AI在大規(guī)模減少商業(yè)建筑能源和碳排放方面的潛力 | 最新研究

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50088-4

據(jù)該論文介紹，人工智能已成為一種提高生產力和改善生活質量的技術。然而，其在建筑節(jié)能和碳減排方面的作用尚未得到系統(tǒng)研究。該論文究評估了人工智能在建筑領域的潛力，重點關注美國的中型辦公樓。研究者開發(fā)了一種方法來評估和量化潛在的減排量，并確定的關鍵因素是設備、占用影響、控制和操作以及設計和施工。

研究表明，人工智能可以降低成本溢價，提高能源效率和凈零建筑滲透率。采用人工智能可以在 2050 年減少能源消耗和碳排放約 8% 至 19%。與 2050 年一切如常的情景相比，結合能源政策和低碳發(fā)電可以減少約 40% 的能源消耗和 90% 的碳排放。

研究背景介紹

氣候變化是過去和當前幾個世紀的關鍵主題和挑戰(zhàn)。世界許多地區(qū)都經歷過洪水和熱浪等極端天氣事件，近年來這些事件發(fā)生得更加頻繁。為限制全球變暖，《巴黎氣候協(xié)定》設定了通過減少能源消耗和碳排放將全球變暖控制在 1.5°C 以內的目標¹。世界各國政府已經制定了雄心勃勃的氣候目標來實現(xiàn)這一目標。例如，美國的目標是到 2030 年將溫室氣體 (GHG) 污染在 2005 年的水平上減少 50-52%²，中國宣布了³二氧化碳排放在 2030 年前達峰的行動計劃，歐盟則提議到 2030 年將溫室氣體排放量削減到 1990 年水平的至少 55% 以下⁴。

與此同時，自 1950 年以來，全球城市人口經歷了快速增長。2018 年，全球約 55% 的人口居住在城市地區(qū)。根據(jù)聯(lián)合國的預測，到 2050 年，這一數(shù)字預計將增加到 68%⁵。由于這種快速的城市化，將有大量新建筑。到 2060 年，全球建筑存量預計將翻一番，這相當于在未來 40 年內每月建造一整座紐約市⁶。

根據(jù)美國能源信息署 (EIA) 的數(shù)據(jù)，2011 年建筑行業(yè)占美國一次能源消耗的 39%⁷。因此，為了支持能源效率和碳減排目標，研究建筑至關重要。

隨著計算機技術的快速發(fā)展，人工智能（AI）正越來越多地應用于不同的領域和應用。它“解決通常與人類智能相關的復雜認知問題，例如學習、解決問題和模式識別”⁸。截至 2020 年 2 月，已有 50 個國家宣布了國家人工智能戰(zhàn)略⁹。

人工智能已廣泛應用于不同的應用領域，例如計算機視覺、機器人技術、自然語言處理和機械。最近，它還被用于提高建筑、交通和工業(yè)部門的能源效率和減少碳排放。一些熱門的研究方向包括智能控制、系統(tǒng)診斷、占用行為、負荷預測和需求響應。

然而，人工智能在建筑中的節(jié)能潛力尚未得到徹底了解?，F(xiàn)有文獻主要關注建筑性能的特定方面，如建筑設計、施工、運行和控制；研究表明，潛在的節(jié)能范圍很廣，從2 %到60 %不等。此外，仍然缺乏量化人工智能節(jié)能的系統(tǒng)和標準方法。如何最好地利用人工智能來減少建筑物的能源消耗和碳排放的機制也不清楚。

建筑物是一個復雜的系統(tǒng)，具有數(shù)千個組件，例如墻壁、窗戶、暖通空調和照明系統(tǒng)。建筑施工通常涉及規(guī)劃、分析、開發(fā)和施工，每個步驟都需要大量的知識、投資和勞動力。建筑施工往往對建筑工人的健康和安全構成潛在威脅。人工智能有可能降低施工過程各個階段的成本、減輕風險并提高健康和福利^。

此外，建筑物居住者與建筑組件之間的相互作用是非線性的，很難使用傳統(tǒng)的基于規(guī)則的控制算法捕捉。借助深度學習和強化學習等先進的人工智能算法，人工智能模型本身可以從運營數(shù)據(jù)中學習，并利用持續(xù)的實時數(shù)據(jù)自我進化，以優(yōu)化目標函數(shù)并提高性能。

高效建筑的未來如何？人工智能如何影響建筑設計？如果我們假設人工智能將實施能源效率的成本降低 5%，那么可以獲得多少額外的能源和碳效益？

該研究的目標不是專注于特定的人工智能技術，而是探索人工智能對大規(guī)模提高商業(yè)建筑能源效率和減少碳排放的潛在影響。此外，研究旨在提出一種系統(tǒng)方法，可用于量化人工智能在商業(yè)建筑以外的各種建筑類型中帶來的好處。該研究系統(tǒng)地解耦和評估單個建筑生命周期內理論上的最大節(jié)能潛力；并通過開發(fā)節(jié)能技術采用和建筑存量建模來量化人工智能的大規(guī)模影響。

更多詳情，參見該研究論文：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50088-4

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