Солнечная энергия - Введение в SEBE - Учебная документация UMEP

1. Вступление Модель солнечного излучения Линдберга и др. (2015) SEBE (Солнечная энергия на оболочках...
2. Данные для учебника
3. меры
4. Подготовка данных для SEBE
5. Запуск модели
6. Освещенность при создании конвертов (в качестве альтернативы см. Советы ниже - в настоящее время лучше)
7. Потенциал солнечной энергии
8. Карта освещенности со значениями менее 900 кВтч отфильтрована
9. Набор данных Ковент-Гарден
10. Вопросы для изучения с UMEP: SEBE
11. подсказки

Вступление

Модель солнечного излучения Линдберга и др. (2015) SEBE (Солнечная энергия на оболочках зданий) позволяет оценивать солнечное излучение на поверхности земли, крышах и стенах зданий. Он использует алгоритм отбрасывания теней с цифровой моделью поверхности ( DSM ) и положением Солнца для генерации информации на уровне пикселей о теневых или освещенных областях. Алгоритм отбрасывания теней (Ratti and Richens 1999) был разработан для включения стен (Lindberg et al. 2015). Это представляет интерес для широкого спектра применений, например потенциала солнечной энергии и теплового комфорта.

SEBE включен в UMEP (городской многоуровневый экологический прогноз) , плагин для QGIS , Поскольку SEBE изначально разрабатывался для оценки потенциала солнечной энергии на крышах зданий, используемые цифровые поверхностные модели (DSM) должны включать конструкции крыш, такие как наклонные крыши, дымоходы и т. Д. Методы получения точных наземных и строительных DSM для SEBE включают использование Технология LiDAR и трехмерные объекты конструкции крыши в векторном формате.

В этом упражнении вы примените модель в Гетеборг, Швеция а также Ковент-Гарден Лондон, чтобы исследовать потенциал солнечной энергии, как он изменяется между зданиями, с временами года, с влиянием растительности и т. Д.

Начальные практические шаги

• Если QGIS не на вашем компьютере, вы будете нужно установить
• Затем установите ** UMEP ** плагин
• Запустите программное обеспечение QGIS
• Windows: если на рабочем столе не отображается, нажмите кнопку « Пуск» , чтобы найти программное обеспечение (например, найдите QGIS в ваших приложениях)
• Выберите QGIS 2.18 Desktop (или установлена ​​последняя версия). Не используйте QGIS3 на этом этапе.

Когда вы откроете его на верхней панели инструментов, вы увидите UMEP .

Рис. 54 Расположение SEBE в UMEP

• Прочтите раздел в онлайн-руководстве ПЕРЕД использованием модели, чтобы вы были знакомы с ее работой и используемой терминологией.

Данные для учебника

Рис. 55 Центральная зона изучения Гетеборга (красная площадь). Для создания этого снимка использовался плагин «Открытые слои» в QGIS.

Геоданные и метеорологические данные для Гетеборга, Швеция .

• Данные проецируются в SWEREF99 1200 (EPSG: 3007) национальной системы координат Швеции.

Требования к данным: S: Пространственный, M: Метеорологический,

Таблица 4 Входные данные и параметры Имя Определение Тип Описание krbig_dsm.asc Наземный и строительный набор растровых данных DSM S: получен из набора данных о трехмерной векторной структуре крыши и цифровой модели рельефа (DEM) krbig_cdsm.asc Растительный навес DSM S Набор растровых данных: получен из Набор данных LiDAR kr_buildings.shp Строительный полигонный слой S Векторный набор данных GBG_typicalweatheryear_1977.txt Метеорологические данные воздействия M Метеорологические данные, часовое разрешение за 1977 год Гетеборг, Швеция.

Наборы данных в Гетеборге, Швеция

Наборы данных в Лондоне Ковент-Гарден

Google map ссылка на Ковент-Гарден

меры

1. Начните с данных о Гетеборге. Если данные заархивированы - сначала распакуйте данные.
2. Изучите геоданные, добавив слои в ваш проект.
3. Используйте Layer> Add Layer> Add Raster Layer, чтобы открыть растровые файлы .asc, и Layer> Add Layer> Add Vector Layer . Слой Vector представляет собой файл формы, который состоит из нескольких файлов. Это файл kr_building.shp, который следует использовать для загрузки векторного слоя в QGIS.
4. Вам нужно будет указать систему координат ( CRS ), что связано с этими данными. Если вы посмотрите на правую нижнюю часть, вы увидите CRS, используемый в текущем проекте QGIS.
   • Вы можете использовать фильтр, чтобы найти это тогда.
   • Выберите SWEREF99 1200 в качестве CRS, и файлы загрузятся на холст карты.
   • Сделайте это для всех файлов геоданных.
5. Откройте метеорологический файл в текстовом редакторе или в электронной таблице, такой как MS Excel или LibreOffice (Open office).
   • Файл данных отформатирован для плагина UMEP (в общем) и плагина SEBE (в частности).
   • Первые четыре столбца связаны со временем .
   • Интересными колонками являются kdown, kdiff и kdir . Они связаны с коротковолновым излучением и дают глобальное, рассеянное и прямое излучение соответственно.
   • Метеорологический файл должен быть не менее года, но предпочтительно многолетним.
   • Одним из вариантов является использование ** типичный метеорологический год ** как вы будете делать в этом уроке

Переменные, включенные в файл метеорологических данных . № указывает на столбец, в котором находится файл. Использование указывает, является ли он R - обязательным или O- необязательным (в этом приложении) или N- не используется в этом приложении . Все столбцы должны присутствовать, но могут быть заполнены числами, указывающими, что они не используются (например, -999).

№ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Название столбца Описание 1 R iy Год [ГГГГ] 2 R ID День года [DOY] 3 R it Час [H] 4 R imin Минут [M] 5 N qn Чистая всеволновая радиация [Вт м-2] 6 N qh Поток ощутимого тепла [Вт м-2] 7 N qe Поток скрытого тепла [Вт м-2] 8 N qs Поток накопительного тепла [Вт м-2] 9 N qf Антропогенный поток тепла [Вт м-2] 10 NU Скорость ветра [м с-1] 11 O RH Относительная влажность [%] 12 O Tair Температура воздуха [° C] 13 N pres Барометрическое давление [кПа] 14 N дождь Дождь [mm] 15 R kdown Входящее коротковолновое излучение [W m- 2] Должно быть> = 0 Вт м-2. 16 N снег Снег [мм] 17 N ldown Входящее длинноволновое излучение [Вт м-2] 18 N fcld Доля облаков [десятые] 19 N Вух Внешнее водопользование [м3] 20 N xsmd Наблюдаемая влажность почвы [м3 м-3 или кг кг -1] 21 N lai Наблюдаемый индекс площади листа [м2 м-2] 22 O kdiff Диффузное излучение [Вт м-2] 23 O kdir Прямое излучение [Вт м-2] 24 N wdir Направление ветра [°]

Подготовка данных для SEBE

Плагин SEBE: находится в UMEP -> Процессор -> Солнечная энергия -> Солнечная энергия на ограждающих конструкциях (SEBE) в строке меню.

Рис. 56 Интерфейс для SEBE в UMEP

1. Верхний кадр : для входных данных для расчетов SEBE.

   • Критическим является здание и земля DSM для расчетов в SEBE.

   • При желании можно включить растительность (деревья и кусты), поскольку они могут затенять здания, стены и крыши, уменьшая потенциальное производство солнечной энергии.

   • Когда установлен флажок Использовать вегетацию DSM, требуются два DSM:

     • Один для описания верхней части растительности (Vegetation Canopy DSM).
     • Один для описания дна, под навесами (Vegtation Trunk Zone DSM).

     Поскольку DSM магистральной зоны очень редки, доступна опция для создания этого из DSM навеса. Вы можете установить количество света (коротковолновое излучение), которое передается через растительность.

2. Два набора растровых данных, высота и аспект стены, необходимы для расчета освещенности на стенах здания.

   • Среднее альбедо (одно значение используется для всех поверхностей) может быть изменено.

3. универсальное глобальное время смещение необходимо для точной оценки положения солнца, положительных чисел для положения на востоке и отрицательного для положения на западе. Например, Гетеборг расположен в CET, который является UTC +1.

4. Метеорологический файл должен быть указан.

5. Стенные данные создаются с помощью Плагин UMEP - ** Высота стены и аспект ** :

   • При этом используется минимальный фильтр ядра размером 3 на 3 пикселя, в котором исследуются четыре кардинальные точки (N, W, S, E). Пиксели, находящиеся «внутри» зданий, идентифицируются и дают значения, указывающие, что они являются краем здания. Алгоритм аспекта основан на методике линейной фильтрации (Goodwin et al. 2009). Он идентифицирует линейные особенности плюс (новое дополнение) аспект идентифицированной линии. Другие более точные методы включают использование векторного строительного слоя и пространственную привязку его к пикселям стены.

6. UMEP -> Pre-Processor -> Urban Geometry -> Высота стены и аспект.

7. Закройте плагин SEBE и откройте плагин Wall and Height and Aspect

8. Используйте свою землю и здание DSM в качестве входных данных

9. Отметьте опцию Рассчитать аспект стены.

10. Создайте папку в папке «Документы» с именем, например, SEBETutorial

11. Используйте это, чтобы сохранить результат.

12. Назовите ваши новые наборы растровых данных соответственно формату и высоте.

13. Галочка: Добавить результат в проект и нажать ОК.

Запуск модели

Теперь у вас есть все данные, готовые для запуска модели.

Рис. 57 Пример настроек для запуска SEBE без растительности.

1. Сначала запустите модель без учета растительности.
   • Снова откройте плагин SEBE
   • Выполните настройку в соответствии с рисунком к LHS
   • Сохраните свои результаты в подпапке ( NoVeg ) SEBETutorial .
   • Модель требует времени для расчета освещенности на всех поверхностях.
   • Результатом, добавленным к холсту вашей карты, является горизонтальное излучение, то есть освещенность на земле и крышах.
2. Запустите модель еще раз, но на этот раз также используйте DSM растительности.
   • Сохраните результат в подпапке Veg .

Освещенность при создании конвертов (в качестве альтернативы см. Советы ниже - в настоящее время лучше)

Чтобы определить освещенность стен здания:

1. Откройте SunAnalyser, расположенный в UMEP> Постпроцессор> Солнечная радиация> SEBE (Визуализация) .
   • Это может быть использовано для визуализации освещения как на крышах, так и на стенах.
2. Выберите входную папку, в которой вы сохранили свой результат для одного из прогонов.
3. Отметьте область с помощью инструмента (Область визуализации) на холсте карты, щелкнув сначала один раз.
4. Перетащите, чтобы создать область
5. Нажмите еще раз, чтобы закончить.
6. Нажмите Визуализировать. Теперь вы сможете увидеть результаты в 3D.

3D визуализация для Mac в настоящее время не работает должным образом

Используйте инструмент Profile , который является плагином для QGIS, чтобы увидеть диапазон значений вдоль разреза.

1. Плагины> Инструмент профиля> Профиль Terrain.
   • Нарисуйте линию через экран в области интереса. Дважды щелкните, и вы увидите нарисованный профиль. Убедитесь, что вы используете правильный слой (см. Советы).
2. Если это не установлено, вам нужно будет установить его из официального репозитория QGIS-плагинов (Плагины> Управление и установка плагинов).

Потенциал солнечной энергии

Чтобы получить потенциал солнечной энергии для конкретного здания:

1. Фактическая площадь крыши должна быть рассмотрена.

2. Определите площадь каждого пикселя (AP): например, 1 м2

3. Поскольку некоторые крыши наклоняются, область может быть больше для некоторых пикселей. Фактическая площадь ( A A) может быть вычислена из:

   A A = A P / cos (S i)

   где наклон ( S i) растрового пикселя должен быть в радианах (1 градус = пи / 180 рад).

Чтобы сделать растр на склоне:

1. Растр> Анализ местности> Наклон . Если инструмент отсутствует, перейдите к разделу «Управление и установка плагинов» и активируйте его ( плагин Raster Terrain Analysis )
2. Используйте DSM для слоя высот
3. Создать коэффициент наклона z = 1 - площадь

Рис. 58 Инструмент «Наклон» в QGIS

Используйте растровое меню: Растр> Растровый калькулятор .

1. Чтобы определить площадь после того, как вы удалили площадь стены из зданий.
2. Введите указанное уравнение.
3. Чтобы визуализировать, где разместить солнечные батареи, количество получаемой энергии должно быть экономически эффективным. Поскольку считается, что излучение ниже 900 кВт-ч слишком мало для производства солнечной энергии ( личное сообщение Per Jonsson Tyréns Consultancy ), пиксельные ячейки ниже 900 могут быть отфильтрованы (рисунок LHS). Прозрачность - позволяет сделать видимым выше порога интереса.
   • Щелкните правой кнопкой мыши слой Energyyearroof и выберите « Свойства», а затем « Прозрачность» .
   • Добавьте пользовательскую прозрачность (зеленый крестик), где значения от 0 до 900 установлены на 100% прозрачности.

Рис. 59 Растровый калькулятор в QGIS

Карта освещенности со значениями менее 900 кВтч отфильтрована

Для оценки солнечного потенциала на крышах зданий мы можем использовать инструмент зональной статистики:

1. Растр> Зональная статистика.

   • Используйте растровый слой области крыши ( energyPerm2_slope65_RoofArea ), созданный ранее, и используйте kr_building.shp в качестве слоя многоугольника для расчета в качестве слоя зоны. Убедитесь, что вы рассчитываете статистику суммы.

2. На вашем строительном слое - щелкните правой кнопкой мыши Открыть таблицу атрибутов

3. Или используйте идентификатор, чтобы щелкнуть интересующее вас здание (полигон), чтобы увидеть статистику, которую вы только что рассчитали.

   Обратите внимание, что мы не будем рассматривать производительность солнечных панелей.

   

   Рис. 60 Карта освещенности на крышах зданий в Гетеборге

Набор данных Ковент-Гарден

Второй набор данных ГИС доступен для района Ковент-Гарден в Лондоне

1. Закройте данные Гетеборга (может быть проще всего полностью закрыть QGIS и заново открыть).
2. Скачать с 1
3. Добавить данные Ковент Гарден
4. Извлечь данные в каталог
5. Загрузите файлы растровых данных (DEM, DSM) (как вы делали раньше)
6. Тени

Вопросы для изучения с UMEP: SEBE

1. Используйте набор данных Гётеборга, учитывайте влияние растительности.
   • Каковы основные различия между двумя моделями в отношении поверхности земли и крыши?
   • В какой степени растительность влияет на крыши зданий?
2. Рассмотрим разницу между Лондоном и Гетеборгом. Вы можете запустить модель для разных времен года, изменив метеорологические данные, чтобы у файла был только интересующий период.
3. Для Ковент-Гарден определите потенциал солнечной энергии для конкретного здания в пределах области модели. Работа в группах, чтобы рассмотреть различные области. Какое влияние окажет моделирование домена меньшего / большего размера для этого здания? Определите возможности производства солнечной энергии для этого здания.

Рекомендации

• Goodwin NR, Coops NC, Tooke TR, Christen A, Voogt JA 2009: Характеристика городского покрытия поверхности и структуры с использованием технологии воздушного лидара. Can J Remote Sens 35: 297–309
• Линдберг Ф., Йонссон П., Хонжо Т., Вестберг Д. 2015: Солнечная энергия на ограждающих конструкциях - 3D-моделирование в 2D-среде. Солнечная энергия. 115, 369–378
• Ratti CF, Richens P 1999: анализ текстур в городах с использованием методов обработки изображений Proc CAADFutures99, Атланта, Джорджия

Авторы этого документа : Линдберг и Гриммонд (2015, 2016)

Авторы материала охвачены

• Гетеборгский университет: Фредрик Линдберг
• Университет Рединга: Сью Гриммонд
• Фоновая работа также поступает из: Великобритании (Ratti & Richens 1999), Швеции (Lindberg et al. 2015), Канады (Goodwin et al. 2009)

в хранилище UMEP вы можете найти код и сообщить об ошибках и другие предложения о будущих улучшениях.

подсказки

Метеорологический файл в UMEP имеет специальный формат. Если у вас есть данные в другом формате, есть Плагин UMEP, который может конвертировать ваши метеорологические данные в формат UMEP ,

• Плагин находится в UMEP> Предварительный процессор> Метеорологические данные> Подготовить существующие данные .

Плагин для визуализации данных в 3D: называется Qgis2Threejs ,

• Доступно для скачивания из официального хранилища плагинов -> Управление и установка плагинов.

Рис. 61 3D визуализация с Qgis2Threejs над монастырским садом

TIFF (TIF) и ASC - форматы файлов растровых данных. В левой части находится список слоев.

• Слой, который отмечен вверху списка, является видимым слоем. Если вы хотите увидеть другой слой, вы можете либо:

# * Снимите отметки с слоев над тем, который вас интересует и / или

# * Переместите интересующий вас слой в верхнюю часть списка, перетаскивая его.

Вы можете сохранить всю свою работу для разных областей в виде проекта, чтобы вы могли вернуться к ней в целом.

Вы можете изменить затенение и т . Д. на разных слоях.

• Щелкните правой кнопкой мыши имя слоя Свойства> Стиль> Singlebandpseudo цвет
• Выберите цвет, который вы хотите.
• группировать
• Многочисленные вещи могут быть изменены с этой точки.

Хранилище UMEP ,

Похожие

Комментарии