Exploring urban structure to approach energy optimization

Abstract

The concept of energy optimization in urban development has the potential to address many urban challenges besides local energy concerns. Past research has attempted to combine the cross-cutting issues of urban planning, energy planning, and local urban sustainability. The gaps that collectively remain in scientific progress necessitated the adaptation of different proposals for energy optimization in urban development. This study conceptualized the interrelationships of urban structure and energy aspects. It has established an integrated planning framework and drafted a simple decision support tool for urban professionals, especially in the local context of Dhaka, one of the fastest growing large cities in the developing countries. Taking both urban and neighborhood scale study units, explorative and empirical approaches have been adapted to conduct a spatial analysis on a large dataset of building structures and a systematic evaluation of the urban planning process. First, cell-based spatial analytics demonstrate that the urban development pattern has less CBD dependency and a more polycentric urban form, dominated by residential land use. Although very small, mixed use areas can facilitate energy-efficient urban development. The residential neighborhood structure was analyzed further — focusing on urban form, electricity consumption, working mobility, resident's lifestyle and renewable energy potential. In this research experience, the physical structure related indicators are possible to measure with minimum effort, but energy aspects are more difficult and need to be addressed by urban stakeholders. Second, the comprehensive urban planning process was evaluated after establishing a conceptual framework called the "EnUp" model. The findings suggest the adoption of the "EnUp" model is both possible and necessary for cities like Dhaka. Finally, the study results directed the design of a "eNoP-DHAKA" tool that could support energy-optimization in urban residential settlement development. The drafted tool demands further work to synthesize thresholds and generalizations in combination with more case studies; however, the methodological approach and research findings have great potential to explain many urban development and energy aspects. The quantification and visualization of a large-scale building structure dataset with the integration of open data could be effectively promoted urban decision-makers formulate better policy and strategies to decide "where to allow or encourage what". This research initiated a scientific discussion of approaches to energy-concerned urbanization especially in the context of one of the largest cities in the developing countries. The explorative insights evolved on urban spatial structure, workable conceptual framework, stakeholder's participation, renewable energy potential and a simple decision support tool for urban stakeholders.

Das Konzept der energieoptimierten Stadtentwicklung umfasst neben lokalen Energieproblemen viele weitere städtische Herausforderungen. Dabei werden die Querschnittsthemen der städtischen Planung und der Energieplanung mitlokaler Nachhaltigkeit bei der Stadtentwicklung verknüpft. Eine Frage, die insgesamt im bisherigen wissenschaftlichen Fortschritt offenbleibt ist, wie eine energieoptimierte Stadtentwicklung auf der kommunalen Ebene etabliert und verankert werden kann. Daher wird in dieser Arbeit eine verfeinere Raumanalyse der energetischen Wechselbeziehungen und ein Konzept für eine integrierte Planung in Entwicklungsländern entworfen. Darauf aufbauend wird im lokalen Zusammenhang von Dhaka, einer der am schnellsten wachsenden Großstädte ein einfaches Entscheidungshilfetool für städtische Fachleute in Entwicklungsländern entwickelt. Explorative und empirische Ansätze wurden adaptiert, um eine räumliche Analyse auf einem großen Datensatz von Gebäudestrukturen und einer systematischen Auswertung des städtebaulichen Planungsprozesses auf städtischer und Quartiersebene durchzuführen. Erstens demonstrieren zellbasierte Raumanalysen, dass die Stadtentwicklungsmuster weniger CBD Abhängigkeit besitzen und eine polyzentrischere städtische Form haben, die durch Wohnnutzung beherrscht ist. Obwohl es sehr wenige Gebiete mit Mischnutzung gibt, können diese eine energieeffiziente Stadtentwicklung erleichtern. Die Wohnquartiersstruktur wurde analysiert, wo beide städtische Form, der Elektrizitätsverbrauch, die Arbeitsbeweglichkeit, der Lebensstil des Einwohners und das erneuerbare Energiepotenzial berücksichtigt wurden. Durch diese Forschung war es möglich, mit minimalem Aufwand die physikalischen, strukturbezogenen Indikatoren zu messen. Energieaspekte sind jedoch schwieriger zu erfassen und müssen von städtischen Akteuren berücksichtigt werden. Zweitens wurde der umfassende städtische Planungsprozess nach einem Konzept, genannt das "EnUp" Modell, bewertet. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Adaption des "EnUp" Modells sowohl möglich als auch für Städte wie Dhaka notwendig ist. Schließlich helfen die Studienergebnisse, das "eNoP-DHAKA" Tool, das die energieoptimierte städtische Wohnansiedlungsentwicklung unterstützt, zu entwickeln. Das entworfene Tool bedarf weiterer Arbeit, um Grenzwerte und Generalisierungen in der Kombination mit mehr Fallstudien zu synthetisieren. Jedoch haben die methodologischen Annäherungs- und Forschungsergebnisse großes Potenzial, um viele Stadtentwicklungs- und Energieaspekte zu erklären. Die Quantifizierung und Visualisierung von einem großen Gebäudestrukturdatensatz mit der Integration von offenen Daten, könnte städtische Entscheidungsträger in der Politik bei der Entscheidung von Strategien "wo erlaubt man was zu fördern" unterstützen. Diese Forschung beginnt eine wissenschaftliche Diskussion über die Ansätze einer energiebezogenen Urbanisierung, vor allem im Zusammenhang mit einer der größten Städte in den Entwicklungsländern. Die explorativen Ergebnisse beziehen sich auf die urbane Raumstruktur, ein funktionsfähiges Konzept, die Beteiligung der Stakeholder, das Potential der erneuerbaren Energien und auf ein einfaches Entscheidungshilfetool für städtische Fachleute.