Energy Efficiency in Urban Scale

Abstract

Abstrakt (česky) Města představují komplexní systémy stavební hmoty, jejíž morfologie hraje klíčovou roli v otázkách energetické spotřeby. Na městskou morfologii lze nahlížet jako na strukturu definovanou algoritmy a jinými parametry. Některá města jsou definována vcelku jednoduchým algoritmem, například Cerdův plán Barcelony, který představuje obdélníková, do nekonečna se opakující mřížka. Morfologii současných měst významnou měrou ovlivňuje také princip náhody. Modernistická města jsou plánována s důrazem na infrastrukturu, stavební předpisy a územně-plánovací regulace. Energetická úspornost městské morfologie může být chápána jako poměr mezi energetickými zisky a ztrátami, které jsou přímo závislé na souboru parametrů vycházejících z geometrického tvaru budov a jejich vzájemných rozestupů. Parametrický urbanismus nabízí nový způsob stavby měst založený na algoritmech. Algoritmem lze definovat téměř vše - od formy po infrastrukturu, od ekonomiky po sociální prostor. Tyto parametry si lze představit jako "inteligentní agenty", kteří mají za úkol kontrolovat a rozvíjet město v jeho utopické budoucnosti, město závislé na výpočetních technologiích, město s nedostatkovými zdroji a současně rostoucí populací, která stejně dynamicky zvyšuje poptávku. Tato práce spojuje ideu algoritmického urbanismu na jedné straně a ryze praktickou rovinu vztahu mezi energetickou úsporností a městskou morfologií na straně druhé. Úvodní část práce tvoří rozbor 60 hypotetických modelů, jehož cílem je vyhodnotit jejich jednotlivou energetickou úspornost. Ve druhé fázi byl využit Galapagos Evolutionary Solver za účelem vyhledání těch parametrů, které v městské struktuře vytvářejí optimální kombinaci zastavěnosti a poměru plochy k objemu. Mezi všemi testovanými parametry byl jako ekonomicky a energeticky nejvýhodnější vyhodnocen obdélníkový a lichoběžníkový městský blok s malými rozměry základny a vyšším počtem podlaží. Ve třetí fázi práce bylo analyzováno 65 reálných morfologií charakteristických pro Prahu. Počítačové simulace a analýzy byly vytvořeny s využitím digitálního modelu Prahy od Google Earth. Během procesu vyhodnocování jednotlivých vzorků byl popsán vztah mezi městskou morfologií a parametry, jako je zastavěnost pozemku, poměr plochy k objemu a nepřímé tepelné zisky. Byly také vybrány struktury s potencionálně nejvyšší energetickou úsporností. Během tohoto rozboru byla potvrzena souvztažnost mezi městskou morfologií a energetickou úsporností. Získaná data, jako geometrie budov, jejich výška, hloubky a délka jsou využitelná při vytváření algoritmů generujících optimalizované, energeticky úsporné městské morfologie. Práce poskytuje výsledky, které umožňují pochopení míry energetické úspornosti stávajících měst a které jsou současně využitelné v rámci jejich budoucí stavby a optimalizace.

Abstract Cities are a complex mass of urban morphologies which play a major role in energy consumption. Urban morphologies can also be seen as defined by algorithms or form generators. Some cities are designed through simple algorithms, for instance, Cerda's Barcelona Plan, which could be imagined as a rectangular grid that advances ad infinitum. The urban mass, as it exists in today's cities, is mostly defined in an occasional manner. Modernist cities are designed taking into account infrastructure, city standards and land use regulations. Energy efficiency of the urban morphology may be understood as the balance between gains and losses of energy, which may depend on asset of parameters mostly defined by the geometrical shape of the buildings and the distance between them. Parametric Urbanism envisions a new way of constructing cities based on algorithms. Algorithms could define almost everything from form to infrastructure and from economy to social space. These parameters could be envisioned as "intelligent agents", controlling and improving the city in a future utopia of an IT sensitive city in times where resources are more and more scarce and population is growing with equally dynamic and increasing demands. This study bridges the ideas of algorithmic urbanismon one side, with the practical and more narrow interrelationship of Energy Efficient and Urban Morphology on the other side. The study starts from the analysis of 60 hypothetical models in order to evaluate their energy efficiency potential. The Galapagos Evolutionary Solver was used as a tool at the second stage in order to find the set of parameters, which brings to the urban pattern the optimal combination of density and surface-to-volume ratio. Among all tested patterns, the rectangular and the trapezoidal urban blocks with relatively small dimensions of the base and a greater number of floors demonstrated the highest economicand energy performance. At the third stage of the study, urban morphologies typical of Prague were analyzed in a process in which 65 different existing urban morphologies were selected. Computer simulation and analysis is performed using the models extracted from the virtual Google Earth model of Prague. During the process of evaluation of the samples, the relationship between the urban morphology and such parameters as plot coverage, surface-to-volume ratio and the incident solar radiation was established and potentially higher energy efficient structures were indicated. During the analysis, evidence was found regarding the interrelations between urban morphology and energy efficiency. Extracted information such as building geometry, building height, width and length may be used in algorithms for the production of optimized, energy efficient urban morphologies. The study provides results which may have implications for understanding the level of energy efficiency in existing cities and also in generating results for future optimization.