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Cross disciplinary confusion - how do you explain urban building models to a social scientist?
GEMDev is an inherently multi-disciplinary project with researchers from engineering, architecture and social science backgrounds as well as NGO partners working directly with marginalised communities in Lima and Ahmedabad. Although our goals are aligned, developing a shared understanding of the methods and tools we each use has been a vital step in the project to make sure we get the maximum benefit from each aspect. One of the biggest challenges within the team has been trying to move beyond casual references to “the model” to a deeper understanding of how that model is constructed and how its outputs can be made as useful as possible for the communities we are working with.

Worldwide, buildings are responsible for over one-third of global final energy consumption and nearly 40% of total direct and indirect CO2 emissions, figures which are continuing to rise.
Developing detailed plans to reduce emissions is a key priority for cities world-wide. While it is easy to work how to reduce emissions for an individual building, to generate solutions for a city of millions of buildings, cities need to:
  • Identify the key drivers for building energy consumption
  • Understand how a diverse stock of existing buildings can best be modified to reduce carbon emissions.
  • Evaluate the potential for renewable energy systems, where and how they can be best implemented
  • Identify the skills which are needed to deliver the transformation of the city’s buildings.
Building Energy Models use physics to calculate how much energy is used in a building for heating, cooling, lighting, cooking and powering equipment. How much energy is used depends on the needs and activities of the people using the buildings, the efficiency of the appliances they use, the climate outside the buildings, size, orientation and how good or bad the buildings are at retaining heat. Urban building energy models calculate the energy consumption of whole neighbourhoods or cities by evaluating the energy flows into and out of every building.
Urban Building Energy Models use large urban datasets to create models of all the buildings in the area they cover, using data about building age, use, location, size and orientation to calculate heat flows and energy consumption. Developing detailed models of all the buildings in even a small city can be a very time-consuming task. To deal with this, UCL have developed SimStock – a modelling platform which combines geometrical information about the size and orientation of buildings, with details about the materials used to construct them, the systems and equipment in them and the patterns of energy usage of their occupants. SimStock automatically generates inputs for each individual building and uses EnergyPlus, a state-of-the-art energy analysis and simulation programme to calculate energy flows. Energy consumption for a whole city can be calculated hour by hour together with internal temperatures which allows overheating risks to be assessed. So far SimStock has been used to develop models for parts of London, Ahmedabad, Beijing and Cahors.

Slums and informal settlements are rarely included in urban building energy models, largely because their energy consumption is low and their built environment is complex and hard to characterise, but these communities are typically the most vulnerable to impacts of climate change and least able to bear the costs, both of energy and adaptation, meaning planning for their needs is a critical issue. In addition, while the capacity of marginalised individuals to act to reduce emissions and increase climate change resilience is low, the collective capacity of communities is often underestimated. UBEMs offer the potential for communities living in these areas to benefit from identifying collective actions to reduce emissions, improve living conditions and develop the skills needed to effect the transformation.

Developing this shared understanding has taken considerable time for the project team, and there is much work still to be done to ensure that the information and tools we produce have the maximum impact for the communities they are based on.

An important first step in the modelling work will be moving beyond the simple representations of nuclear families that are typical in urban building energy models to capture the complexity and diversity of energy behaviours seen in the communities we are working with.
 
Confusión interdisciplinaria: ¿cómo explicar los modelos de construcción urbana a un científico social?
GEMDev es un proyecto inherentemente multidisciplinario con investigadores de perfiles específicosen ingeniería, arquitectura y ciencias sociales, así como ONGs asociadas que trabajan directamente con comunidades marginales en Lima y Ahmedabad. Aunque nuestros objetivos están alineados, desarrollar una comprensión compartida de los métodos y herramientas que cada uno de nosotros usamos; ha sido un paso vital en el proyecto para asegurarnos de obtener el máximo beneficio de cada aspecto. Uno de los mayores desafíos dentro del equipo ha sido tratar de ir más allá de las referencias usualesde “modelo” hacia una comprensión más profunda de cómo se construye ese modelo y cómo sus resultados pueden ser lo más útil posible para las comunidades con las cuales estamos trabajando.

A nivel mundial, los edificios son responsables de más de un tercio del consumo global de energía final y casi el 40% de las emisiones totales directas e indirectas de CO2, cifras que siguen aumentando.
Desarrollar planes detallados para reducir las emisiones es una prioridad clave para las ciudades de todo el mundo. Si bien es fácil trabajar en cómo reducir las emisiones de un edificio individual, para generar soluciones para una ciudad de millones de edificios, las ciudades deben:
  • Identificar los factores clave para el consumo de energía de los edificios.
  • Comprender cómo se puede modificar de mejor manera un conjunto diverso de edificios existentes para reducir las emisiones de carbono.
  • Evaluar el potencial de los sistemas de energía renovable, dónde y cómo se pueden implementar mejor.
  • Identificar las capacidades que se necesitan para lograr la transformación de los edificios de la ciudad.
Los modelos de energía de edificios utilizan la física para calcular cuánta energía se utiliza en un edificio para calentar, enfriar, iluminar, cocinar y alimentar equipos. La cantidad de energía que se usa depende de las necesidades y actividades de las personas que viven en los edificios, la eficiencia de los electrodomésticos que usan, el clima exterior de los edificios, el tamaño, la orientación y lo puntos positivos o negativos que existen enlos edificios para retener el calor. Los modelos energéticos de edificios urbanos calculan el consumo de energía de barrios o ciudades enteras evaluando los flujos de energía que entran y salen de cada edificio.
Los Modelos Energéticos de Edificios Urbanos (MEEU) utilizan grandes conjuntos de datos urbanos para crear modelos de todos los edificios en el área que cubren, utilizando datos sobre la antigüedad, el uso, la ubicación, el tamaño y la orientación de los edificios para calcular los flujos de calor y el consumo de energía. Desarrollar modelos detallados de todos los edificios, incluso en una ciudad pequeña, puede ser una tarea que requiere mucho tiempo. Para hacer frente a esto, UCL ha desarrollado SimStock, una plataforma de modelado que combina información geométrica sobre el tamaño y la orientación de los edificios, con detalles sobre los materiales utilizados para construirlos, los sistemas y equipos en ellos y las pautas de uso de energía de sus ocupantes.SimStock genera automáticamente entradas para cada edificio individual y utiliza EnergyPlus, un programa de simulación y análisis de energía de última generación para calcular los flujos de energía. El consumo de energía para toda una ciudad se puede calcular hora por hora junto con las temperaturas internas, lo que permite evaluar los riesgos de sobrecalentamiento. Hasta ahora, SimStock se ha utilizado para desarrollar modelos en varias zonas de Londres, Ahmedabad, Beijing y Cahors.

Los barrios marginales y los asentamientos informales no se incluyen en los modelos energéticos de los edificios urbanos generalmente, en gran parte porque su consumo de energía es bajo y su entorno construido es complejo y difícil de caracterizar, pero estas comunidades suelen ser las más vulnerables a los impactos del cambio climático y menos capaces de soportar los costos asociados, tanto de energía como de adaptación, lo que significa es que la planificación de sus necesidades es un tema crítico. Además, si bien la capacidad de las personas marginadas para actuar para reducir las emisiones y aumentar la resiliencia al cambio climático es baja, la capacidad colectiva de las comunidades a menudo se subestima. Las MEEUofrecen el potencial para que las comunidades que viven en estas áreas se beneficien de la identificación de acciones colectivas para reducir las emisiones, mejorar las condiciones de vida y desarrollar las capacidades necesarias para llevar a cabo la transformación.

Desarrollar este entendimiento compartido ha llevado un tiempo considerable para el equipo del proyecto y aún queda mucho trabajo por hacer para garantizar que la información y las herramientas que producimos tengan el máximo impacto en las comunidades en las que se basan.

Un primer paso importante en el trabajo de modelación será ir más allá de las representaciones simples de familias nucleares que son típicas en los modelos energéticos de edificios urbanos para capturar la complejidad y diversidad de los comportamientos energéticos que se observan en las comunidades con las que estamos trabajando.
 
Can all dimensions of energy use patterns be represented?
Energy use patterns in human settlements around the world are complex. Growing evidence on how people use and consume energy shows that energy use patterns cut across the public/private, work/home, past/future, needs/aspirational boundaries. In increasingly uncertain times, people’s energy use is contingent on social, political, technological, environmental and economic changes around them. Based on our ongoing research in Ahmedabad (India) and Lima (Peru), we have identified the following five dimensions of energy use patterns that we consider as difficult to represent. The challenge of representing these social dimensions of energy patterns in technologically driven planning tools, such as UBEMs, remains open for further exploration.

1. Work-home hybrids
In many informal settlements worldwide, residents run small industries and businesses from their homes (1–3). For instance, people sell grocery from their households for additional income. Others sew cloths, prepare food for large industrial food processing companies, run pottery workshops from their houses, among other things. On the one hand, segregating the energy use for household and work purpose is methodologically challenging. On the other hand, work-home hybrid patterns are difficult to represent in planning tools due to the lack of clarity between where the home ends and work begins.

2. Social and economic use of communal spaces
People often use communal spaces for various collective activities, be they for social or economic needs. For example, many residents in Lima use communal kitchens to provide sustenance to their families, particularly in the times of crises such as the COVID pandemic. Likewise, people share communal spaces for study, community meetings, community festivals etc. In settlements such as Dharavi, residents also run industrial and commercial activities, such as communal laundry or waste segregation industry in open spaces. All these communal spaces require sharing energy throughout the year in varying quantities as per the need of the activity. The contingency and ephemerality of these communal activities pose a challenge to representing them in planning tools that are often static representations of the cities.

3. Gendered energy practices
Energy consumption is highly influenced by people’s identity markers – such as gender. Research has shown that energy is differently used by men and women in many human settlements in the global South (2,4,5). Men, for instance, are often away from home during the day for work in many societies. If the work is in the house, men would not necessarily engage in activities such as cooking. Alternatively, women often engage in cooking as well as carry out some work to support household incomes. Such gendered patterns of household economy and the associated energy use and consumption patterns remain hidden from household and building level energy plans.

4. Fuel switching
Many poor households use traditional unprocessed solid fuels such as wood, animal dung, agricultural waste, coal, despite their documented negative effects on health (6). Through the global and national governmental push towards clean and modern forms of energy, residents are required to switch their use of fuels. This fuel switching requires significant rearrangement of people’s lives, established power relations, supply chains and micro-level economies of fuel. These changing patterns of energy use and their associated impact on people’s lives goes often unrecognised due to methodological challenge to represent social impact of fuel switching.

5. Aspirations
Ultimately, given energy’s central role in our lives, people’s aspirations are closely linked to their use of energy and vice a versa(7,8). For instance, in contexts where people don’t have a legal title to their land and house, people’s desire to live comfortably leads towards buying air conditioning rather than investing in durable construction materials for the house. Such aspirations are fleeting, contingent and they often change. Given their ephemeral character, they remain difficult to represent in planning tools.

To respond to these challenges, we are conducting remote participatory research to capture people’s energy use and consumption patterns. These patterns will be documented through qualitative narratives and we plan to create vignettes and archetypes from these narratives. We will use the vignettes and archetypes as inputs into the Urban Building Energy Models (UBEMs). Are there other energy use and consumption patterns that present peculiar challenge for representing in planning tools? Are there other methods through which these dynamic energy use patterns can be represented in UBEMs? We look forward to exploring these questions further through research and conversations.
References:
1. Saglio-Yatzimirsky M-C. Dharavi : from mega-slum to urban paradigm. 1st ed. London: Routledge; 2013. 379 p.
2. Sunikka-Blank M, Bardhan R, Haque AN. Gender, domestic energy and design of inclusive low-income habitats: A case of slum rehabilitation housing in Mumbai, India. Energy Res Soc Sci. 2019;49(August 2018):53–67.
3. Gupte R, Shetty P, Mishra R, Mayadeo A, Jalindre A, Shenvi A, et al. Typologies and Beyond: Slum Settlement Studies in Mumbai [Internet]. Mumbai; 2010 [cited 2018 Dec 12]. Available from: https://critmumbai.files.wordpress.com/2011/10/slumtypologies1.pdf
4. Bartiaux F, Vandeschrick C, Moezzi M, Frogneux N. Energy justice, unequal access to affordable warmth, and capability deprivation: A quantitative analysis for Belgium. Appl Energy. 2018;225(December 2017):1219–33.
5. Feenstra M, Özerol G. Energy justice as a search light for gender-energy nexus: Towards a conceptual framework. Renew Sustain Energy Rev. 2021;138(November 2020).
6. Van Der Kroon B, Brouwer R, Van Beukering PJH. The energy ladder: Theoretical myth or empirical truth? Results from a meta-analysis. Renew Sustain Energy Rev. 2013;20:504–13.
7. Healy N, Barry J. Politicizing energy justice and energy system transitions: Fossil fuel divestment and a “just transition.” Energy Policy. 2017;108(November 2016):451–9.
8. Shirani F, Parkhillb K, Butler C, Groves C, Pidgeon N, Henwood K. Asking about the future: methodological insights from energy biographies. Int J Soc Res Methodol. 2016;19(4):429–44.
 
¿Se pueden representar todas las dimensiones de los patrones de uso de energía?
Los patrones de uso de energía en los asentamientos humanos de todo el mundo son complejos. La creciente evidencia sobre cómo las personas usan y consumen energía muestra que los patrones de uso de energía atraviesan los límites entre público / privado, trabajo / hogar, pasado / futuro, necesidades / aspiraciones. En esos tiempos cada vez más inciertos, el uso de energía de las personas depende de los cambios sociales, políticos, tecnológicos, ambientales y económicos que los rodean. Basándonos en nuestra investigación en curso en Ahmedabad (India) y Lima (Perú), hemos identificado las siguientes cinco dimensiones de patrones de uso de energía que consideramos difíciles de representar. El desafío de representar estas dimensiones sociales de los patrones energéticos en herramientas de planificación promovidas por la tecnología, como los modelos energéticos de edificios urbanos (UBEM), permanece abierto para una mayor exploración.

1. Híbridostrabajo-hogar
En muchos asentamientos informales de todo el mundo, los habitantes manejan pequeñas industrias y negocios desde sus hogares (1–3). Por ejemplo, las personas venden comestibles desde sus hogares para obtener ingresos adicionales. Otros cosen telas, preparan alimentos para grandes empresas industriales procesadoras de alimentos, dirigen talleres de alfarería desde sus casas, entre otras cosas. Por un lado, segregar el uso de energía para el hogar y el trabajo es metodológicamente desafiante. Por otro lado, los patrones híbridos trabajo-hogar son difíciles de representar en las herramientas de planificación debido a la falta de claridad entre dónde termina el hogar y comienza el trabajo.

2. Uso social y económico de los espacios comunes
Las personas a menudo utilizan los espacios comunes para diversas actividades colectivas, ya sean para necesidades sociales o económicas. Por ejemplo, muchos habitantes de Lima usan ollas comunes para brindar sustento a sus familias, particularmente en tiempos de crisis como la pandemia de COVID. Asimismo, las personas comparten espacios comunes para estudiar, tener reuniones comunitarias, celebrar festivales comunitarios, etc. En asentamientos como Dharavi en India, los habitantestambién realizan actividades industriales y comerciales, como lavandería comunal o industria de separaciónde residuos en espacios abiertos. Todos estos espacios comunes requieren compartir energía durante todo el año en cantidades variables según la necesidad de la actividad. La contingencia y lo efímero de estas actividades comunales plantean un desafío para representarlas en herramientas de planificación que a menudo son representaciones estáticas de las ciudades.

3. Prácticas energéticas de género
El consumo de energía está muy influenciado por los marcadores de identidad de las personas, como el género. Las investigaciones han demostrado que hombres y mujeres utilizan la energía de manera diferente en muchos asentamientos humanos en el Sur global (2, 4, 5). Los hombres, por ejemplo, a menudo, están fuera de casa durante el día para trabajar. Si el trabajo es en la casa, los hombres no necesariamente participan en actividades como cocinar. Alternativamente, las mujeres a menudo se dedican a cocinar y realizan algún trabajo para mantener los ingresos del hogar. Estos patrones de género de la economía familiar y los patrones de uso y consumo de energía asociados permanecen ocultos de los planes energéticos a nivel de los hogares y los edificios.

4. Cambio de combustible
Muchos hogares pobres utilizan combustibles sólidos tradicionales sin procesar como madera, estiércol de animales, desechos agrícolas, carbón, a pesar de sus efectos negativos documentados sobre la salud (6). A través del impulso gubernamental mundial y nacional hacia formas de energía limpias y modernas, los habitantesdeben cambiar su uso de combustibles. Este cambio de combustible requiere una reordenación significativa de la vida de las personas, relaciones de poder establecidas, cadenas de suministro y economías de combustible a nivel micro. Estos patrones variablesde uso de energía y su impacto asociado en la vida de las personas a menudo pasan desapercibidos debido al desafío metodológico de representar el impacto social del cambio de combustible.

5. Aspiraciones energéticas
En última instancia, dado el papel central de la energía en nuestras vidas, las aspiraciones de las personas están estrechamente vinculadas a su uso de la energía y viceversa (7,8). Por ejemplo, en contextos donde las personas no tienen un título legal sobre su tierra y casa, el deseo de las personas de vivir cómodamente resulta en comprar aire acondicionado en lugar de invertir en materiales de construcción para la casa. Tales aspiraciones son fugaces, contingentes y con frecuencia cambian. Dado su carácter efímero, siguen siendo difíciles de representar en las herramientas de planificación.

Para responder a estos desafíos, estamos llevando a cabo una investigación participativaremota para capturar los patrones de uso y consumo de energía de las personas. Estos patrones se documentarán a través de narrativas cualitativas y planeamos crear viñetas y arquetipos a partir de estas narrativas. Usaremos las viñetas y arquetipos como elaboraciones en los Modelos Energéticos de Edificios Urbanos (UBEM). ¿Existen otros patrones de uso y consumo de energía que presentan un desafío peculiar para representar en las herramientas de planificación? ¿Existen otros métodos a través de los cuales estos patrones dinámicos de uso de energía se pueden representar en UBEM? Esperamos seguir explorando estas preguntas a través de investigaciones y conversaciones.