《Energy and Buildings》：Overcoming data scarcity by a probabilistic approach to consider future retrofit rates in urban building energy modeling
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随着城市建筑能耗模型（UBEM）成为评估建筑存量向碳中和与可持续转型的核心工具，考虑因未来改造引起的建筑存量变化至关重要。由于此类信息难以预测，常见做法是使用百分比而不离散映射到具体建筑，这给自底向上UBEM带来挑战。本研究采用一种基于原型（archetype
随着城市建筑能耗模型（UBEM）成为评估建筑存量向碳中和与可持续转型的核心工具，考虑因未来改造引起的建筑存量变化至关重要。由于此类信息难以预测，常见做法是使用百分比而不离散映射到具体建筑，这给自底向上UBEM带来挑战。本研究采用一种基于原型（archetype）的概率方法考虑未来改造率并估算街区未来供热能耗，以克服该挑战。具体而言，离散加权采样方法生成概率驱动的样态，每个样态代表基于统计信息的一种潜在结果。模拟使用City Energy Analyst软件进行。通过对均值能耗、标准差及代表未来能耗概率分布的期望区间进行汇总得到结果。基于一个当前状态已知的德国城镇中心案例研究展示了该概率方法，并说明基于概率的样态如何帮助界定未来能耗预测的现实区间。为考虑不同情景，基于不同改造率建模了四个案例。不同案例结果展示了潜在未来节能的范围。结果显示潜在节能范围高度依赖于估计的改造率。若改造率维持现状，2045年估计节能约8.4%；随改造率提高，节能量增加；建筑存量完全深度改造平均节能约66.3%。所开发方法在将统计数据纳入自底向上UBEM方面取得显著进展，提升了UBEM结果在未来城市能源规划中的可靠性。
研究背景方面，在欧盟绿色协议与德国气候保护法案推动下，城市建筑能耗模型（UBEM）成为识别建筑部门减排路径的关键工具。自底向上UBEM依赖建筑级几何与非几何参数，但其精度受输入数据质量制约；现实中建筑年代、改造状态、围护结构U值等常不完整或不确定，而既有研究多将改造率作为聚合百分比处理，难以离散映射至单体建筑，导致未来改造情景在物理模型中表达不足。为解决统计数据无法直接驱动建筑级物理仿真的问题，研究人员提出了一种将统计改造率转化为建筑级概率状态的方法，以德国图林根州K?nigsee镇中心（299栋建筑，2021年基准）为案例，借助City Energy Analyst（CEA）平台，估算2040与2045年供热能耗，论证概率框架对提升UBEM在不确定数据下预测可靠性的价值，该文发表于《Energy and Buildings》。
关键技术方法上，研究人员首先定义四类改造选项（无改造、仅窗改造、部分改造、全改造）并赋予基于德国2023年Q4统计的年度发生概率；继而采用Python内置离散加权采样（discrete weighted sampling）生成N=56个样态，通过约束序贯采样体现改造累加动态（如窗改造可进阶至部分或全改造，不允许退化），每个样态为每栋建筑指定单一未来改造状态；后将样态写入CEA基线UBEM，调整墙体、屋顶、窗U值（如窗至1.3 W/(m2K)，墙顶至0.24 W/(m2K)）及气密性n50，批量模拟得供热能耗；最后以均值、标准差与期望区间作统计解释，并以1%均值偏差作收敛判据。案例输入融合深度学习估龄、市政地理数据、2016—2019年耗气耗电消费校验基线。
研究结果部分，5.1节案例A（动态延续2023年现状1.28%/a）显示，2040年供热能耗均值112.13 kWh/(m2a)（较2021降6.3%），2045年109.56 kWh/(m2a)（降8.4%），无改造占比均值降至71.28%，窗与全改造各约11.7%与12.2%，标准差σ由1.60升至1.88 kWh/(m2a)，收敛于6样本内达1%阈值，表明现状改造率远不能满足2045中和目标。5.2节案例B（动态提至2%/a，比例同A）中，2040年107.79 kWh/(m2a)（降9.9%），2045年104.50 kWh/(m2a)（降12.6%），σ为1.77与2.06，说明适度提速可近倍增节能。5.3节案例C（理论单步全改造2%/a）去掉动态叠加，2040年91.22 kWh/(m2a)（降23.7%），2045年84.10 kWh/(m2a)（降29.7%），σ略增至2.22与2.73，显示优先全改造潜力显著。5.4节案例D（理论全存量4%/a）下，2040年约80%全改造、均值60.92 kWh/(m2a)（降49.1%），2045年全体全改造、40.36 kWh/(m2a)（降66.3%），证明围护结构极限节能上限。
讨论部分指出，该方法弥补了聚合改造率无法落入建筑级物理模型的缺口，将自顶向下政策目标与自底向上仿真桥接；但模拟未计预绑效应（prebound）与反弹效应（rebound），真实节能或被高估约25%—35%；仅改围护不够，需同步改HVAC与供能系统；局限含四类改造简化、未考虑改造退化与行为变异、概率源于历史政策假设。结论翻译为：所开发建模方法将物理自底向上UBEM与统计输入数据结合，通过概率采样建筑级参数集与降阶RC模型模拟，克服了改造研究中物理自底向上方法缺失；四案例表明未来节能范围高度依赖改造率假设，现状延续至2045仅约8.4%节能，全深度改造可达66.3%；该方法显著推进了统计数据在自底向上UBEM中的纳入，提升了未来城市能源规划中UBM结果的可靠性。
