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Optimising urban office block morphologies with photovoltaic system integration: An energy-environment-economic evaluation under climate change scenarios
Energy and Buildings ( IF 6.6 ) Pub Date : 2025-01-13 , DOI: 10.1016/j.enbuild.2025.115318
Gaomei Li, Huangwanjin Zhou, Jian Kang, Nianjun Shen, Hua Zhong, Shen Xu
Energy and Buildings ( IF 6.6 ) Pub Date : 2025-01-13 , DOI: 10.1016/j.enbuild.2025.115318
Gaomei Li, Huangwanjin Zhou, Jian Kang, Nianjun Shen, Hua Zhong, Shen Xu
Climate change significantly affects the urban block energy consumption and photovoltaic (PV) power generation potential. However, current simulations often neglect these effects, which limits the effectiveness of integrated urban block planning with PV systems. This study aims to quantitatively assess the energy-environment-economic (3E) performance of PV systems in various morphological typologies of office blocks under changing climate scenarios. This study proposes a framework using Rhino & Grasshopper to evaluate near-zero energy office block energy demand and supply throughout their life cycle. Using building typology and statistical methods, we classified and modelled 130 office blocks in Wuhan. The 3E performance was analysed using typical meteorological data for the periods 2010–2039, 2040–2069, and 2070–2099. Results indicated a 30.83 % increase in energy consumption and a 16.89 % rise in carbon emissions from the 2020 s to the 2080 s. The PV power generation potential and carbon reduction benefits increased by 8.39 % from the 2020 s to the 2050 s and then decreased by 2.70 % from the 2050 s to the 2080 s. PV systems could reduce carbon emissions by up to 41.31 % over a 30-year lifespan. Under various climatic scenarios, multi-storey enclosed office blocks (MSE) had the shortest economic payback period (14 years), while super high-rise multi-tower clusters (SHRMTC) had the longest (19 years). This research provides a scalable model for dynamically assessing building energy consumption and PV power generation potential, offering a benchmark for retrofitting existing office blocks with PV systems and planning solar integration in new constructions. This enhances climate adaptability and promotes sustainable urban development.
中文翻译:
通过光伏系统集成优化城市办公楼形态:气候变化情景下的能源-环境-经济评价
气候变化显著影响城市街区的能源消耗和光伏 (PV) 发电潜力。然而,目前的模拟往往忽视了这些影响,这限制了光伏系统综合城市街区规划的有效性。本研究旨在定量评估在不断变化的气候情景下,光伏系统在办公楼各种形态类型的能源-环境-经济 (3E) 性能。这项研究提出了一个框架,使用Rhino和Grasshopper来评估近零能耗办公楼在其生命周期中的能源需求和供应。使用建筑类型和统计方法,我们对武汉的 130 个办公楼进行了分类和建模。使用 2010-2039 年、2040-2069 年和 2070-2099 年的典型气象数据分析了 3E 性能。结果表明,从 2020 年代到 2080 年代,能源消耗增加了 30.83%,碳排放量增加了 16.89%。从 2020 年代到 2050 年代,光伏发电潜力和碳减排效益增加了 8.39%,然后从 2050 年代到 2080 年代下降了 2.70%,光伏系统在 30 年的使用寿命内可减少高达 41.31% 的碳排放。在各种气候情景下,多层封闭式办公楼 (MSE) 的经济回收期最短(14 年),而超高层多塔集群 (SHRMTC) 的投资回收期最长(19 年)。这项研究为动态评估建筑能耗和光伏发电潜力提供了一个可扩展的模型,为用光伏系统改造现有办公楼和规划新建筑中的太阳能集成提供了基准。这增强了气候适应性并促进了可持续的城市发展。
更新日期:2025-01-13
中文翻译:
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通过光伏系统集成优化城市办公楼形态:气候变化情景下的能源-环境-经济评价
气候变化显著影响城市街区的能源消耗和光伏 (PV) 发电潜力。然而,目前的模拟往往忽视了这些影响,这限制了光伏系统综合城市街区规划的有效性。本研究旨在定量评估在不断变化的气候情景下,光伏系统在办公楼各种形态类型的能源-环境-经济 (3E) 性能。这项研究提出了一个框架,使用Rhino和Grasshopper来评估近零能耗办公楼在其生命周期中的能源需求和供应。使用建筑类型和统计方法,我们对武汉的 130 个办公楼进行了分类和建模。使用 2010-2039 年、2040-2069 年和 2070-2099 年的典型气象数据分析了 3E 性能。结果表明,从 2020 年代到 2080 年代,能源消耗增加了 30.83%,碳排放量增加了 16.89%。从 2020 年代到 2050 年代,光伏发电潜力和碳减排效益增加了 8.39%,然后从 2050 年代到 2080 年代下降了 2.70%,光伏系统在 30 年的使用寿命内可减少高达 41.31% 的碳排放。在各种气候情景下,多层封闭式办公楼 (MSE) 的经济回收期最短(14 年),而超高层多塔集群 (SHRMTC) 的投资回收期最长(19 年)。这项研究为动态评估建筑能耗和光伏发电潜力提供了一个可扩展的模型,为用光伏系统改造现有办公楼和规划新建筑中的太阳能集成提供了基准。这增强了气候适应性并促进了可持续的城市发展。