支持气候中和园区发展的数字化工具--中德能源与能效合作.pdf-solarbe文库

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中德城镇节能示范项目支持气候中和园区发展的数字化工具本报告全文受版权保护。截至本研究报告发布前，德国国际合作机构和相关作者对出版物中所涉及的数据和信息进行了仔细研究与核对，但不对其中所涉及内容及评论的正确性和完整性做任何形式的保证。本出版物中涉及到的外部网站发行方将对其网站相关内容负责，德国国际合作机构不对其内容承担任何责任。本文件中的观点陈述不代表委托方的意见。出版说明本调研报告是中德城镇节能示范项目的工作成果之一。该示范项目得到了德国联邦经济和气候保护部（BMWK）与中国国家发展和改革委员会（NDRC）共同指导和支持，由德国国际合作机构（GIZ）、德国能源署（dena）和中国节能环保集团（CECEP 咨询公司）合作实施。该项目的目标是为城市片区或园区制定高效和可持续的综合能源系统规划与实施方案，并明确现有的、具备经济吸引力的节能和减排潜力。发行方中德城镇节能示范项目中德能源与能效合作伙伴关系项目北京市朝阳区亮马河南路 14 号塔园外交办公楼 2-5 邮编100600 德国国际合作机构（GIZ） Torsten Fritsche Köthener Str.2 邮编10963，柏林市项目负责人德国国际合作机构（GIZ）刘文瑾作者标赫有限公司（Buro Happold GmbH）肖静怡 , Justin Zarb, Jochen Müller 德国能源署（dena） Andreas Koch 博士 , 刘瑜 , Thilo Cunz 图片 © Sympheny/Shutterstock.com p.11 © EQUA Simulation AB/Shutterstock.com p.13 © Vitec Software/Shutterstock.com p.14 © SAFE Software/Shutterstock.com p.15 © Planon/Shutterstock.com p.16 © 摄图网 P. 2, 3, 7, 22 排版万基成德国能源署北京卓创广告有限公司 © 北京，2023 年 11 月支持气候中和园区发展的数字化工具 | 1 目录 1 执行摘要 2 2 项目背景和目标 . 3 3 现状 . 4 3.1 行业状况 4 3.2 现状与理想状况 . 4 3.3 软件矩阵表 . 5 3.3.1 工作方法 5 3.3.2 构建内部工具 . 6 4 规划设计气候中和园区 7 4.1 指导原则 7 4.2 流程 7 4.2.1 项目开发阶段 / 前期研究 . 9 4.2.2 能源方案 10 4.2.3 方案设计和初步及深化设计 . 13 4.2.4 监测 15 4.3 挑战和机遇 . 16 5 研讨会收获与成果 17 5.1 第一场研讨会的交流成果 . 17 5.1.1 流与观察 17 5.1.2 流程优化建议 . 17 5.1.3 有待探讨的问题 . 17 5.2 第二场研讨会的交流成果 . 18 5.2.2 流程优化建议 . 18 5.3 园区规划设计工具的期望属性 . 18 5.3.1 平台优势 19 5.4 试点项目 19 6 未来前景 . 20 6.1 规划设计过程 . 20 6.2 数据管理 20 6.3 为工具开发奠定基础的标准 . 20 6.4 数字孪生体 . 21 6.5 后续工作 . 21 附录附录 1 软件矩阵表 23 附录 2 园区规划工作流程 . 26 2 | 支持气候中和园区发展的数字化工具结合新建及既有城区/园区（以下简称为“园区”）的脱碳化发展所涉及的数字化工具和全过程应用，本报告总结了相关调研分析工作的成果。作者结合自身在园区低碳设计咨询方面的实践经验，梳理分析了适合不同规划实施阶段使用的软件工具，并在中德城镇节能示范项目框架内的两场研讨会上分享了调研结果。 “碳中和”的确切定义不是本报告分析的重点。但以 “碳中和”为目标是所有讨论的出发点，应在每个项目开始时根据其最佳的实施可能性加以明确。在规划和实施低碳城市园区的过程中，一大挑战是如何全面获取数据信息，以便正确做出前期决策，并在综合设计过程中跨阶段、跨专业地管理和使用这些信息。这一新的要求与目前项目实践中的典型做法形成了鲜明对比。典型做法是，依照专业进行合同分包，在不同学科专业的设计团队之间划分任务，而各专业设计方之间往往没有形成共同的项目目标，常常无法分享重要的项目信息。软件工具领域同样具有碎片化的特点。在该领域中，复杂的综合功能软件包与目标界定明确的专项软件包相互违和竞争，除非补充接口，否则软件包之间的数据传输通常不畅。本报告试图从项目全生命周期的视角分析软件工具系统。从而梳理定义出一个附带软件工具建议的理想化流程，此流程也可适用于部分特定阶段。报告中介绍的所有软件工具都是具有一定代表性的解决方案，其中大部分已在作者的能源咨询实践中得到充分验证。然而，这些软件工具并不体现当前软件应用的完整情况，也不应被解读为行业领域内的唯一解决方案。本项调研于2022年9-12月进行，分为三个工作包，主要调研结果汇总成文于本报告第3、4和5章。在第一个工作包中，对市场上用于各个项目阶段的软件工具进行了梳理和概述，比较了应用领域、计算和优化方法、兼容性以及对规划设计者而言的其它重要特点。在第二个工作包中，展示了用于建设低排放园区的规划设计实施流程及相应软件工具。在第三个工作包中，通过两场研讨会，与来自德国和中国相关研究机构及企业的专家分享了调研成果并进行了深入讨论。其中，第一场针对德国专家（线上线下），第二场针对中国专家（线上）。专题分享与讨论的参与度很高，与会者对前两个工作包成果所提出的意见和建议，都总结纳入了本报告后部章节中。调研和专家交流表明，尽管市场上已有大量的各类专业软件工具，但在以“碳中和”为目标的城市片区及工商业园区的规划设计和实施方面，还没有一个能够解决所有应用问题的“万能工具”。调研结果和专家反馈都突出显示，在碳中和园区整体项目中进行一致的数据管理和沟通至关重要。城市“数字孪生”是支持这些需求的有效解决方案，它能够体现整体数据以及实体与其数字孪生体之间的双向数据沟通。本报告第6章简述了园区数字化软件工具领域的未来发展展望。图片来源摄图网 1 执行摘要支持气候中和园区发展的数字化工具 | 3 为了实现气候中和，政府、私营企业以及社会民众应密切协作，这也需要综合性解决方案。城市园区是最能够通过激发能源供应和消费领域多个利益相关方之间的协同效应，通过部门耦合，系统性地落实相关措施、解决具体问题，从而实现气候中和的有效单元。园区通过对基础设施的综合使用显著地降低系统成本，并创造出新的商业模式。气候中和园区需要一体化、系统性的规划建设过程，必须协调节能、发电、可持续性建设、投资和生命周期成本、能源行业法规、租赁法、能源价格、筹融资及多个其他方面，以确定最合适的解决方案。在这个过程中，不同的利益方和实施主体都需要在不同的层面上做出许多决策。然而，在传统的规划设计和实施过程中，大多数权衡和决策是在独立的专业范畴内进行的，从而导致一种解决方案（产品）另一种解决方案（产品）相冲突（或不支持）。许多针对单个领域的软件工具具有高度的专业性，它们遵循各自领域的不同计算参数体系。这就造成了它们无法相互链接，也无法在一个一体化的流程中协作，从而阻碍了通过一体化流程来创造协同效应并实现系统优化。如果要系统地汇总分属不同专业体系的不同参数体系，就必须在极其耗时的计算过程中切换使用多种工具，这在实践中缺乏可行性。为了权衡所有潜在的技术解决方案或产品，从中做出最佳选择，并将其整合到一个系统中，就需要基于整体思维，针对规划和计算工具建立一个清晰简化的总体架构。但在目前，仍缺乏清晰可行的构架。为了梳理出一个清晰的构架，为系统性地利用能源规划设计和评估工具来支持气候中和园区发展提出指导性建议，德国能源署会同合作伙伴设计了本次调研分析。通过分析气候中和园区建设的全过程（包括规划、实施和优化运行），将具体工作分三部分（三个工作包）进行。这项调研是在德国联邦经济和气候保护部（BMWK）与中国国家发展和改革委员会（NRDC）指导下的中德城镇节能示范项目框架内进行。该项目由德国国际合作机构（GIZ）、德国能源署（dena）和中国节能环保集团有限公司（CECEP）共同实施。调研工作中，技术层面的落实由标赫咨询公司实施。图片来源摄图网 2 项目背景和目标 4 | 支持气候中和园区发展的数字化工具 3.1 行业状况建筑相关的碳排放占全球能源相关碳排放的39 28源自运营排放，主要包括供暖、供冷和供电所需能源的排放，其余11源自材料生产和建设施工 1 过程中所产生的碳排放。德国和中国已分别明确了到2045年和2060年实现气候中和、碳中和的目标。据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告，为了实现将全球温升限制在1.5摄氏度的目标，到2050年全球必须实现净零排放 2 。然而，不同行业的具体目标和碳预算尚未转变为针对具体建筑类型的 1 世界绿色建筑委员会（World Green Building Council）https// worldgbc.org/advancing-net-zero/embodied-carbon/ 2 政府间气候变化专门委员会（IPCC）https//www.ipcc.ch/sr15/ chapter/chapter-2/ 量化要求，这需要转变思想，即将建筑运营和建设等环节的碳排放成本控制提升到和财务成本控制相同的高度。在本报告撰写期间，德国可持续建筑质量标识（QNG）提出了非约束性目标值 3 。许多现有的软件工具不仅可以辅助设计出有效的能源系统，还可以用于探索多种替代方案，并从中选择具有成本最优化解决方案的选项。如果碳排放也被视为成本，并被纳入最佳方案的筛选过程中，那么，现有工具和未来的软件系统化创新也将为改善建筑领域的脱碳路径发挥更大作用。 3 德国联邦住房、城市发展和建设部https//www. nachhaltigesbauen.de/ﬁleadmin/pdf/QNG-BEG/QNG_Handbuch_ Anlage-3_Anhang-3212_LCA_Anforderung-NW_v1-2.pdf 3.2 规划实施的标准工作流程及各参与方图 1 能源规划及实施各阶段的关键参与方（作者自制图，内容只包括主要阶段和参与方）数据处理和管理实施管理客户/ 开发方项目经理项目开发建筑师机电工程师建筑物理工程师能源规划师可行性顾问建筑规划设计区域规划设计可持续性性认证顾问项目开发0 数据收集1 概念阶段2 方案设计3 方案设计4 委托和移交8 监测和运营9 运营阶段招标6 授标7 初步设计与深化设计5 概念方案规划设计招标和委托监测和运营 3 现状支持气候中和园区发展的数字化工具 | 5 上图（基于德国的情况）呈现了典型的项目规划设计阶段和主要参与方。参与方的具体角色和参与时间长短因项目而异规划设计方可能与其他专业的咨询方融合为一个团队，也可能分别独立工作，通常由第三方项目经理/ 协调员代表客户进行总体协调和组织。成功的项目需要所有设计师和各学科专家及早共同参与。只有这样，他们的工作成果才能与其他参与方的工作方向协调一致。至关重要的是，所有参与者都能够在商务和技术层面通畅地互换信息。这就是作者在本报告中希望探讨的问题是否有一种可以覆盖所有项目阶段的“超级工具”可供各参与方共同使用在德国，目前既有建筑存量已占2050年建筑存量的约 80。这意味着，大多数区域集中供能项目将涉及既有建筑的节能改造和脱碳升级。与新建项目相比，改造升级所涉及的步骤更多，包括对运营能耗和现有系统的数据补充收集和管理。因此，对现有固定资产进行脱碳时，使用实测数据作为了解用能需求、碳排放和脱碳潜力起点的做法更为有效。本报告中未深入涉及数据采集和处理阶段，但考虑到了运营监测软件包。 3.3 软件矩阵表在研究了工作流程和参与方角色后，作者通过调研，编制了一份贯穿整个规划设计过程的软件包清单，并在“软件矩阵表”中比较了其最为突出的特点（见图2）。大多数软件工具专门用于设计过程中的某个特定部分，如建筑能耗模拟和地区、国家或国际维度上能源供应系统的技术经济性评估等。 3.3.1 工作方法调研显示，市面上现有的单一软件包无法兼顾建筑和城市能源系统建模两方面。然而，在利用不同软件工具解决特定的设计任务的过程中，也存在一些共性的一般方法。针对建筑维度的软件包虽然带有一定的建筑几何图形生成功能，但需要与计算机辅助设计（CAD）平台相连接以创建3D模型。而针对城市能源系统的软件包一般都与地理信息系统（GIS）平台相连接。一些城市维度的软件包具有某种基于建筑原型或R-C模型的图形生成功能，或也提供导入外部生成图的选项。还有一些附带计算插件的通用型 CAD或GIS平台的例子，这些平台或在（企业/机构）内部运行，或通过一些其他第三方软件支持运行。在调研中，罕有发现可以在整个项目流程使用的软件包，即包含前期方案、初步及深化设计、模拟计算、实测数据各阶段所需功能，以及可用于项目监测跟踪的软件包。为了对不同特点的软件工具进行全面评估，归纳出共性并比较其差异性，作者编制了一个矩阵表（基本结构见图2）。该矩阵表将本次调研范围内的软件工具分为“建筑能源建模”、“区域能源规划工具”、“数据整合工具” 和“操作工具”等四类。筛选过滤建筑能耗建模区域能源规划工具数据集成工具运行工具目标分辨率方法接口应用范围透明度能源类型技术财务功能用户体验图 2 软件矩阵表的基本结构 6 | 支持气候中和园区发展的数字化工具而针对不同的比较维度，作者又进行更细致的特征要点分类（图3），作为对比评估软件工具的依据，主要包括相关的目标或任务、基础方法（即优化或模拟）、时间分辨率以及应用范围等。目标维度方法接口应用范围透明度能源类型技术财务功能用户体验既定目标空间模拟方法与其他软件、工具及数据库的接口规划设计获取计算结果综合地理和环境数据可以建模计算的技术范围综合财务计算软件安装要求应用实例时间优化方法与建筑信息模型（BIM）的接口全生命周期成本分析（LCA）能够导出输入数据以进行验证能够计算不同类型的可再生能源网络建模考虑资本支出或运营支出相对于其他软件包的优势综合规范和标准优化目标行业耦合能耗计算能够储存模型资本支出线性还是动态局限性和劣势运营支出静态还是动态成本用户访问输入和结果用户数量 / 合作图 3 用于评估软件包的特征要点 3.3.2 如何决策是否构建内部工具要脱碳，就需要根据目标对预测排放量进行更缜密的监测，并在实现这些目标的过程中加强各专业领域之间的协作。现有工具的组合能够在多大程度上帮助设计团队克服脱碳中的挑战，又如何具体解决这个问题下一章节中将对规划设计气候中和园区的一个理想化流程进行描述，包括如何在不同阶段使用软件矩阵表中的各种软件包。此外，创新的空间和需求仍然存在，特别是在协同性及成本、性能、减碳的多元并行优化方面的创新。是选择自行开发内部解决方案，还是选择适应并使用现有的商业软件包以实现目标下表探讨了做出决策时所需权衡的一些因素。使用“现成的”商业软件包自行构建内部解决方案优点预编程功能节省时间对计算结果和数据的绝对控制及完全访问权限可能满足更高的复杂度质量保证和验证相对容易用户友好型界面，IT 支持，持续更新和维护可以满足非常具体的个性化需求可以根据需要与其他工作流程连接无使用许可费缺点可定制性和灵活性较差，无法满足一些项目的具体特点无法对特殊功能或约束条件建模开发和维护需要大量时间和资源 “黑匣子”计算程序和数据源的访问权限受限工具需要说明、维护和更新可能对用户不够友好对质量保证和数据验证存在不利影响可能需要补充一些尚不具备的专业和技术知识数据传输往往需要接口（如 Excel）和手动数据链接需付使用许可费表 1 购买商业软件包与构建内部解决方案的优缺点对比支持气候中和园区发展的数字化工具 | 7 在对现有软件的基本情况和最重要的特征进行概述后，本章将对整个规划设计实施流程的各个阶段进行更为深入的分析。通过对一些具有代表性的软件工具做了要点介绍，提出了有助于实现气候中和园区的规划设计流程优化及其相应软件工具的建议。 4.1 指导原则规划设计气候中和园区是一个复杂、跨学科和迭代的过程，需要广泛的合作、互动和信息交换。作者从能源规划师的角度总结了以下规划设计指导原则基于项目自身情况，明确气候中和园区的具体目标和范围设定排放目标，该目标应与国家层面的目标包括隐含碳保持一致开展针对可持续性、经济效益及现有技术的可行性研究建立技术经济模型，找到实现目标的最佳方案模拟不同情景，制定落实措施的路线图进行数据验证和模型校准，以避免能源系统设置规模过大或过小直观呈现结果，以便更好地开展开发方、规划设计方及公众之间的沟通利用数字孪生体对项目进行长期监测，确保所有目标都能实现图 4 规划设计气候中和园区的指导原则（作者制图） 4.2 流程本节主要探讨气候中和园区的最佳规划设计流程。图 5展示了德国的常规项目流程，通常分为五个阶段项目开发、方案、设计、建造和运营。根据德国建筑师和工程师服务费法定标准（HOAI），这五个阶段可以细分为九个子阶段（LPH0-9）。按照项目开发实施的五个主要阶段，能源系统规划设计的流程可分为五步前期研究、能源方案、方案设计、初步及深化设计，以及运营监测。下面列出了在各个步骤中应用不同软件工具的主要任务或目的。图片来源摄图网 4 规划气候中和园区 8 | 支持气候中和园区发展的数字化工具图 5 德国项目规划设计流程的各阶段和任务（作者自制图）在前期研究阶段，主要任务是制定适当的框架和目标。对于确定气候保护和气候适应的总体目标和范围、制定开发项目的具体气候目标（包括能耗、排放、复原力等）以及评估环境、财务和技术可行性，尽职调查的环节非常重要。在微气候初步研究中，将对气候风险进行评估，并制定设计指南以降低风险。能源方案阶段应包括对当地可再生能源的供能潜力调查和用能需求分析。在这一阶段，关键是收集更高质量的数据，这对于做出合理的脱碳决策不可或缺。因此，需要投入一定的财力和人力资源进行实测和数据采集，例如对既有建筑的能耗实测等。该阶段的主要任务包括数据采集、能源系统建模计算和经济性分析。能源系统设备规模预估和成本估算是决策者在项目早期阶段必须获取的信息。应将这些分析结果与前期研究阶段设定的目标进行对比，如有必要，可对目标进行调整。此阶段的成果应该是一套（包括多个选择的）能源方案，它应展示不同方案中成本与排放之间的综合分析。能源方案应为项目决策者提供足够的信息，以便就下一步的推进方向做出选择。应用实例尽职调查评估气候保护和适应措施、资金/预算、现有资产微气候初步研究基于当前和未来情景的气候分析（本次调研主要参考德国气象局提供2015年和2045 年的天气文件）应用实例能源供应潜力分析分析可再生能源潜力和其他能源能源需求分布和峰值负荷使用原型/基准参考或简化的建筑模拟数据或准确的建筑实测数据能源供应方案基于不同技术路线，开发多个备选方案建立能源系统模型能源系统优化经济性分析评估能源系统的经济性表现应用目的前期研究项目开发方案规划设计运行施工尽职调查微气候研究当地可再生能源能源模型（深化）详细的3D设计收集和交换数据性能差距分析、优化管控策略、故障检测与其他学科和专业（土木工程等）的协作经济性分析对后续步骤的设计建议网络和系统设备规模用能需求供能方案经济性分析能源模型（初步）能源方案方案设计初步及深化设计运营监测数据的集成、处理、管理和可视化项目开发阶段支持气候中和园区发展的数字化工具 | 9 在方案设计阶段，根据规划中的其他变量对能源系统模型进行修正和进一步开发。重复此过程，直到输入参数与需求匹配。下一步是根据对基础设施网络和能源系统设备的模拟计算来确定它们的规模目前通常使用一系列的专用的软件工具完成这项工作。GIS制图可以帮助更好地了解环境影响，从而辅助设计基础设施网络。园区布局和空间要求将在此阶段得以确定。最后，在此基础上更新经济性分析。应用实例能源系统模型开发和优化能源方案基础设施网络和能源系统设备确定供暖/ 供冷/电力网络和能源系统的规模经济性分析评估系统的经济性初步及深化设计涉及到与其他专业设计方进行协调。方案设计的结果将交付给机、电、管道（MEP）以及土木工程专业的设计人员，用于场地设计和3D设计。应用实例详细的3D设计基础设施网络和能源中心的空间设计与其他学科合作能源规划师与MEP /土木工程师之间的对接等运营监测阶段的主要任务是汇总、处理和集成来自传感器或建筑管理系统（BMS）的数据，以缩小设计性能与实际性能表现之间的差距，检测系统故障并优化控制策略。然而，数据集成和管理是贯穿于项目整个生命周期的一个持续过程，有助于减少不同设计阶段和各个团队之间的数据丢失。在不同设计阶段（包括监测阶段）所生成的数据可以集成到一个数字孪生体中，以高度有序、有效的方式跟踪和反映整个规划实施流程。这有助于不同参与者更好地沟通，并确保实现共同的项目目标。应用实例收集和交换数据汇总实测数据性能差距分析、优化控制策略、故障检测数据集成、处理、管理和可视化在以下一节中，作者简要介绍了在各个规划设计阶段、针对不同应用目的一些代表性软件工具。介绍中列出了重要的输入和输出参数，以更好地理解建模要求。 4.2.1 项目开发阶段 / 前期研究无论是新开发建设项目还是既有项目的改造升级，任何商业计划都需要对场地的现有情况和潜力有充分了解。除了采用健全的金融商业模式外，为了实现减排目标或履行环境、社会和治理（ESG）框架，开发方通常还会委托专业机构，首先进行技术可行性研究并制定技术要求。此类前期研究已经成为获得公共和私人资金的先决条件。技术和运营应依照ISO 14065 4 或ISO 16745 5 ，采用消费导向型分配等方法评估现有固定资产的运行排放量。应参照同类型建筑的数据或预测模型（如有）识别和消除任何目标性能 4 ISO 14065 验证和核实环境信息的机构的一般原则和要求 https//www.iso.org/obp/ui/isostdiso14065ed-3v1en 5 ISO 16745 建筑和土木工程的可持续性现有建筑在使用阶段的碳指标https//www.iso.org/obp/uiisostdiso16745-1ed- 1v1en 10 | 支持气候中和园区发展的数字化工具差距。设施运维管理方应根据GEFMA（德国设施管理协会） 192进行风险管理评估。现有固定资产的状况说明应提供对维护日志的访问权限、第三方可用性说明、租赁合同的技术检查、资料室审计，以及对所有损坏和缺陷的跟踪记录，并附有照片记录。现有资产的运营支出（Opex）预测将为后续工作提供比较基线，而技术性剩余寿命评估将作为资本性支出（Capex）的基线。在本阶段，最好还能根据市场趋势和项目的目标定位选择一个建筑认证体系。一些认证体系提供预审查，可以预估出达到不同评分等级的成本；一些认证体系要求运营或入住后验证，以授予基于实际性能的认证。财务财务尽职调查的组成部分应包括，审查可持续公共及私人金融工具的要求，含国家激励政策的相关要求。对于房地产投资组合的持有者来说，欧盟的房地产碳风险监测体系（CRREM） 6 等工具有助于了解气候风险对资产价值的影响，并为战略投资提供基本依据。考量全生命周期排放项目开发者必须对隐含排放和运营排放制定预算，并通过设定一个系统，在不同规划设计阶段以及各专业学科之间分配此预算。在本报告撰写期间，德国可持续建筑评价体系（DGNB，德国可持续建筑委员会）已经公布了一些非约束性的全生命周期排放指标。然而，这些指标仅基于建筑/区域能源证书中列出的排放量来间接体现运营排放。德国需要在州层面开展更多工作，使建筑和园区的排放控制指标与国家层面的脱碳目标保持一致。气候特征分析和场地分析气候特征是决定建筑能耗的重要参数。反之，建筑体量、形态和能源系统也会对建筑外部的微气候和微环境产生影响特别是居住区在设计中应考虑到这一点。气候方面的尽职调查应涵盖当前和未来的气候特征及变化趋势，重视户外舒适度策略、良好的室内采光、合理的外立面透明/非透明比例，以及其他可能对融资和保险产生影响的抗灾因素，如对洪水和火灾的抗灾能力。 6 CRREM Carbon Risk Real Estate Monitor（碳风险房地产监测体系）https//www.crrem.eu/ 工具微气候研究CFD 7 , Rhino 8 Grasshopper 9 尽职调查计算表格工具认证指南输入气候数据（气象文件）当地基础设施和能源供应来源（来自区域或国家信息平台）建筑几何图形建模（来自GIS数据、3D模型、设计图等）输出对多个供热和供冷策略的评估当地可再生能源潜力评估为提高能效和户外微环境舒适度而提出的透明 /非透明外立面比例建议 4.2.2 能源方案能源方案描述的是一个特定场地当前或未来的能源需求，以及满足这些需求的周边或场地内可再生能源潜力。因此，它通常包括建筑能效、终端能源和一次能源需求以及相关温室气体（GHG）排放量等要素。根据输入和输出数据的详细程度，可以使用不同工具来分析当地的可再生能源潜力。依据DIN EN 15316- 4-310标准的太阳辐射量参数，或使用网络光伏计算软件（如PVGIS11），都可以较准确地计算光伏发电量。为获得更高分辨率的更详细结果，可以使用一些模拟软件（如 grasshopper），在建筑层面模拟出不同安装特点的光伏系统所产生的不同效果（见图6）。 7 CFD Computational Fluid Dynamics（计算流体力学），使用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程进行求解，从而可预测流场的流动。 8 Rhino，英文全称 Rhinoceros，是一个基于 PC 平台的强大的专业 3D 造型软件，Rhino 所提供的曲面工具可以精确地制作所有用来作为渲染表现、动画、工程图、分析评估以及生产用的模型。 9 Grasshopper（简称 GH）是一款可视化编程语言，它基于 Rhino 平台运行，是数据化设计方向的主流软件之一，同时与交互设计也有重叠的区域。 10 DIN EN 15316-4-3 建筑物的能源性能系统能源需求和系统效率的计算方法第 4-3 部分制热系统、太阳热能和光伏系统https//www.din.de/de/mitwirken/normenausschuesse/nhrs/ veroeffentlichungen/wdc-beuthdin21257459119 11 PVGIS（Photovoltaik Geographical Information System），光伏地理信息系统，该信息系统由欧盟委员会的联合研究中心开发并免费提供https//re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.htmlPVP 支持气候中和园区发展的数字化工具 | 11 图 6 grasshopper 可计算不同安装特征的光伏系统（光伏板的倾角、间距等）所产生的发电量（资料来源作者制图）同样的逻辑也适用于能源负荷概况的计算。为进行宏观分析，使用城市维度的能源软件将是恰当选择，如区域能源方案顾问软件（District energy concept adviser） 12 。该软件可以根据不同的建筑原型参数和能效标准参数计算出年度能耗强度（kWh/m²a）。其他一些软件可提供不同典型建筑类型的标准负荷数据，如用于城市能源优化的Sympheny 13 和用于城市能源设计和早期总体规划的iCD IES 14 。 12 区域能源方案顾问软件（District energy concept adviser）是由弗劳恩霍夫建筑物理研究所开发的一个计算软件，用于支持城市规划中规划节能区概念的第一阶段https//www.district-eca.com/index.phplangen 13 Sympheny 为能源规划者和管理者提供基于数字挛生体的智能服务https//www.sympheny.com/1 14 iCD（Intelligent Community Design）是 SketchUp 的一个插件，使用成熟的 VE 模拟引擎进行能源分析https//www.iesve.com/products/icd 15 IDA ICE（IDA Indoor Climate and Energy）是一种新型的建筑能耗模拟工具https//www.equa.se/en/ida-ice 16 VE IES 是领先的用于精确的整体建筑性能模拟的综合套件https//www.iesve.com/software/virtual-environment 然而，在时间和预算充足的情况下，建议使用更准确的能源负荷数据。数据可以来自建筑的模拟或既有建筑的实测数据。适合的建筑模拟工具包括用于模拟室内气候和能耗的IDA ICE 15 或用于精确模拟整个建筑性能的VE IES 16 等。图 7 Sympheny 城市能源优化工具（资料来源Urban Sympheny AG. Sympheny | Urban Energy Planning, sympheny.com，访问时间2022 年 12 月 7 日） 12 | 支持气候中和园区发展的数字化工具图 8 用于模拟室内气候和能耗的 IDA ICE（资料来源IDA ICE 培训材料 © EQUA Simulation AB）在分析了当地可再生能源潜力和用能负荷后，作者通常使用Symheny软件对不同的能源供应类型进行模拟，以找到最佳解决方案。以下列举了对于能源供需建模至关重要的输入和输出参数 Sympheny 中的能源供需建模输入根据基准参考值（kWh/m²a）和负荷分析（kW）计算出的能源需求或从模拟或实测数据中得到的（更准确的）需求和负荷数据建筑面积和类型可再生能源类型和供能潜力（kW）成本基准参考值资本支出（€）、运营成本（€/ kWh）排放系数（kg CO2eq / kWh）输出终端能源需求（kWh/a）可再生能源产量（kWh/a）能源系统装机容量（kW）和储能容量（kWh）自给自足水平年计成本资本支出和运营支出（€/a）二氧化碳排放量（t CO2eq/a）图表（桑基能量分流图、每小时负荷和负荷持续时间曲线、能源系统流程图等）支持气候中和园区发展的数字化工具 | 13 4.2.3 方案设计和初步及深化设计为确定优化的基础设施网络路线，可以使用QGIS 17 和 FME 18 等工具来对能源需求、可再生能源、环境影响因素和现有基础设施制图。QGIS是一个开源地理信息系统，用于获取、处理和分析数据，还可以创建地图和地图集以辅助设计。FME是一个数据翻译和转换工具，用于解决数据的互操作性问题。此外，它还可以有力地支持地理空间数据的集成和转换。对于大型的、城市维度的项目，通常建议使用FME进行更有效的数据处理和管理。 17 QGIS 是一个免费和开源的跨平台桌面地理信息系统（GIS）应用程序https//qgis.org/en/site/index.html 18 FME Feature Manipulation Engine （特征处理引擎），是一个地理空间提取，转换和加载的软件平台https//www.safe.com/ QGIS 中的 GIS 制图输入低精准度数据能源需求基准参考值或能效证书中显示的相关数据高精准度数据从模拟或实测数据中得到的能源需求来自客户端的GIS数据开源GIS数据输出基础设施网络路线（用于FME或NetSim中的网络设施规划）约束图、网络路线图、分级负荷需求图下一步，可以使用NetSim 19 等应用程序估算网络规模并分析其热力和水力性能。NetSim是一个针对集中供暖和供冷网的建模工具，可用于优化管道尺寸并降低泵送及其它能源成本。重要输入和输出总结如下。 19 NetSim 供热 / 冷网模拟系统https//www.vitec-energy.com/ netsim-grid-simulation/ 图 9 用于供热和供冷网设计优化的 NetSim（资料来源Vitec Software，https//www.vitec-energy.com/netsim- grid-simulation/，访问时间2022 年 12 月 7 日） 14 | 支持气候中和园区发展的数字化工具 NetSim 中的热网设计输入节点 - 功率（峰值热量）、回流温度、海拔高度（高程）管道类型（DN标准尺寸）系统设备 - 功率（容量）、供应温度、压力输出节点表管道表 - 直径（DN）和长度（m）流速（m/s）、压力梯度（Pa/m）、压力（kPa）图热量损失（kW）压差（kPa）流量（kg/s）泵功率（kW） EnergyPro 20 与能源网络设计并行，可用于模拟复杂的能源系统，以便进行详细的技术和财务分析。相较于 Symheny，该软件可以提供更准确的结果，因为计算是在充分考虑项目的具体情况下进行的。重要输入和输出总结如下。 20 EnergyPRO 是一个用于模拟和分析热电联合供应的复杂能源项目的软件https//www.emd-international.com/energypro/ 图 10 用于详细计算复杂能源系统的 EnergyPro, EMD International A/S, energyPRO [Software] （资料来源作者制图）在 EnergyPro 中确定能源中心的设备规模输入建筑原型参数/精确数据（调查/设计）能效标准/基准参照值（kWh/m²a）可用可再生能源（kW）现有电网基础设施可能的技术设备（供应、储存、传输）输出技术系统设计（kW）储存设施设计（kWh）能量平衡计算图表负荷曲线成本资本支出和运营支出支持气候中和园区发展的数字化工具 | 15 4.2.4 监测如前一章所述，项目整个生命周期中的数据集成、处理和