Какви са ползите от първия енергиен атлас на София?

Анализ на Climateka

Статията представя първия енергиен атлас в България. Изследването е проведено в института GATE с водещ изследовател д-р инж. Лидия Витанова. В него се съчетават подходи от географските информационни системи (ГИС) и статистически методи за оценка на потреблението на енергия в сгради с различно предназначение. Резултатите от атласа идентифицират значителен контраст в потреблението на енергия между сгради в силно урбанизирани райони в София и тези в предградията. Установено е, че увеличеното потребление на енергия принадлежи на зоните, които са застроени с търговски, промишлени и спортни сгради. Резултатите от това изследване могат да се използват за допълнителен анализ на енергийна консумация и изменението на климата, както и за изчисляване на градските топлинни острови. Подобни разработки са важни за обществото, тъй като предоставят изчерпателна и достъпна информация за заобикалящото ни енергийно състояние и възможностите за вземане на решения с цел подобряване на начина ни на живот. 

Фигура 1. Район на изследване: София. Източник: Vitanova et al. 2023.

Какво е енергиен атлас и какви са ползите от него?

Енергийните атласи са изчерпателна справка от данни и интерактивни карти на енергийната инфраструктура и ресурси в даден район, като дават отговори на проблемите, свързани с увеличаване на енергията, промяна на климата и интензивността на острова на топлина. Енергийният атлас може да се разглежда като основен инструмент за изследователите, обществото и местните власти при координирането на действията в областта на климата и намаляването на потреблението на енергия, както и за определяне на цели за нулеви емисии и подпомагане на гражданите и общностите чрез предоставяне на полезна енергийна информация (Фиг. 2).

Фигура 2. Заинтересовани страни свързани с енергийния атлас. Източник: Vitanova et al. 2023

Какво можем да разберем за нарастващото потребление на енергия? 

През последните години много страни по света изпитват бърз икономически растеж и са изправени пред сериозен енергиен недостиг, особено по отношение на електроенергията. Основно безпокойство е повишаващото се потребление на енергия, причинено от нарастването на населението в световен мащаб и необходимостта от енергия в градските райони. Такива райони вече са усетили ефекта от изменението на климата и намаляването на зелените площи поради високото потребление на енергия и бързата урбанизация. 

До какво води увеличаването на енергийната консумация? 

Добре известно е, че изменението на климата и повишаването на градските температури оказват значително влияние върху енергийното потребление на сградите през лятото и насърчават обитателите да използват повече климатици, за да повишат своя температурен комфорт. Тази ситуация води до повишено търсене на енергия, допълнително нарастване на емисиите на въглероден диоксид (CO2), промяна в локалния климат, увеличаване на температурите в урбанизираните райони, поява на острови на топлина, влошаване на здравето и дисбаланс на градския начин на живот.

Какво трябва да се предприеме, за да се подобри енергийната ефективност? 

Необходимо е ефективно енергийно планиране, подпомогнато от енергийни атласи с висока пространствена разделителна способност, за да се разбере текущата енергийна ситуация на градско ниво и да се идентифицират мерки за подобряване на енергийната ефективност на различни нива – квартал, район, град.

Има ли енергийни атласи и къде? 

В Швеция вече съществува енергиен атлас за многофамилни жилищни сгради. В Торино, Италия, е представен модел за използване на енергия като са взети предвид не само характеристиките на сградите, но и характеристиките на градския контекст, които влияят върху енергийното потребление на сградите. В модела са въведени променливи като „коефициент на изглед към небето“ и съотношението „височина към разстояние“ на градския каньон. В Амстердам е създаден енергиен атлас, който подпомага града да ускори своя енергиен преход с цел намаляване емисиите на CO2 и справяне с проблемите, свързани с климата. В Дания е разработен топлинен атлас, който да служи като помощен инструмент за модели на енергийни системи. Инструментите за анализ на енергийни системи включват екологични, икономически, енергийни и инженерни анализи на бъдещи енергийни системи, като същевременно отчитат оценката на преходните сценарии към постигане на общество без изкопаеми горива след 2050 г.

Има ли разработени енергийни атласи в България? 

София не се различава от изброените по-горе градове. Столицата ни преживява бърза урбанизация и по този начин се наблюдава увеличение на потреблението на енергия. Липсват обаче проучвания и изчерпателни анализи, фокусирани върху оценката на потреблението на енергия на ниво сграда в София, което би могло да бъде от съществено значение за подпомагане на вземането на решения за намаляване, както на потреблението на енергия, така и на емисиите на CO2. Доколкото ни е известно, все още не е правен опит за разработване на подобен енергиен атлас за София, както и за който и да е град в България.

Енергиен атлас на град София

Това изследване комбинира подходите на географските информационни системи (ГИС) и статистическите методи за оценка на потреблението на енергия в сградите за целите на разработване на енергиен атлас в София. Консумацията на енергия е представена чрез нормализирани стойности със специфичен допустим интервал за различните класове сгради (Таблица 1). Статистическият анализ е подготвен от д-р Петър Христов от институт GATE. 

Изчисляването на потреблението на енергия използва набор от данни „Сертификати за енергийни характеристики на сгради“ от повече от 2500 представителни сгради в София. Данните, използвани в енергийния атлас, включват обща площ на сградата и консумация на енергия на единица площ (енергиен поток).

Таблица 1. Допустими интервали за потреблението на енергия (kWh/m2/година) на 10-те класа сгради. Всеки интервал отчита долна и горна граници на допустимия интервал (TI и TI), което е представено в статията като ниско- и високо енергиен сценарий. По-високите стойности означават по-голямо консумиране на енергия. Източник: Vitanova et al. 2023

Фигура 3 показва 2D разпределението на енергията, като използва нискоенергиен сценарий. Наблюдават се няколко области с повишено потребление на енергия (централна, южна и югоизточна част на София) за различните класове сгради. 

Фигура 3. Нискоенергиен сценарий в София. Червените и жълтите цветове показват районите с повишена консумация на енергия. Източник: Vitanova et al. 2023

По подобен начин Фигура 4 показва 2D разпределение на потреблението, което съответства на високоенергиен сценарий.

Фигура 4. Високоенергиен сценарий в София. Червените и жълтите цветове показват районите с висока консумация на енергия. Източник: Vitanova et al. 2023

Тук се наблюдава ясен контраст в потреблението на енергия между сгради в силно урбанизирани райони, особено търговски, промишлени и спортни сгради, спрямо тези в предградията. Този ефект се дължи на две характерни обстоятелства, както следва:

• Наличие на струпвания от класове сгради с по-висока консумация на енергия.
• Наличие на много сгради с голяма разгъната застроена площ, високи сгради, или складови магазини с голяма площ.

Ако трябва да се сравнят резултатите от енергийния атлас на София, показващи увеличена консумация на енергия, разпределена най-вече в централната част и няколко други райони на града поради струпвания от класове сгради с по-висока консумация на енергия, с други градове по света, в Дъблин например ситуацията е много по-различна. В централните градски части на Дъблин има ниска енергийна интензивност на сградите, в сравнение с останалата част от града. Това се дължи на факта, че жилищата в близост до центъра са сравнително нови или наскоро са преоборудвани (около 52% от сградите са построени след 1990 г.), което предполага увеличена енергийна ефективност. 

Каква е връзката на това изследване с „Цифровия двойник на града“, разработван в институт GATE?

Данните, визуализирани в енергийния атлас, са използвани, за да обогатят 3D модела на район “Лозенец”, който е част от пилотния проект за създаване на „цифров двойник на града“ (Фиг. 5). Освен енергийна консумация по функция на сграда, предстои да се интегрират и резултати от други анализи и симулации в градска среда, разработвани от изследователите в института. 

Фигура 5. Триизмерен модел на град София. Цветните сгради принадлежат към район “Лозенец”. Източник: Vitanova et al. 2023 / 3D City Model of GATE

Създаването на “цифров двойник на града”, в рамките на който се извършват изследванията, подпомага анализите и симулациите, свързани с анализ на качеството на въздуха, градско планиране, енергийна ефективност, градска мобилност и др. Разработването му е под ръководството на проф. д-р Десислава Петрова-Антонова от институт GATE. Подобни цифрови двойници имат градове като Хелзинки, Виена, Берлин, Сингапур и Ню Йорк.

3D моделът е визуализиран в уеб приложение, което има следната функционалност:

- Показване на силует на сграда и нейния клас като допълнително съдържание.
- Показване на силует на сграда и показване на нейните атрибути, включително границите на потреблението на енергия. 
- Визуализиране на сгради в различни цветове в зависимост от техните атрибути, включително гранични стойности за консумация на енергия.
- Показване на сгради в прозрачен режим.
- Показване на засенчването от сградите в зависимост от текущото време на деня.

Текущата функционалност на уеб приложението е разширена, за да поддържа визуализацията на данните за границите на потребление (Фиг. 6 и 7), принос за което има Евгений Ширинян, изследовател от екипа на GATE.

Така обогатен, 3D моделът дава представа за енергийната консумация в контекста на други атрибути на сградите, които вече са налични в модела.

Фигура 6. Визуализация на долната граница на енергийна консумация в 3D модел на града. С червени цветове са показани сградите с високо потребление на енергия в район „Лозенец“. Източник: Vitanova et al. 2023 / 3D City Model of GATE

Фигура 7. Визуализация на горната граница на енергийна консумация в 3D модел на града. С червени цветове са показани сградите с високо потребление на енергия в район „Лозенец“. Източник: Vitanova et al. 2023 / 3D City Model of GATE

В заключение, основните изводи от проучването са следните:

Налични са няколко области, показващи ясен контраст в потреблението на енергия между сгради в силно урбанизирани райони, сравнени с тези в предградията.
Сградите с високо енергийно потребление принадлежат на зоните, където са разположени и вече са застроени търговски, промишлени и спортни сгради.
Предназначението/функцията на сградите е ефективен показател за предсказване на диапазона на енергийна консумация. Повишаването на точността на предсказанието изисква отчитане на други характеристики на сградите, свързани с тип конструкция, материали и година на построяване и др., което е предмет на следващи изследвания. 
Подобни разработки могат да са полезни за бъдещето ни развитие в посока енергийна ефективност и въглеродна неутралност. Също така да се използват за оценка на потреблението на енергия и за идентифициране на стратегии за преоборудване и възобновяеми енергийни източници с цел постигане на енергийни и климатични цели. Това от своя страна допринася за подобряването на енергийната сигурност, конкурентоспособността и устойчивостта на дадена територия. 

Д-р инж. Лидия Витанова е изследовател в институт GATE и част от авторския екип на Климатека. Тя е доктор по климатология и инженер-еколог, активно занимаваща се в сферите на градския климат и топлинните острови, с екология и опазване на околната среда, възобновяема енергия и интелигентни технологии. Завършила е магистратура в МГУ Св. Иван Рилски, София, специалност “Екология и опазване на околната среда”. Защитила е докторантура в Цукубски Университет в Япония, специалност “Климатология”. Автор е на многобройни международни научни публикации, свързани с градски климат, моделиране и градско планиране. Участвала е като лектор в различни конференции в Европа, Азия и Америка. 

---
В публикацията са използвани материали от:

1. Агенция за устойчиво енергийно развитие, Сертификати за енергийни характеристики на сгради, 2023
2. Ali, U., Shamsi, M. H., Hoare, C., & O’Donnell, J. (2018). GIS-based residential building energy modeling at district scale. In 4th Building Simulation and Optimization Conference, Cambridge, UK.
3. 3D City model, GATE, URL: https://city.gate-ai.eu/Cesiumjs/Apps/Lozenets.html, [last accessed 23.08.2023]
4. Dimitrov, H. and Petrova-Antonova, D., 2021: 3D City model as a first step towards digital twin of Sofia city, Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., XLIII-B4-2021, 23–30.
5. Johansson, T., Olofsson, T., Mangold, M., 2017: Development of an energy atlas for renovation of the multifamily building stock in Sweden. Applied Energy, 203, 723-736.
6. Vitanova, L. L., Petrova-Antonova, D., Hristov, P. O., & Shirinyan, E. (2023). Towards Energy Atlas of Sofia City in Bulgaria. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 48, 123-129.
7. Vitanova, L. L., Kusaka, H., Doan, Q. V., & Subasinghe, S. (2021). How urban growth changes the heat island effect and human thermal sensations over the last 100 years and towards the future in a European city?. Meteorological Applications, 28(4), e2019. https://doi.org/10.1002/met.2019
8. Mutani, G., Todeschi, V., 2019: An urban energy atlas and engineering model for resilient cities. International Journal of Heat and Technology, 37(4), 936-947.
9. Petrovic, S. N., & Karlsson, K. B., 2014: Danish heat atlas as a support tool for energy system models. Energy conversion and management, 87, 1063-1076.
10. Putra, Z. D. W., & Van Der Knaap, W., 2019: A smart city needs more than just technology: Amsterdam’s Energy Atlas project. In Smart city emergence (pp. 129-147). 
11. Sheng, P., He, Y., Guo, X., 2017: The impact of urbanization on energy consumption and efficiency. Energy & Environment, 28(7), 673-686.