耗模拟软件，模拟生成并存储每个单栋居住建筑的能耗模型；在地理信息系统中三维可视化呈现单栋居住建筑时空能耗模型。本发明为城市尺度下的居住建筑系统能耗分析提供了一种可操作性强的模拟方法。

Description

城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法
技术领域
本发明属于城市居住建筑系统能耗分析技术领域，尤其涉及一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法。
背景技术
目前，建筑能耗研究多集中在单栋建筑分析上，城市尺度下的建筑系统能耗分析虽然也有研究，但仍处于初级理论阶段。另外，现有建筑能耗模拟软件的建模能力尚处于初级水平，目标使用人群主要面向高校科研人员和建筑能耗技术人员，且软件操作流程复杂，技术门槛较高。
不同于单体建筑能耗模拟分析，城市建筑系统的能耗分析影响因素更为多元复杂。建筑之间的相互作用、建筑与周边环境的关系等外界干扰因素均会对城市建筑系统的能耗产生直接影响。因此，城市建筑系统的能耗分析绝不是对单体建筑能耗进行简单叠加的过程。
综上，城市尺度下建筑系统能耗分析存在的主要问题：亟需一种针对城市尺度下的居住建筑系统能耗分析模拟方法；仅通过对单栋建筑能耗模拟，无法从城市尺度宏观把控城市建筑系统的能源消耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，以解决上述存在的技术问题。本发明为城市尺度下的居住建筑系统能耗分析提供了一种可操作性强的模拟方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，包括以下步骤：
步骤1，在城市卫星影像中标识城市居住建筑系统的屋顶平面外轮廓；
步骤2，在步骤1获得的城市居住建筑系统的屋顶平面外轮廓上叠加城市居住建筑系统包括的各个单栋居住建筑的建筑属性集数据；单栋建筑属性集包括建筑基底面积、总建筑面积、建筑高度、建筑层数以及建造年代；
步骤3，根据每个单栋居住建筑的建筑属性集中的关键属性，区划每个单栋居住建筑的建筑类型；关键属性包括建筑高度、建筑层数以及建造年代；
步骤4，为每个单栋居住建筑叠加相邻建筑物阴影遮挡关系，将三维空间数据模型连同建筑属性集和天气数据导入建筑能耗模拟软件，模拟生成并存储每个单栋居住建筑的能耗模型；
步骤5，在地理信息系统中三维可视化呈现单栋居住建筑时空能耗模型。
进一步的，步骤1具体为，在城市卫星影像中，通过绘制几何平面多边形来表示城市居住建筑系统的屋顶平面外轮廓。
进一步的，步骤2中叠加建筑属性集数据具体为，通过地理信息系统，将单栋居住建筑的建筑属性集中包含的建筑属性信息以属性字段的方式添加到单栋居住建筑相应的建筑屋顶平面外轮廓的属性表中，使单一像素点图形转译为可被地理信息系统识别的兼有居住建筑属性字段的几何平面多边形。
进一步的，步骤2中的单栋建筑属性集还包括建筑基底面积和总建筑面积数据。
进一步的，步骤3中，区划单栋居住建筑类型的方法为：通过设定各个关键属性的数值范围，地理信息系统识别并呈现符合数值范围内的居住建筑，实现对单栋居住建筑的类型区划。
进一步的，步骤4具体包括，根据建筑属性集中的建筑高度属性字段信息，对建筑屋顶平面外轮廓进行三维重建，生成三维空间数据模型；将三维空间数据模型连同建筑属性集和天气数据导入建筑能耗模拟软件Energy Plus中，在考虑相邻建筑物阴影遮挡关系的情况下对单栋居住建筑进行建筑能耗模拟，模拟生成并存储单栋居住建筑的能耗模型。
进一步的，步骤5具体包括，将单栋居住建筑的能耗模型落位于与城市卫星影像相对应的位置，获得单栋居住建筑时空能耗模型；所有单栋居住建筑时空能耗模型构成整个城市居住建筑系统的时空能耗模型；城市居住建筑系统的时空能耗分析模拟结果通过颜色编码以不同色彩表示。
进一步的，步骤5中具体包括，城市居住建筑系统的时空能耗分析模拟结果通过颜色编码以不同色彩表示建筑在能耗使用强度、二氧化碳排放强度以及峰值电力负荷强度方面的差异。
进一步的，步骤5具体包括，建筑时空能耗分析模拟结果以建筑屋顶平面外轮廓、建筑高度和建筑能耗密度作为可视化参数进行三维色彩表征，分析模拟结果通过具有不同色彩属性的三维体块可视化呈现。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明从时间和空间角度对城市居住建筑系统能耗进行分析模拟，直观反映城市居住建筑系统在不同区位、时间的碳能分布情况。本发明从城市尺度对城市居住建筑系统进行碳能时空分布分析与量化模拟，克服单栋建筑能耗模拟在城市尺度下的建筑能耗分析的局限性，在考虑建筑之间的相互作用以及建筑与城市环境相关的影响条件下，使得城市尺度下的建筑能耗分析结果更加具有可靠性。本发明将建筑能耗模型与城市卫星影像相结合，三维可视化呈现城市居住建筑系统时空能耗模型在地理空间上落位，进而能够直观反映城市居住建筑系统的能耗使用与地理空间的分布关系。
进一步的，本发明考虑了单栋居住建筑与周边建筑物间的阴影遮挡关系以及与周边环境的相互作用，因此单栋居住建筑能耗的分析模拟结果具有更高精度。
附图说明
图1是本发明的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法的操作流程示意图；
图2是本发明的模拟方法中标识建筑屋顶平面外轮廓示意图；
图3是本发明的模拟方法中选取的实例单栋居住建筑示意图；
图4是图3的能耗模型示意图；
图5是本发明的模拟方法中城市居住建筑系统碳能时空分布效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改和替换，这些修改和替换均属于本发明的保护范围内。
请参考图1，本发明的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，包括以下步骤：
步骤1，在城市卫星影像中标识城市居住建筑屋顶平面外轮廓。标识可采用自动标识。
步骤1具体为，在城市卫星影像中，通过绘制几何平面多边形A来表示城市尺度下不同居住建筑屋顶平面外轮廓。
步骤2，在步骤1获得的城市居住建筑屋顶平面外轮廓上叠加建筑属性集数据。
步骤2具体包括：
将单栋居住建筑的建筑属性及其建筑能耗相关数据建立生成建筑属性集。具体为，建立单栋居住建筑的建筑属性集，单栋居住建筑属性集包括建筑基底面积、总建筑面积、建筑高度、建筑层数以及建造年代。
通过地理信息系统，将建筑属性集中包含的建筑属性信息以属性字段的方式添加到相应的建筑屋顶平面外轮廓的属性表中，使单一像素点图形转译为可被地理信息系统自动识别的兼有居住建筑属性字段的几何平面多边形B。
步骤3，根据单栋居住建筑属性集中的关键属性，在建筑属性类型库中划定其建筑类型。
根据建筑高度、建筑层数以及建造年代对城市居住建筑系统进行建筑类型划分，建立针对城市居住建筑系统能耗分析模拟的建筑类型库。单栋居住建筑属性集中的关键属性包括建筑高度、建筑层数以及建造年代。通过设定各个关键属性的数值范围，地理信息系统会自动识别并呈现符合数值范围内的居住建筑，从而实现对整个居住建筑系统的类型区划。
步骤4，为单栋居住建筑叠加相邻建筑物阴影遮挡关系，将三维空间数据模型连同建筑属性集和天气数据导入建筑能耗模拟软件，模拟生成并存储其能耗模型。
根据城市居住建筑系统建筑属性集中的建筑高度属性字段信息，对建筑屋顶平面外轮廓进行三维重建，自动生成三维空间数据模型。将三维空间数据模型连同建筑属性集和天气数据导入建筑能耗模拟软件Energy Plus中，建筑能耗模拟软件会在考虑相邻建筑物阴影遮挡关系的情况下对单栋居住建筑进行建筑能耗模拟，最终生成并存储城市居住建筑系统能耗模型。
步骤5，在地理信息系统中三维可视化呈现单栋居住建筑时空能耗模型。
城市居住建筑系统能耗分析模拟结果以建筑屋顶平面外轮廓、建筑高度和建筑能耗密度作为可视化参数进行三维色彩表征，其分析模拟结果通过具有不同色彩属性的三维体块可视化呈现。根据单栋居住建筑的实际区位，将其能耗模型落位于与城市卫星影像相对应的位置。能耗模拟结果通过颜色编码，以不同色彩表示目标建筑在能耗使用强度、二氧化碳排放强度、峰值电力负荷强度等方面的差异。
城市尺度下的建筑能耗需要考虑建筑之间的相互作用以及与城市环境相关的影响，如建筑之间的相互遮挡对建筑能耗的直接影响。本发明解决了现有技术中存在的缺少城市尺度的居住建筑系统能耗模拟平台以及在进行建筑能耗模拟分析过程中操作流程复杂等问题；解决了现有技术中存在的缺少城市尺度的居住建筑系统能耗模拟平台以及建筑能耗模拟分析软件的操作流程复杂且信息可读性不强等问题，为不同城市搭建城市全域能源消耗分析平台提供一种技术方法。
实施例：
选取某居住小区作为一个居住建筑系统，对该系统进行碳能时空分布分析与量化模拟方法，其方法包括：
(1)在城市卫星影像中找到该居住小区对应的卫星影像图。利用地理信息系统准确勾画出该居住小区中建筑屋顶平面外轮廓。标识的建筑屋顶平面外轮廓效果如图2所示。
(2)将建筑屋顶平面外轮廓标识后，叠加建筑属性集数据。第一步中勾画的建筑屋顶平面外轮廓仅为反映建筑平面形式的像素点图形，未包含建筑属性数据。在此基础上，为像素点图形叠加建筑属性集。该小区内建筑的建造年代为2007年，建筑层数为三层。其中，部分单栋居住建筑的建筑基底面积为432平方米，总建筑面积为1296平方米；另一部分的单栋居住建筑的建筑基底面积为540平方米，总建筑面积为1620平方米。通过数据分析工具Microsoft Office Excel将居住建筑属性数据录入，并导入地理信息系统中。将单栋居住建筑的建筑属性集叠加其建筑屋顶平面外轮廓，使单一像素点图形转译为可被地理信息系统自动识别的兼有居住建筑属性字段的几何平面多边形。
(3)根据单栋居住建筑的关键属性，在建筑属性类型库中确定单栋居住建筑的建筑分类。在地理信息系统中，根据建筑属性集中的关键属性对建筑进行类型区划，关键属性包括建筑高度、建筑层数、建造年代。
(4)为模拟单栋居住建筑叠加周边建筑物的阴影遮挡关系，模拟生成和存储目标建筑能耗模型。对该小区内的建筑进行三维重建，自动生成三维空间数据模型。将创建好的居住建筑的三维空间数据模型以及天气数据集全部导入建筑能耗分析模拟软件EnergyPlus中。根据不同居住建筑的建筑属性以及能耗情况，Energy Plus会考虑周边建筑对单栋居住建筑的阴影遮挡关系，对每一栋居住建筑进行能耗分析，从而模拟生成并存储居住建筑系统的能耗模型。实例选取的单栋居住建筑实景以及相应的在Energy Plus中模拟单栋居住建筑能耗模型如图3、图4所示。
(5)在地理信息系统中三维可视化呈现单栋居住建筑时空能耗模型。将建筑能耗分析模拟软件Energy Plus对居住小区中每栋居住建筑的能耗模拟结果落位于城市卫星影像上，三维可视化呈现不同能耗的居住建筑在地理空间上的落位，直观呈现居住建筑的碳能时空分布分析。为了进一步直观呈现居住建筑能耗模拟结果，以建筑屋顶平面外轮廓、建筑高度和建筑能耗密度作为可视化参数进行三维色彩表征。城市居住建筑系统的能耗模拟结果如图5所示。
本发明建立了一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法的方法，实现了基于Web平台的在线查看不同时间和不同区位的城市居住建筑系统碳能分布情况；根据建筑高度、建筑层数、建造年代，对城市居住建筑系统进行类型划分，形成一套针对城市居住建筑系统能耗分析模拟的建筑类型库。同时，城市居住建筑系统能耗分析模拟结果以建筑屋顶平面外轮廓、建筑高度和建筑能耗密度作为可视化参数进行三维色彩表征，以凝练、直观清晰的视觉语言，使模拟结果更加直观化、图像化。

Claims (9)

1.一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在城市卫星影像中标识城市居住建筑系统的屋顶平面外轮廓；
步骤2，在步骤1获得的城市居住建筑系统的屋顶平面外轮廓上叠加城市居住建筑系统包括的各个单栋居住建筑的建筑属性集数据；单栋建筑属性集包括建筑基底面积、总建筑面积、建筑高度、建筑层数以及建造年代；
步骤3，根据每个单栋居住建筑的建筑属性集中的关键属性，区划每个单栋居住建筑的建筑类型；关键属性包括建筑高度、建筑层数以及建造年代；
步骤4，为每个单栋居住建筑叠加相邻建筑物阴影遮挡关系，将三维空间数据模型连同建筑属性集和天气数据导入建筑能耗模拟软件，模拟生成并存储每个单栋居住建筑的能耗模型；
步骤5，在地理信息系统中三维可视化呈现单栋居住建筑时空能耗模型。
2.根据权利要求1所述的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，其特征在于，步骤1具体为，在城市卫星影像中，通过绘制几何平面多边形来表示城市居住建筑系统的屋顶平面外轮廓。
3.根据权利要求1所述的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，其特征在于，步骤2中叠加建筑属性集数据具体为，通过地理信息系统，将单栋居住建筑的建筑属性集中包含的建筑属性信息以属性字段的方式添加到单栋居住建筑相应的建筑屋顶平面外轮廓的属性表中，使单一像素点图形转译为可被地理信息系统识别的兼有居住建筑属性字段的几何平面多边形。
4.根据权利要求1所述的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，其特征在于，步骤2中的单栋建筑属性集还包括建筑基底面积和总建筑面积数据。
5.根据权利要求1所述的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，其特征在于，步骤3中，区划单栋居住建筑类型的方法为：通过设定各个关键属性的数值范围，地理信息系统识别并呈现符合数值范围内的居住建筑，实现对单栋居住建筑的类型区划。
6.根据权利要求1所述的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，其特征在于，步骤4具体包括，根据建筑属性集中的建筑高度属性字段信息，对建筑屋顶平面外轮廓进行三维重建，生成三维空间数据模型；将三维空间数据模型连同建筑属性集和天气数据导入建筑能耗模拟软件Energy Plus中，在考虑相邻建筑物阴影遮挡关系的情况下对单栋居住建筑进行建筑能耗模拟，模拟生成并存储单栋居住建筑的能耗模型。
7.根据权利要求1所述的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，其特征在于，步骤5具体包括，将单栋居住建筑的能耗模型落位于与城市卫星影像相对应的位置，获得单栋居住建筑时空能耗模型；所有单栋居住建筑时空能耗模型构成整个城市居住建筑系统的时空能耗模型；城市居住建筑系统的时空能耗分析模拟结果通过颜色编码以不同色彩表示。
8.根据权利要求7所述的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，其特征在于，步骤5中具体包括，城市居住建筑系统的时空能耗分析模拟结果通过颜色编码以不同色彩表示建筑在能耗使用强度、二氧化碳排放强度以及峰值电力负荷强度方面的差异。
9.根据权利要求1所述的一种城市居住建筑系统的碳能时空分布分析与量化模拟方法，其特征在于，步骤5具体包括，建筑时空能耗分析模拟结果以建筑屋顶平面外轮廓、建筑高度和建筑能耗密度作为可视化参数进行三维色彩表征，分析模拟结果通过具有不同色彩属性的三维体块可视化呈现。
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