一种城市微气候对建筑能耗影响的研究方法

作者；张毅

   对于人为因素引起的局地气候如城市气候，目前人们通过研究其成因和影响机制，可在一定程度上加以调节，但在实践中受城市历史格局、社会、经济等多种因素的制约，使得在整个城市尺度上进行系统地改造和控制还相当困难。而对于小尺度空间内的微气候（例如街区尺度），人们可在很大程度上依靠各种人工手段加以影响和调节，这也是规划设计人员所关心的且具备较强可操作性的气候尺度。本文关注的范畴是城市微气候（街区尺度，0.1~1km）对单体建筑能耗的影响。已有研究表明，街区的空间布局与几何特征、下垫面热物性、绿化以及人类活动等多种因素均对城市微气候有影响，进而直接或间接地对建筑能耗及室内热环境产生重要影响。因此，在当前大力发展绿色建筑和建设生态城市的大背景下，如何结合规划设计手段来改善城市微气候，进而降低建筑能耗和提高室内外环境质量已成为规划设计领域的一个重要方向。研究城市微气候对建筑能耗的影响可以为规划设计提供科学依据和建议。研究方法主要有两类：一类为基于实验的研究；一类为模拟研究。本文分别对这两类研究的进展进行综述。

1  实验研究

  基于实验的研究可分为两种：一种是对城市微气候进行实测，然后将实测数据直接作为建筑能耗模型的气象边界条件进行计算；一种是基于城市微气候实测数据建立回归预测模型，再与建筑能耗模型相结合进行计算。

1.1  直接基于实测数据

  Santamouris M，等将雅典市区和郊区30个气象站以及10个街谷的气温实测值输入到建筑能耗软件TRNSYS中进行模拟，发现市区房屋的冷负荷几乎是郊区的一倍，空调用电峰值可达3倍，空调器最低能效可下降25%，而冬季由于城市热岛效应市中心建筑的供暖负荷比郊区低30%。KolokotroniM，等将伦敦市中心和周边农村地区观测的气温输入到能耗软件3TC中分析夏季城市热岛对办公建筑冷负荷的影响，结果表明农村地区的冷负荷为市区的84%。田喆将天津市区不同位置一年时长的气温观测数据输入到EnergyPlus中进行建筑能耗计算。结果显示：办公建筑和住宅建筑的空调能耗分别增加了17. 5%和10. 2%，而供暖能耗则分别下降了6. 2%和4.3%。

1.2间接基于实测数据

  Kruger EL，等利用置于室外的城市街谷缩尺模型研究了干热气候条件下蒸发对街谷热环境的影响，建立了街谷空气温度经验预测模型，并将预测模型与建筑能耗模型IDA ICE相结合分析了街谷微气候对建筑冷负荷的影响。结果表明：相对于无蒸发水槽工况，10%~20%地面面积的蒸发水槽可使街谷气温降低1~3℃，对于不同几何形态的街谷可使建筑冷负荷下降23%~85%。该研究没有讨论街谷空气湿度变化对冷负荷的影响。

  Wong N H，等将基于新加坡长期实测数据建立的城市空气温度经验预测模型STEVE tool与能耗软件TAS相结合，分析了不同环境配置（建筑、路面和绿化）对建筑冷负荷的影响。结果表明：采用合适的环境配置，可使空气温度下降0.9~1.2℃，进而使建筑冷负荷下降5%~10%。Chan A根据香港夏季热岛强度实测数据对当地典型气象年数据进行修正，然后利用EnergyPlus分析对建筑空调能耗的影响，结果显示热岛效应使空调能耗上升约10%。

1.3实验研究小结

  上述研究的相关成果及特点总结如下：

  1)城市气候及微气候对建筑供暖空调能耗有显著影响，但在不同地区、不同背景气候条件下对建筑能耗的影响差异明显，同一背景气候条件下对不同类型建筑的影响也不同。

  2)多数研究关注的是城市尺度热岛现象对建筑能耗的影响，较少研究关注街区尺度微气候和单体建筑周围微气候对建筑能耗的影响。

  3)绝大部分研究只分析了空气温度这一气候要素对建筑能耗的影响，而没有涉及其他微气候因子。这可能是因为相较于空气温度，其他微气候要素（例如风速、长波辐射）更易受局地环境影响，空间差异性大，难以获得有代表意义的观测数据。

  4)以上研究均只观测了室外气候，缺乏同一时期的建筑实际能耗数据。

  上述实验研究加深了人们对城市气候与建筑能耗之间关系的理解，发现了一些规律和特点，对城市规划和建筑设计有一定的指导作用。但需要指出的是，城市气候和建筑能耗的影响因素众多，各因素相互作用、相互影响，实验研究难以厘清各因子的具体作用。此外，实验研究得出的规律或经验模型受当地环境以及观测期间背景气候条件的影响大，通用性较差。近年来，随着计算机性能的不断提升，数值模拟技术已成为定量预测和评价城市微气候对建筑能耗影响的重要研究手段。

2模拟研究

要预测和评价城市微气候对建筑能耗的影响，首先是要能够对城市微气候进行预测，然后是要能够定量评价微气候对建筑能耗的影响。这涉及到两个不同的系统——城市微气候系统和建筑能耗系统，前者属于城市气候学研究范畴，后者属于建筑热工学研究范畴。各自领域的研究人员分别建立了相应的模拟工具：城市微气候模型和建筑能耗模型。表1总结了两类模型的特点。

  城市微气候模型的主要分析领域是室外空间，建筑热过程及建筑系统在此类模型中通常被忽略或大幅简化。建筑能耗模型则致力于分析建筑动态热过程及建筑系统，但所采用的气象数据通常来源于位于郊区的气象站或机场，无法反映建筑周围环境的影响。因此一些研究尝试将城市气候或微气候模型与建筑能耗模型相结合来分析微气候对能耗的影响。根据所采用的气候模型可分为：1）基于非计算流体力学类模型；2）基于计算流体力学( Computational Fluid Dynamics．CFD)类模型。

2.1  基于非CFD类模型

  研究者采用的非CFD类模型主要包括对街区进行不同程度简化的城市冠城模型( Urban CanopyModel)和能反映街区具体几何特征的三维街区模型。城市冠层是指地面到城市建筑物平均高度这一空间。城市冠层模型的尺度介于中尺度与街区尺度之间。城市冠层模型不描述街道及建筑的具体几何形状，而是通过对城市冠层进行参数化描述来分析冠层内的物质和能量变化过程。Salamanca F，等开发了一个建筑能耗模型，并将其整合到城市冠层模型中。其中，城市冠层模型提供室外空气温湿度和到达建筑表面的辐射通量作为能耗模型的边界条件，能耗模型则将建筑表面温度和建筑排热（通风及空调）反馈给冠层模型用于室外热平衡计算。该模型不对单体建筑进行具体描述，而是用理想建筑模型（矩形盒子）替代，该理想模型代表了所在城区所有建筑的一般特征。与实测数据对比显示，该模式较好地再现了城市通量以及建筑与室外环境的相互作用。Bueno B，等将城市冠层模型TEB与EnergyPlus及自主开发的简化建筑能耗模型分别进行耦合。TEB模型将城市下垫面简化为路面、墙面、屋面3种表面，通过组合一系列任意朝向的相同街谷来近似城市冠层的物理特性。为适应冠层模型，耦合方案在建筑能耗模型中均采用典型理想建筑模型，无法对具体建筑单体进行描述分析。Bueno B，等基于热网络法建立了一个城市冠层气候与建筑能耗的整体分析模型，该模型的最大特点是其简单性和高计算效率。Virk G，等利用社区尺度气象模型ADMS T&H分析了伦敦某街区绿化屋顶和冷屋顶对微气候的影响，并结合EnergyPlus在全年尺度上分析对供暖空调能耗的影响。该气象模型主要考虑用地类型及地表物性变化的影响，不具体描述街区的几何特征。Flor F S，等发展了一个城市街谷模型，然后将模拟结果输出给建筑能耗模型来研究街谷微气候的影响。该街谷模型考虑了街谷内路面、水体、植被以及两侧建筑等因素对街谷微气候的影响，但由于大幅简化了街谷两侧的建筑，因此不适用于实际复杂城市环境中的微气候模拟。刘京，等在日本九州大学开发的一维城市热岛计算模型AUSSSM的基础上改进开发了城市局地一建筑耦合气候评价模型。该模型由局地气候模块、建筑热湿负荷计算模块、太阳辐射计算模块等部分组成。模型将不规则的城市建筑布局简化为整齐的四方形建筑群，考虑了不同类型下垫面的热效应，实现了建筑与室外微气候的双向动态耦合。田玮建立了光伏街谷系统模型PTEBU。该模型包含了光伏组件的热电性能子模型、建筑能耗子模型和城市冠层能量平衡子模型，能够模拟光伏组件对街谷微气候和建筑能耗的影响。

  以上研究所采用的气候模型的共同特点是基于简化的城市空间形态进行分析：城市被抽象为由许多街谷构成，街谷走向在各方向上的可能性相等，街谷两侧建筑具有相同的高度和宽度且均为平屋面。这些模拟方法能够计算典型街谷形态下的室内空气、建筑围护结构、地面、街谷内及上方大气之间的热平衡过程，但对城市空间形态、建筑外形及内部状况进行了大幅简化，因此不适用于实际城市环境中具体建筑与其周围微气候相互作用的分析。

  一些研究尝试将能反映街区具体几何特征的气候模型与建筑能耗模型相结合。Gros A，等将辐射模型、三维街谷模型和能耗模型进行整合。该方案能够描述街谷及建筑的具体几何特征，对于空气流动和建筑热过程则分别采用了计算效率较高的区域模型法和反应系数法。该方案可评价全年尺度街谷微气候对建筑能耗的影响。Allegrini J，等通过将街谷建模为中庭，成功利用了TRANSYS 17的三维辐射模型来计算街谷辐射环境，建筑外表面对流换热系数则基于经验关系式确定，通过上述方法实现了全年尺度街谷微气候对建筑能耗影响的评价。Yaghoobian N，等建立了一个三维“建筑一冠层”一体化模型TUF-IOBES来模拟建筑与城市微气候之间的相互作用。该模型具有以下特点：1）能够考虑背景气象条件、室外微气候、室内热扰、空气渗透、建筑及下垫面的几何形态、构造和热物性、HVAC系统、建筑排热等一系列因素；2）实现了建筑与室外微气候的双向动态耦合，例如建筑排热对街谷气温的影响及随后的反作用；3）由于该模型中的城市微气候子模型TUF3D [21]采用了非CFD方案（经验方法）来计算各表面与大气之间的对流换热，对计算资源要求不高，从而可实现全年尺度的模拟分析。该模型已被用于研究街区表面不同反射率时对微气候及建筑能耗的影响。He J，等基于3D-CAD平台发展了一个高分辨率(0.1~0.4 m)的室内外热环境相互作用分析工具，该工具主要考虑太阳辐射和长波辐射这两个微气候要素，对室外空气温度分布和空气流场进行了简化（假定室外空间各处气温和风速相同）。Kruger E，等应用能耗模拟工具IDA ICE分析了不同尺寸及走向的街谷形式对建筑冷负荷的影响，考虑的微气候因素为太阳辐射和风

速（非基于CFD）。Kesten D，等将采光照明分析软件Raiance、Daysim与EnergyPlus相结合，分析了不同城市空间形态对建筑的照明和供暖空调能耗的影响。

2.2  基于CFD类模型

  一系列基于CFD的软件已能够对建筑室外热环境进行模拟，从而可与能耗模型结合起来分析城市微气候对建筑能耗的影响。Han S G，等将三维微气候软件ENVI-met计算的48 h空气温湿度输入气象数据生成工具中插值为整月逐时气象数据，然后输入到TRNSYS中计算首尔某街区景观改造后空气温湿度的变化对建筑冷负荷的影响。Hsieh C，等将CFD软件Windperfect与EnergyPlus进行耦合来研究建筑空调排热引起的气温升高对空调负荷的反馈影响。该方法首先基于EnergyPlus原始气象文件计算空调排热量，然后将此排热量代人Windperfect中计算建筑周围空气温度的分布，最后再将气温计算值输入到EnergyPlus中重新计算空调负荷。结果显示，台北夏季典型气象条件下空调排热的升温影响可导致空调耗电量增加10. 7%。Bouyer J，等将CFD软件Fluent与自主开发的SOLENE模型耦合来评价建筑周围微气候对建筑能耗的影响。SOLENE模型由城市表面辐射模块和基于热网络法的能耗模块组成。Fluent采用背景气象数据的逐时空气温湿度、风速风向作为来流边界条件。在每个计算时间步，Fluent传递建筑外表面对流换热系数、建筑周围空气温湿度给SOLENE用于建筑热平衡计算，而SOLENE则输出表面温度、植物吸收的热辐射通量和自然地表的水汽通量给Fluent用于下垫面与大气之间的热湿交换计算。Yi C Y，等将ENVI-met的模拟结果作为DesignBuilder(内核为EnergyPlus)的气象边界条件来分析微气候对能耗的影响。

黄媛将CFD软件STAR-CD、SOLENE模型、Coupled simulation模型相结合研究了我国夏热冬冷地区街区尺度的空间形态对建筑太阳能效和供暖空调负荷的影响。研究主要考虑了太阳辐射和风这两个微气候要素，其中SOLENE模型用于分析街区各表面的日照时间和天空视角系数，Coupledsimulation模型用于计算建筑外表面太阳辐射得热和供暖空调负荷，STAR-CD用于模拟街区风环境。研究未涉及空气温湿度等微气候因子，也未考虑路面、水体、植被等因素的影响。陈卓伦将ENVI-met与能耗软件EQUEST相结合研究了住区微气候对空调能耗的影响。模拟方法如下：第一步，基于统计学方法对当地典型气象年( TMY)数据进行分析，确定各月的典型气象日；第二步，将典型气象日的气象参数作为ENVI-met的边界条件进行小区微气候模拟；第三步，将典型气象日微气候模拟结果输入到气象数据生成软件METEONORM中插值成全年逐时微气候典型气象年( Micro-TMY)数据，然后输入到EQUEST中进行能耗计算。该方法提出了基于客观指标的典型气象日选取方法，实现了全年尺度小区空气温湿度对建筑能耗影响的定量评价。杨小山在BCVTB软件环境中建立了耦合模块用以传递ENVI-met模拟的建筑周围微气候作为EnergyPlus的气象边界条件。耦合方案如图1所示，为单向离线耦合。针对ENVI-met无法进行长时间尺度（数月到全年）微气候模拟的问题，引入了客观天气分类方法和神经网络集成预测技术，建立了长时间尺度微气候对建筑能耗影响的模拟方法。

2.3模拟研究小结

表2对上述模拟研究从考虑的微气候要素、时间尺度、气候模型、能耗模型以及耦合方式等方面进行了总结。表中耦合方式参照了Djunaedy E对于涉及多领域建筑耦合模拟方式的定义：外部耦合是指城市微气候与建筑能耗分别由不同的程序模拟，通过数据交换实现耦合；内部耦合是指城市微气候模型与能耗模型被集成在一个单独的程序中进行计算；单向耦合是指仅考虑城市微气候对建筑能耗的影响，不考虑建筑排热对微气候的反作用；双向耦合是指考虑了微气候与建筑能耗的相互作用。

  上述模拟研究的特点总结如下：

  1)建筑周围的空气温湿度、空气流场、太阳辐射和长波辐射通量等微气候要素均对建筑能耗有影响，然而现有大部分研究只考虑了部分微气候要素的影响（以空气温度和太阳辐射因素最受关注），这在一定程度上影响了结论的参考价值。例如，有研究显示，建筑周围微气候要素中的长波辐射和空气湿度也对建筑负荷有着不可忽略的影响。

  2)从模拟的时间尺度来看，基于非CFD类气候模型的方案较易实现长时间尺度（一个月以上）的模拟分析，而基于CFD类气候模型的方案大多仅在短时间尺度上（数小时或几天）进行。这主要是由于两者在计算资源要求和计算速度上的巨大差异所造成。非CFD类模型对计算资源要求不高，计算速度快；而CFD类模型则相反，目前还只能在短时间尺度上进行微气候模拟。

  3)基于CFD类气候模型的研究中，有3例实现了长时间尺度的分析，分别为文献[26]、[31]和[32]。三例均采用了间接方法来预测长时间尺度的微气候：文献[26]和[31]是将短时间尺度的空气温湿度模拟数据通过气象数据生成工具插值成长时间尺度数据，而文献[32]则是基于神经网络预测技术。

  4)从对街区和建筑的描述能力来看，城市冠层模型对城市空间形态进行了大幅简化，这些模型可用于规律性和趋势性分析，但无法应用于实际街区或具体规划设计方案。

  5)上述研究采用的建筑能耗模型有两类：一类为已有的成熟能耗软件；一类为自主开发的能耗模型。两者各有利弊：成熟能耗软件已经过长时间发展，功能完善，结果可靠，但在与城市微气候模型的链接上存在很多困难和局限（因为由不同团队开发）；自主开发的能耗模型可根据拟用的微气候模型进行设计和编程，两者融合程度高，但完善度和可靠度相对较低。

  6)由于城市微气候系统和建筑能耗系统均为高度复杂的非线性系统，同一研究者很难在这两个领域均开发出成熟的模型，因此上述研究大多采用外部耦合的方式，即城市微气候与建筑能耗分别由不同的程序模拟，两者之间通过数据交换实现耦合，且多为单向耦合，即只考虑微气候对能耗的影响。

3  总结与展望

  通过以上对国内外实验研究和模拟研究的回顾分析，提出以下探讨性观点：

  1)亟需加强城市微气候对建筑能耗影响的模拟方法研究。实验研究显示城市微气候对建筑供暖空调能耗有显著影响，但由于影响因素众多，各因素之间相互作用、相互影响，单靠实验研究难以厘清各因素的具体作用及相互关系，因此需要发展相应的模拟方法来进行系统地分析研究。

  2)模拟方法研究应综合考虑全微气候要素的影响。建筑周围的空气温湿度、空气流场、辐射环境（长短波）均对建筑能耗有影响，而现阶段绝大部分研究只考虑了部分微气候要素的影响，影响了结论的参考价值。

  3)建立城市微气候与建筑能耗的动态双向耦合模拟体系是发展方向。城市微气候与建筑能耗相互影响、相互作用，而目前大部分研究所采用的单向离线耦合方案与实际物理过程存在偏差。

  4)应加强长时间尺度模拟方法的研究。实践中设计人员不只需要了解典型或极端气象条件下的建筑负荷，也需要分析全年或整个空调供暖季的负荷。因此，对于微气候对建筑能耗的影响，也需开展相应时间尺度的预测评价，但目前已有的长时间尺度模拟方法仍不够完善和缺乏验证。

  5)应加强面向规划设计实践软件的开发。这一领域软件的开发需注意以下几个方面：a）一体化——将微气候模型与建筑能耗模型进行集成．b）易用性——在不影响计算准确性的前提下尽量简化建模和参数定义的复杂度；c）计算速度——建立与不同规划设计阶段相匹配的计算方案（例如基于非CFD类气候模型可用于方案设计阶段，基于CFD类模型可用于详细设计阶段）。

6)城市气候与建筑能耗相互作用这一交叉领域的研究前景光明，但城市气候和建筑能耗系统均十分复杂，各自领域的研究者难以单独解决所有问题，双方应加强交流与合作，共同迎接挑战。

4[摘要]建筑所在地的局地微气候对建筑能耗有着重要影响，通过改善室外微气候来降低建筑能耗和提高室内环境质量已成为城市规划和建筑设计领域的一个重要方向。研究城市微气候与建筑能耗的相互作用关系可以为规划设计提供科学依据和建议。本文分别从实验研究和模拟研究两个方面详细回顾了城市微气候对建筑能耗影响的研究进展，分析总结了目前该领域研究的特点与不足，最后对迫切需要解决的问题和未来发展的方向进行了探讨。