【Applied Energy 最新原创论文】使用多通道单维卷积神经网络模型评估密集城市地区的建筑一体化光伏潜力

学术   2024-11-15 18:30   美国  

原文信息:

Assessing building-integrated photovoltaic potential in dense urban areas using a multi-channel single-dimensional convolutional neural network model

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261924020993

Highlights

• 该研究提出了一种基于城市点云数据和卷积神经网络(CNN)的回归预测模型,用于评估中大尺度街区的建筑光伏一体化(BIPV)潜力。

 该研究结合高斯混合模型、点云表面采样与法线估计,以及地理朝向计算,增强了卷积神经网络(CNNs)对城市空间和个体物理特征的学习能力。

 通过结合城市建筑空间与个体特征,提高了模型对实体及朝向等物理信息的捕捉,从而提高了街区光伏潜力预测的准确性。

 该模型框为决策者在城市环境中分阶段推广BIPV以及制定高效的能源部署策略提供了有力支持。

摘要

评估建筑光伏一体化(BIPV)潜力对太阳能的全面推广和部署具有重要意义。传统模型多依赖形态参数进行光伏潜力评估,存在对城市形态的主观认知以及在密集城市区域推广难度大等问题。本研究利用卷积神经网络(CNN)与城市点云数据,评估中大城市尺度的BIPV潜力,提出一种多通道一维CNN模型框架。该模型利用高斯混合模型结合建筑点云数据提取建筑窗墙比,从而增强建筑簇点云中的个体特征;利用点云建立三维模型,基于三维模型提取建筑地理方位信息,通过空间连通性整合点云分布,解决点云卷积旋转不变性导致地理方位缺失的问题;以三维模型表面面积作为点云表面采样的权重,结合法线估计强化建筑实体信息,解决点云卷积中的无序性问题导致实体信息缺失。以墨尔本市为例,该模型与传统的基于形态参数的预测模型相比表现出色,在75个训练集中的均方根误差为2415.548 kWh/year,R2 SCORE为0.937。提出的建模框架能够预测多尺度BIPV潜力,有利于BIPV的分阶段推广和制定有效的能源部署策略。这项研究为城市建筑能源建模、深度学习和中大尺度复杂场景下的能源预测提供了新的见解,从而促进了城市的可持续发展。

更多关于“光伏潜力评估”的研究详见:

https://www.sciencedirect.com/search?qs=photovoltaic%20potential%20assessment&pub=Applied%20Energy&cid=271429

Abstract

Assessing BIPV (Building Integrated Photovoltaic) potential is of great significance for the comprehensive promotion and deployment of solar energy. Traditional models mostly rely on morphological parameters for PV potential assessment, presenting challenges such as subjective knowledge of urban forms and difficulty in generalization within dense urban areas. This study employs Convolutional Neural Network (CNN) for 3D modeling to evaluate BIPV potential at medium and large urban scales, introducing a framework for a multi-dimensional single-channel one-dimensional CNN model. The model utilizes the Gaussian Mixture Model combined with building point cloud data to extract the building window-to-wall ratio, thereby enhancing individual features in the building cluster point cloud. It also utilizes the 3D physical model to extract building geographic orientation information, integrating point cloud distribution through spatial connectivity to address the issue of missing geographic orientation due to rotational invariance of point cloud convolution. Additionally, it uses the surface area of the 3D model as the weight for surface point cloud sampling and combines it with normal estimation to retain building entity information, solving the disorder of point cloud convolution. This modeling framework enables accurate prediction of PV potentials in urban blocks by utilizing city point cloud data and predicting urban block boundaries. Using Melbourne City as a case study, the model demonstrates superior performance compared to traditional morphological parameter-based prediction models, with a root mean square error of 2415.548 kWh/year and an R2 SCORE of 0.937 in 75 training sets. The proposed modeling framework enables the prediction of multi-scale BIPV potential, which is beneficial for the staged promotion of BIPV and the development of effective energy deployment strategies. This study offers new insights for urban building energy modeling, deep learning, and energy prediction in complex scenarios at medium and large scales for sustainable urban development.


Keywords

BIPV

Deep learning

Urban 3D model

Window-To-Wall ratio

Building orientation

Graphics

Graphical abstract


Fig. 3. Deep learning model framework.


Fig. 5. Analysis of total PV potential of urban blocks and the influence of urban


Fig. 6. Model evaluation and comparison


团队介绍

本研究由武汉大学的研究人员共同完成。

第一作者:耿晓天,武汉大学城市设计学院建筑学博士生;通讯作者:苟中华,武汉大学城市设计学院教授,连续4年入选Top2%科学家、建筑学高被引学者,主要研究领域为建筑性模拟与优化、建筑光伏一体化设计等;其他作者包括蔡森竑,武汉大学城市设计学院建筑学博士生。



关于Applied Energy

本期小编:李辉;审核人:冯玉鹏

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