一份数字地图指引通往零净排放，途径纽约州北部 - 彭博社
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伊萨卡的绿色新政承诺该市将在2030年前使其建筑库完全脱碳 — 这是一个艰巨的任务。
摄影师：Bruce Yuanyue Bi/The Image Bank RF2019年，纽约州伊萨卡的立法者决定在2030年前消除或抵消所有碳排放，成为美国第一个设定如此雄心勃勃的全球变暖基准的城市。
随后，他们启动了1亿美元的计划，资助大规模的市政气候防护工作。
这使得这个拥有3万人口的学院城镇在纽约州芬格湖地区面临一个巨大的实际挑战：如何在短短几年内大规模地脱碳成千上万栋建筑 — 这些建筑占据了大量排放量的一部分？
当伊萨卡绿色新政计划启动时，附近康奈尔大学的两位建筑学教授，Felix Heisel和Timur Dogan，意识到他们有一个可以帮助的工具 — 使用机器学习创建的地图，估算了整个城市每栋建筑的改造成本和未来电网负荷。
多甘，负责运营康奈尔大学的环境系统实验室，多年来一直在开发软件，使建筑师能够量化建筑物的能源消耗和碳足迹。海塞尔，领导着康奈尔大学的循环建筑实验室，致力于理解在考虑材料库存和包埋碳时，碳中和到底意味着什么。这对学者联系了城市，并提供他们的技术作为将伊萨卡的大胆目标转化为行动的方式。这张地图将对伊萨卡确定其电气化优先事项和资金分配至关重要；如果成功，这项技术可以扩展到帮助各种类型的城市大规模应对建筑物脱碳。
“首先翻新哪些建筑？哪些建筑消耗能源最多？哪些建筑是最容易翻新的？”多甘描述了他希望他的软件能回答的问题。
现有技术可以相当容易地做到这一点 — 但一次只能处理一个建筑物。这忽略了一个很大的机会，多甘说。“当你在这些规模上工作时，可能存在协同效应。比如，如果你以某种方式将建筑物分组，或者如果建筑物业主合作分享像地热钻孔这样的投资成本。”
这就是多甘和海塞尔的新能源建模地图 — 城市的“数字孪生” — 发挥作用的地方。
对于伊萨卡的小型建筑物，屋顶的坡度对太阳能电池板的可行性有很大影响。图片由康奈尔大学提供伊萨卡镇建立于19世纪初，是康奈尔大学和伊萨卡学院的所在地，拥有大约8,000座建筑物，从尖端的大学研究设施到一排排老旧的希腊复兴风格住宅。Dogan表示，在地图上模拟具有如此多独特建筑物轮廓的情景很快就会遇到计算可行性的障碍。因此，他们的地图的关键在于将相似的空间和建筑属性聚类。
例如，Dogan的数据集测量建筑物上的太阳辐射、内部空间类型（住宅或商业）以及建筑物的朝向。然后，他将这些相似之处缩小到可以在规模模拟中使用的数百种空间类型，从成千上万种独特组合中筛选出来。
“我们有点像把城市切成碎片，” Dogan说。
使所有这些成为可能的数据来自多个来源的结合，最终描绘出每座建筑物的图景。
Dogan和Heisel从伊萨卡市的市政能源使用数据开始。然后，他们叠加了来自美国能源部的大型数据集，根据年龄和位置有原型建筑物轮廓。这也有助于模拟空间内的居民行为和能源使用。
但海塞尔，他的循环建筑实验室研究从拆除建筑物中回收材料的环境益处，同时也对每栋建筑物的独特材料库存感兴趣，包括屋顶、墙壁、地基和窗户。因此，他正在利用城市的建筑许可数据集来了解每栋建筑物的建造情况。这有助于衡量翻新建筑的碳排放影响，以及旧材料再利用的潜力。
最后一步是构建每栋建筑物的3D几何结构，团队正试图利用Google街景和其他卫星图像来完成这一步骤。对于伊萨卡的小规模建筑物来说，这一步尤为重要，例如，屋顶的具体坡度决定了太阳能电池板的可行性。
最终目标是这些建筑物概况，以及地图本身，将成为一个实时模型。城市收集的新数据，或者建筑物业主验证的数据，可以在途中添加和更新。
“你不只是‘原型A’ — 你的建筑实际上在这里被建模了，”多甘说。“给我们提供信息，我们将把它们纳入模型中，使其更加准确。”
一个在线仪表板将允许伊萨卡市官员和居民模拟整个城市的能源和翻新方案。图片由康奈尔大学提供Dogan 和 Heisel 希望这个工具很快能走出实验室，进入公众的手中。他们正在建立一个仪表板，任何人都可以查看伊萨卡的地图，并了解该市的全球能源消耗，然后还可以放大到任何一个建筑物。
该界面将允许您选择一个建筑物，并应用各种假设情景。建筑物所有者可以看到哪些能源改进效果最显著，以及这些改进可能使他们达到碳中和的程度。市政官员可以对整个社区应用不同的政策，并模拟潜在影响。
对于习惯于为建筑师开发软件的 Dogan 来说，这是一个新的领域。但他认为这张新地图和仪表板是说服那些将使伊萨卡能源转型成为可能的利益相关者的关键部分。
“我们现在必须说服政客，我们必须说服社区，居住在建筑物中的人们。因此，我们需要一种更加简单的方式来传达这些数据，”Dogan 说。
在伊萨卡这个进步主义的飞地，这项任务可能会更容易完成，直到最近由 前市长 Svante Myrick 领导，他在 24 岁当选，并帮助 推动了该市于 2019 年的绿色新政承诺。Myrick 最近辞职，接受了 进步倡导组织 People For the American Way 的执行董事职位。
康奈尔大学校园俯瞰纽约手指湖地区的伊萨卡镇。摄影师：Education Images/Universal Images Group Editorial via Getty ImagesLaura Lewis，现任代理市长，表示管理层仍在努力解决电气化整个住房存量的许多细节问题，同时平衡居民的关切。
“我们不是在引入强制性规定。我们希望提供信息，让居民在市政府的支持下做出最佳决策，”Lewis说。
这些决策可能会很复杂。不仅是城市的大部分建筑物都很老 —— 市长的房子建于1885年 —— 而且据Lewis称，74%的居民是租户。
“我们非常清楚可能由业主承担的成本，包括大量的房东，并希望确保增加的成本不会转嫁给我们的租户。所以这是一个真正的挑战，”Lewis说。
更不用说更广泛的技术和环境考虑了。尽管康奈尔已经在可再生能源发电方面进行了多项投资，包括主要太阳能农场和利用附近卡尤加湖冷水进行校园空调的“湖源冷却”概念，纽约州的电网仍然有三分之二的容量来自燃气发电厂。核能和水力发电占据了另一大部分，而风能和太阳能仍然远远落后。（“北部电网”通常更清洁 —— 大部分可再生能源都是在那里发电的 —— 纽约市地区则严重依赖化石燃料发电。）
“我们当然希望朝着电气化方向发展，” 路易斯说。“关于电网、电网容量、电网的绿色程度等问题都是我们经常讨论的问题。”
有幸的话，多甘和海塞尔的地图可以帮助回答这些问题。