DOI: https://doi.org/10.1038/s40494-025-02186-9
تاريخ النشر: 2026-01-03
المؤلف: Kaixuan Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة التراث الثقافي والحفاظ عليه
نظرة عامة
تقدم البحث إطار عمل لنمذجة الطاقة في المباني الحضرية (UBEM) مصمم لمعالجة تحديات الأداء الطاقي التي تواجه المباني الحضرية التاريخية مع احترام قيود الحفاظ على التراث. مع التركيز على منطقة ووكينغ رود التاريخية في شنغهاي، تصنف الدراسة المباني إلى أربعة مستويات حماية، كل منها يسمح بدرجات متفاوتة من التدخلات التحديثية. تشير النتائج إلى أنه، على الرغم من القيود التنظيمية، يمكن تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة، مع تخفيضات تصل إلى 31% في طلب التبريد، و53% في التدفئة، و25% في استخدام الكهرباء على مستوى المباني، مما يعكس اتجاهات مماثلة عبر المنطقة.
هذا الإطار يدمج بشكل فعال نمذجة الطاقة الكمية مع التقييمات النوعية لقيمة التراث، مما يوفر أداة قابلة للتكرار للمخططين الحضريين وصانعي السياسات. يسهل اتخاذ القرارات المستندة إلى الأدلة والحساسة للسياق، مما يساهم في النقاش الأوسع حول إدارة التراث المستدام والحاجة إلى التحول الحضري المستجيب للمناخ.
مقدمة
تعتبر منطقة ووكينغ رود، الواقعة في منطقة الامتياز الفرنسي السابقة في شنغهاي، حيًا تاريخيًا مشهورًا بتراثه الكوزموبوليتاني وأنماطه المعمارية المتنوعة، بما في ذلك النهضة الفرنسية، والمتوسطية، وآرت ديكو. تمتد هذه الشارع المليء بالأشجار على طول 1.18 كم، ويضم العديد من المباني من أوائل القرن العشرين، مع اعتراف رسمي بـ 37 منها كمواقع تراث ثقافي. تعكس المنطقة تطور شنغهاي كمدينة دولية، وتحمل أيضًا روايات تاريخية هامة، حيث كانت موطنًا لشخصيات بارزة مثل الكتاب والسياسيين والعلماء. في عام 2011، تم تصنيف ووكينغ رود كواحدة من الشوارع التاريخية والثقافية الوطنية في الصين، مما أدى إلى فرض لوائح صارمة للحفاظ على المباني والمشهد المحيط بها، بما في ذلك أشجار الطائرة الأيقونية.
على الرغم من أهميتها التاريخية، تظل ووكينغ رود مساحة حضرية نابضة بالحياة، حيث تم إعادة استخدام العديد من المساكن التاريخية كمقاهي ومتاجر ومعارض، مما يوضح تراثًا حيًا ديناميكيًا يلبي احتياجات المجتمع المعاصر. أدت هذه الاستخدامات التكيفية إلى أنماط إشغال متنوعة وملفات استخدام الطاقة، مما يثير اعتبارات هامة بشأن هوية المكان وسط التغيرات الحضرية السريعة. وبالتالي، تقدم منطقة ووكينغ رود فرصة فريدة للتحقيق في التفاعل بين تحديث الطاقة والحفاظ على التراث، مما يجعلها دراسة حالة مثالية لفهم هذه الديناميكيات المعقدة في سياق حضري.
الطرق
في هذا القسم، يقدم المؤلفون إطارًا منهجيًا يهدف إلى تحقيق التوازن بين تحديث الطاقة والحفاظ على التراث في المناطق الحضرية التاريخية، باستخدام منطقة ووكينغ رود كدراسة حالة. تستند الطريقة إلى نمذجة الطاقة في المباني الحضرية (UBEM) ومصممة لدمج قيود الحفظ بشكل منهجي في عملية التحديث.
تشمل المنهجية عدة مكونات رئيسية: تبدأ بخلفية سياقية تضع الأساس للدراسة، تليها تقنيات جمع البيانات ومعالجتها اللازمة للتحليل الفعال. علاوة على ذلك، يقوم المؤلفون بتطوير إطار تدخل متدرج يصنف تصنيفات حماية التراث، مما يسمح باستراتيجيات تحديث مصممة خصيصًا تحترم الأهمية التاريخية للمباني مع تعزيز كفاءتها الطاقية. تهدف هذه الطريقة المنظمة إلى توفير حل قوي وقابل للتكيف للمخططين الحضريين والمحافظين على التراث على حد سواء.
النتائج
تقدم نتائج هذه الدراسة تحليلًا شاملاً لمحاكاة كفاءة الطاقة التي أجريت على المباني التاريخية في منطقة ووكينغ رود، مع التركيز على الأداء الطاقي في الظروف الحالية وسيناريوهات التحديث المحتملة. تكشف النتائج عن تباينات كبيرة في استهلاك الطاقة عبر خمس فئات رئيسية لاستخدام المباني – الإدارية، والتجارية، والصناعية، والمكتبية، والمنزلية – كل منها يظهر ملفات طلب طاقة مميزة تتأثر بمستويات حماية التراث الخاصة بها. من الجدير بالذكر أن المباني التجارية والصناعية تهيمن على فئة الهياكل المحمية، بينما تتوزع المباني المنزلية بشكل أكثر توازنًا عبر مستويات الحماية. تقوم الدراسة بتفكيك كثافة استخدام الطاقة (EUI) إلى استخدامات التبريد والتدفئة والكهرباء، مما يوفر فهمًا تفصيليًا لسلوك الطاقة داخل المنطقة التراثية.
تشير التحليلات إلى أن المباني غير المنزلية، وخاصة الصناعية والتجارية، لديها قيم كثافة استخدام طاقة تبريد كبيرة (50.75 كيلوواط ساعة/م² و36.49 كيلوواط ساعة/م²، على التوالي)، مما يعكس مساحاتها الأكبر ومتطلبات التشغيل. في المقابل، تظهر المباني المنزلية كثافة استخدام طاقة تدفئة أعلى (25.78 كيلوواط ساعة/م²)، مما يبرز عدم كفاءة أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في البيئات السكنية. تؤكد النتائج على ضرورة وجود استراتيجيات تحديث مستهدفة، خاصة للمباني المنزلية، لتحسين الأداء الطاقي مع الالتزام بقيود الحفظ. بشكل عام، تؤكد الدراسة على فعالية الإطار المنهجي المقترح في التقاط أنماط استخدام الطاقة وتبرز أهمية التدخلات الطاقية المحددة حسب الوظيفة لتعزيز أداء المباني دون المساس بالنزاهة الثقافية.
المناقشة
في هذه الدراسة، يتم الحصول على بيانات المباني الحضرية من منصات جغرافية مفتوحة المصدر، باستخدام تقنيات نظم المعلومات الجغرافية (GIS) لاستخراج السمات المورفولوجية الرئيسية مثل مساحة المبنى وارتفاعه من صور الأقمار الصناعية عالية الدقة. يتم تصنيف المباني باستخدام نظام تصنيف من مستويين، استنادًا إلى معيار تصنيف استخدام الأراضي الصيني، حيث يتم تصنيف المباني إلى أنواع منزلية وعامة وصناعية، مع دمج البيانات الجغرافية الكبيرة والمدخلات المستندة إلى الحشود. لضمان جودة البيانات، يتم تطبيق عتبات لاستبعاد الهياكل غير المنتظمة، ويتم إجراء تحقق يدوي. يتم معالجة مجموعة البيانات النهائية باستخدام أدوات QGIS وPython، مما يمكّن من نمذجة الطاقة الديناميكية باستخدام برنامج EnergyPlus لالتقاط التغيرات الموسمية في الأداء الطاقي.
تؤسس البحث أيضًا إطارًا منظمًا لتحديث المباني التاريخية، يوازن بين الحفاظ على الطاقة وحماية التراث. يتكون هذا الإطار من ثلاث مراحل: إعداد البيانات، وتصنيف المباني بناءً على مستويات حماية التراث، وتقييم أداء استراتيجيات التحديث. من خلال تصنيف المباني وفقًا لحالتها في الحفظ، تتماشى الدراسة مع تدابير التحديث مع القيود التنظيمية، مما يضمن أن التدخلات تحترم الأهمية التاريخية للهياكل. تشير النتائج إلى أن استراتيجيات التحديث المستهدفة يمكن أن تقلل بشكل كبير من كثافة استخدام الطاقة (EUI) عبر أنواع المباني المختلفة، مع ملاحظة أكبر التحسينات في المباني الأقل تقييدًا. توضح هذه الطريقة إمكانية التدخلات الطاقية الفعالة داخل المناطق التاريخية مع الحفاظ على الحساسية لقيم التراث، مما يساهم في التحول الحضري المستدام.
DOI: https://doi.org/10.1038/s40494-025-02186-9
Publication Date: 2026-01-03
Author(s): Kaixuan Wang et al.
Primary Topic: Cultural Heritage Management and Preservation
Overview
The research presents an Urban Building Energy Modelling (UBEM) framework designed to address the energy performance challenges faced by historic urban buildings while respecting heritage conservation constraints. Focusing on the Wukang Road historic district in Shanghai, the study categorizes buildings into four protection levels, each allowing varying degrees of retrofit interventions. The findings indicate that, despite regulatory restrictions, significant energy savings can be achieved, with reductions of up to 31% in cooling demand, 53% in heating, and 25% in electricity usage at the building level, reflecting similar trends across the district.
This framework effectively integrates quantitative energy modeling with qualitative assessments of heritage value, providing a replicable tool for urban planners and policymakers. It facilitates context-sensitive, evidence-based decision-making, thereby contributing to the broader discourse on sustainable heritage management and the need for climate-responsive urban transformation.
Introduction
The Wukang Road area, located in Shanghai’s former French Concession, is a historic neighborhood renowned for its cosmopolitan heritage and diverse architectural styles, including French Renaissance, Mediterranean, and Art Deco. Spanning 1.18 km, this tree-lined avenue features numerous early 20th-century buildings, with at least 37 formally recognized as cultural heritage sites. The area not only reflects Shanghai’s evolution as an international metropolis but also carries significant historical narratives, having housed notable figures such as writers, politicians, and scientists. In 2011, Wukang Road was designated as one of China’s National Historic and Cultural Streets, leading to stringent preservation regulations that protect both the buildings and the surrounding streetscape, including the iconic plane trees.
Despite its historical significance, Wukang Road remains a vibrant urban space, with many historic residences repurposed as cafés, boutiques, and galleries, illustrating a dynamic living heritage that meets contemporary community needs. This adaptive reuse has resulted in varied occupancy patterns and energy usage profiles, raising important considerations regarding place identity amid rapid urban changes. The Wukang Road area thus presents a unique opportunity to investigate the interplay between energy retrofitting and heritage conservation, making it an ideal case study for understanding these complex dynamics in an urban context.
Methods
In this section, the authors present a methodological framework aimed at balancing energy retrofitting with heritage conservation in historic urban districts, specifically using the Wukang Road area as a case study. The approach is grounded in Urban Building Energy Modeling (UBEM) and is designed to systematically integrate conservation constraints into the retrofitting process.
The methodology encompasses several key components: it begins with a contextual background that sets the stage for the study, followed by detailed data acquisition and processing techniques necessary for effective analysis. Furthermore, the authors develop a tiered intervention framework that categorizes heritage protection classifications, allowing for tailored retrofitting strategies that respect the historical significance of the buildings while enhancing their energy efficiency. This structured approach aims to provide a robust and adaptable solution for urban planners and conservationists alike.
Results
The results of this study present a comprehensive analysis of energy efficiency simulations conducted on historic buildings in the Wukang Road area, focusing on energy performance under current conditions and potential retrofit scenarios. The findings reveal significant variations in energy consumption across five primary building use categories—administrative, commercial, industrial, office, and domestic—each exhibiting distinct energy demand profiles influenced by their heritage protection levels. Notably, commercial and industrial buildings dominate the protected structure category, while domestic buildings are more evenly distributed across protection levels. The study disaggregates energy use intensity (EUI) into cooling, heating, and electricity end uses, providing a detailed understanding of energy behavior within the heritage district.
The analysis indicates that non-domestic buildings, particularly industrial and commercial, have substantial cooling EUI values (50.75 kWh/m² and 36.49 kWh/m², respectively), reflecting their larger spaces and operational demands. In contrast, domestic buildings show a higher heating EUI (25.78 kWh/m²), highlighting the inefficiencies of HVAC systems in residential settings. The findings underscore the necessity for targeted retrofit strategies, especially for domestic buildings, to improve energy performance while adhering to conservation constraints. Overall, the study validates the proposed methodological framework’s effectiveness in capturing energy use patterns and emphasizes the importance of function-specific energy interventions to enhance building performance without compromising cultural integrity.
Discussion
In this study, urban building data is acquired from open-source geographic platforms, utilizing Geographic Information System (GIS) technologies to extract key morphological attributes such as building footprint and height from high-resolution satellite imagery. A two-level classification system, based on the Chinese Land Use Classification Standard, categorizes buildings into domestic, public, and industrial types, integrating geospatial big data and crowdsourced inputs. To ensure data quality, thresholds are applied to exclude irregular structures, and manual verification is conducted. The final dataset is processed using QGIS and Python tools, enabling dynamic energy modeling with EnergyPlus software to capture seasonal variations in energy performance.
The research also establishes a structured framework for retrofitting historic buildings, balancing energy conservation with heritage protection. This framework consists of three stages: data preparation, categorization of buildings based on heritage protection levels, and performance evaluation of retrofit strategies. By categorizing buildings according to their conservation status, the study aligns retrofit measures with regulatory constraints, ensuring that interventions respect the historical significance of structures. The findings indicate that targeted retrofit strategies can significantly reduce energy use intensity (EUI) across various building types, with the most substantial improvements observed in less restricted buildings. This approach demonstrates the potential for effective energy interventions within historic districts while maintaining sensitivity to heritage values, thereby contributing to sustainable urban transformation.