[论文解读] CBE Clima Tool: a free and open-source web application for climate analysis tailored to sustainable building design

Giovanni Betti, Federico Tartarini+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2022

Building Energy and Comfort Optimization被引用 9

一句话总结

CBE Clima Tool 是一款免费的开源网络应用程序，允许建筑师和工程师在无需编程或安装软件的情况下，分析和可视化来自 EPW 文件的气候数据。它提供交互式可视化功能，包括温湿图、UTC I 和自然通风潜力图，支持高质量、可下载的 SVG 图形，助力可持续的气候适应性建筑设计。

ABSTRACT

Buildings that are designed specifically to respond to the local climate can be more comfortable, energy-efficient, and with a lower environmental impact. However, there are many social, cultural, and economic obstacles that might prevent the wide adoption of designing climate-adapted buildings. One of the said obstacles can be removed by enabling practitioners to easily access and analyse local climate data. The CBE Clima Tool (Clima) is a free and open-source web application that offers easy access to publicly available weather files (in EPW format) specifically created for building energy simulation and design. It provides a series of interactive visualization of the variables therein contained and several derived ones. It is aimed at students, educators, and practitioners in the architecture and engineering fields. Since its launch has been consistently recording over 3000 monthly unique users from over 70 countries worldwide, both in professional and educational settings.

研究动机与目标

• 解决因气候数据获取受限和使用困难而造成的气候适应性建筑设计障碍。
• 为学生、教育工作者和从业者提供一个可访问、交互式的平台，用于分析本地气候数据，以支持可持续建筑的设计。
• 通过提供独立的、基于浏览器的解决方案并开源代码，克服封闭源代码、依赖插件的工具的局限性。
• 通过直观的可视化，使非技术用户能够理解复杂的气候指标，如 UTCI、PMV 和自然通风潜力。
• 通过确保跨平台可访问性、开放许可（MIT）以及可集成的输出格式（SVG、CSV），支持全球采用。

提出的方法

• 以公开的 EPW（EnergyPlus Weather）文件作为气候数据分析的输入。
• 使用基于 Python 的后端计算导出的指标，包括 UTCI（通用热气候指数）、PMV、PPD 和自然通风潜力。
• 通过基于网络的前端生成交互式、可自定义的可视化图表（例如温湿图、太阳路径图、温湿变化图）。
• 允许用户根据次级变量（例如无阳光或无风条件下的 UTCI）对数据点进行着色，以支持高级微气候分析。
• 所有可视化图表均以高质量 SVG 格式导出，采用 CC BY 4.0 许可，可在报告和演示中自由重用。
• 将该工具作为网络应用程序托管，用户可通过任意现代浏览器访问，无需安装软件或配置专用环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使非建筑与工程专业用户更易于获取和理解气候数据？
• RQ2 基于浏览器的开源工具在多大程度上能够提升对 UTCI 和自然通风潜力等复杂气候指标的访问能力？
• RQ3 一款免费的独立网络应用程序是否能有效替代或补充封闭源代码、依赖插件的气候分析工具在设计工作流程中的应用？
• RQ4 开源且采用 MIT 许可证的代码对学术与专业领域中的采用、贡献和集成产生了何种影响？
• RQ5 在单一界面中整合多种气候指数（如 UTCI、PMV、SET）如何支持可持续建筑的设计决策？

主要发现

• 自 2021 年 8 月发布以来，CBE Clima Tool 每月持续吸引来自 70 多个国家的超过 3,000 名独立用户。
• 该工具使用户无需编程或安装即可可视化复杂气候指标（如四种不同环境情景下的 UTCI，例如无阳光、无风条件）。
• 所有可视化图表均以交互式、高保真度的 SVG 格式生成，可在 CC BY 4.0 许可下自由下载和修改。
• 该工具通过直观的、无需代码的 EPW 数据交互方式，支持从设计教育初学者到资深从业者的广泛用户群体。
• 该工具的开源特性（采用宽松的 MIT 许可证）已促成全球范围的贡献，并成功集成到其他应用程序中。
• 平台能够实时计算并显示温湿关系与太阳几何数据，显著增强了其在被动式设计与热舒适性分析中的实用性。