综述：建筑被动策略对未来城市气候变化的适应性

《Nexus》：Climate Adaptability of Building Passive Strategies to Changing Future Urban Climate: A Review

本文综述建筑被动节能策略在全球气候变化（GCC）和城市热岛（UHI）影响下的适应性，指出研究不足并提出方向。

　　

引言

建筑是温室气体（GHGs）的主要排放源，其能源消耗占全球总量的 34%，二氧化碳（CO2?）排放量占全球的 37%，对加速全球气候变化（GCC）影响重大。在城市地区，建筑能源消耗因城市热岛效应（UHI）而加剧，既加剧了气候变化，又使其自身更容易受到城市气候转变的影响。城市建筑部门（UBS）涉及城市区域内房屋和建筑的建设、供暖、空调和照明等所有能源方面，是城市环境友好型政策制定的关键因素。GCC 和 UHI 共同作用会导致局部气候极端化，对人类健康、能源消耗和城市发展产生深远影响。

本研究旨在探讨建筑节能策略在 GCC 和 UHI 影响下的气候适应性挑战，并为未来城市建筑被动节能策略的可持续性提供前瞻性视角。通过对相关学术作品的文献计量分析发现，研究主要围绕气候变化和城市热岛效应展开，且近年来对城市化影响和适应策略的关注日益增加。

建筑被动节能策略通常指通过围护结构元素和建筑设计来提高建筑能源性能的措施，如建筑朝向、围护结构材料、自然通风、屋顶、遮阳、绿化等；而主动建筑系统则用于照明、电气设备、供暖、通风和空调等。被动系统作为建筑的 “气候界面”，对未来城市气候的变化更为敏感和脆弱，但目前对 GCC 和 UHI 对被动节能策略的影响及其相互作用的研究较少。

全球气候变化和城市热岛

近年来的研究表明，GCC 和 UHI 的影响会导致局部气候极端化。GCC 会增加热浪的频率、强度和持续时间，而 UHI 效应会使城市地区的热量积聚，进一步加剧这一现象。热浪和 UHI 共同作用会升高城市极端温度，增加能源需求、环境压力和健康风险。

多种因素会影响城市气候，如人为热释放、热传导率、植被覆盖等。城市表面反照率降低，使城市表面吸收更多太阳辐射；混凝土和沥青铺设的增加提高了热传导率，导致热量吸收增加和夜间冷却减缓；城市化使绿地的遮阳和蒸发蒸腾的冷却效果减弱；不透水路面加剧了雨水径流，阻碍了城市炎热时期的蒸发冷却；人口和工业活动的增加也导致城市热释放增加。

GCC 和 UHI 的相互作用对城市气候有多层次的影响。UHI 增加城市能源消耗，尤其是在热浪期间，对冷却的需求增加会引发温室气体排放增加的循环，从而加剧 GCC；GCC 引起的温度变化会降低冷却系统的效率，增加能源需求以补偿室内热舒适的变化和 UHI 的恶化；GCC 引发的热浪会加剧 UHI，影响健康、能源供应和舒适度。此外，GCC 和 UHI 对城市绿地的相互作用研究相对较少，其对植物生长的影响可能会影响冷却效益，进而加剧或缓解 UHI。

虽然人们对 GCC 和 UHI 的协同效应认识不断提高，但对其相互作用的深入分析较少，将这些不同效应结合起来进行综合城市气候预测十分重要。局部极端温度对建筑能源性能的影响最为直接和可量化，而风速、湿度和太阳辐射等其他气候因素的未来变化模式仍高度不确定。

变化中的城市气候下的建筑能源需求

GCC 和 UHI 的复杂相互作用对城市地区的建筑能源消耗有显著影响。随着城市温度因全球和局部效应而上升，了解建筑物在这些变化条件下的能源消耗情况，对制定有效的气候适应策略至关重要。

在不同地区的研究中，加拿大预计未来冷却能源使用强度（EUI）将增加 15% - 126%，加热 EUI 将减少 18 - 33%；土耳其估计到 2050 年，冷却能源使用将增加 25% - 75%，过热时间将增加 50% - 200%；瑞士的极端条件可能使冷却需求的峰值负荷增加高达 28.5%；在美洲地区、马来西亚等地，也有类似的冷却负荷增加的预测。在干旱地区，如中东和北非部分地区，不仅冷却需求增加，水 - 能源关系的挑战也加剧，传统蒸发冷却系统可能因水资源短缺而变得不可行。

总体而言，GCC 会增加全球大部分地区的冷却需求，减少加热需求，但不同地区和研究时期的影响程度和趋势存在差异。这受到气候建模和降尺度技术的方法差异、现有建筑能效等因素的影响。此外，气候变化还会对建筑能源消耗的峰值负荷和负荷变化性产生显著影响，增加了能源基础设施的挑战，导致电网稳定性和弹性面临风险。冷却季节的延长也会增加年度能源消耗。

UHI 对建筑加热和冷却负荷有显著影响，会增加城市气温，特别是在人口密集地区，加剧建筑冷却需求，减少被动冷却机会。同时，UHI 也会减少冬季的加热需求，但会对空气质量和公共健康产生不利影响，还可能导致加热基础设施的利用不足。

GCC 和 UHI 对建筑热负荷的影响复杂，因地理位置、经济发展、建筑设计和居住者行为而异。目前对两者耦合影响的评估存在不确定性和困难，需要可靠和稳健的方法来准确预测未来建筑能源需求。

评估气候对建筑影响的方法

建筑能源模拟（BES）是研究建筑在不同城市气候情景下能源性能的有用工具，但目前大多数采用 BES 方法的研究，通常只关注 GCC 或 UHI 对建筑能源使用的单独影响，对其协同影响的研究有限，且基于 BES 方法对 GCC 和 UHI 综合影响的未来气候预测较少。准确的未来建筑热或能源预测，依赖于为 BES 生成详细的未来天气数据。

为了量化 GCC 和 UHI 的影响，研究人员采用了各种降尺度技术，包括统计方法和动力方法。统计降尺度方法如变形技术计算效率高，但简化了气候系统之间的关系；动力降尺度方法引入了物理过程建模，但计算复杂且可能传递全球气候模型（GCM）的误差。两者结合（如偏差校正的区域模拟）通常能为建筑能源分析生成最合适的未来天气数据。

近年来，研究人员还引入了验证系统来加强对气候数据投影方法的验证。验证方法在分析 UHI 和 GCC 的综合影响时至关重要，有助于检测降尺度方法中的潜在偏差，选择合适的 GCM，并合成未来代表性年份（FRY）的数据。新兴的计算技术，如机器学习，正在重塑获取高分辨率和可靠未来气候预测的方式，有助于理解模型系统中的不确定性。

然而，由于 GCC 和 UHI 相互作用的复杂性，其对建筑能源需求和建筑被动节能策略适应性的耦合影响研究更少。明确 GCC 和 UHI 之间的关系，对于选择合适的技术生成天气数据，以进一步研究城市建筑能源性能和被动节能措施的效率至关重要。

对被动节能策略的影响

为了使城市建筑在能源效率方面更能被动地抵御和适应 GCC 和 UHI 的影响，近期研究越来越关注变化的城市气候对被动节能策略的影响，以及这些策略对城市建筑能源性能的影响。

现有研究存在地理和类型学上的偏差，约 70% 的研究集中在发达国家和地区，55.2% 集中在住宅建筑。不同气候区，GCC 和 UHI 对各种被动节能策略的影响差异显著。

在围护结构保温方面，在温带气候区，增强保温和反射材料至关重要，但在某些地区，增加墙体保温可能会增加冷却需求，且可能存在过热风险。

自然通风在未来气候中的潜力因地区而异，在地中海地区，夏季通风可能减少，过渡季节通风可能增加，但城市温度上升会带来挑战。在一些地区，高气密性对节能很重要。

表面策略如遮阳装置和绿色基础设施也提供了适应途径，但效果因地区而异。在某些城市，遮阳措施影响较小，而在其他地区，凉爽屋顶和遮阳的好处得到提倡，但低辐射窗户的有效性存在争议。对于绿色围护结构策略，由于 GCC，绿色屋顶植物物种选择可能需要变化。

目前的研究存在一些关键差距。地理和类型学上的偏差限制了对被动策略在不同城市环境中有效性的理解；气候投影方法存在不足，常依赖过时的排放情景，对 UHI 效应考虑不足；对 GCC 和 UHI 对被动节能策略的联合或耦合影响研究不足；在建筑设计初期纳入被动节能考虑的研究较少，如建筑朝向、形状、窗墙比和平面布局等因素对建筑热力学有重要影响，但研究较少。

被动节能措施的反馈影响

当建筑实施被动节能方法时，会产生反馈影响，影响城市环境和气候系统。这些措施与建筑的运行特征，与气候条件形成动态的双向关系，导致区域气候模式的改变。

例如，研究发现窗墙比（WWR）和外立面反射率在调节城市街道峡谷的平均辐射温度（MRT）中起重要作用；城市表面反照率的增加可以降低环境空气温度，减少全球CO2?排放；绿色基础设施和高反照率表面可以降低城市空气温度；太阳能面板、绿色屋顶和凉爽屋顶等措施可以减轻城市热岛效应，降低冷却能源需求。

然而，目前大多数研究采用不同的城市气候模型，分析直接影响城市微气候和建筑能源消耗的措施，对围护结构保温等措施对当地城市气候或全球气候的反馈影响研究不足。同时，在连接建筑层面能源性能和更广泛气候影响的方法上存在挑战，城市气候建模和全球气候模型在尺度上存在差距。现有研究还存在地理偏差，主要集中在发达国家和中国经济发达地区。

未来研究应更多地关注将建筑被动节能策略与城市规划相结合，以减轻 UHI 并为全球气候做出积极贡献。这需要采用多方面的方法，包括优化建筑设计、利用自然通风、调整 WWR、使用凉爽材料和先进的绿色基础设施等。先进的模拟技术和人工智能辅助决策，有助于实现建筑与室内外城市气候 “界面” 的智能调节，使建筑不仅能被动适应天气条件，还能积极促进城市气候适应性。

结论

GCC 和 UHI 与城市建筑能源效率之间的关系复杂。城市化对 GCC 和 UHI 有影响，同时也受到它们的影响，这给调节局部气候极端化和提高城市建筑能源性能的气候适应性带来了巨大挑战。

建筑能源模拟方法在评估城市建筑的气候响应方面有效，但大多数研究通常单独考虑 GCC 和 UHI。UHI 和 GCC 相互关联并影响建筑能源性能，但在反映两者综合影响的不同降尺度方法比较，以及评估它们对城市建筑能源性能的动态影响方面，研究存在不足。准确估计 GCM 中的偏差，需要反映 GCC 和 UHI 耦合影响下当地气候趋势的高分辨率天气数据，这需要跨学科合作和先进的建模技术。

在被动节能策略研究方面，存在对发展中国家研究不足、依赖过时排放情景、对 UHI 影响考虑不充分、在建筑设计初期对被动节能因素研究少、对建筑围护结构其他属性关注不足等问题。现有研究在讨论局部被动节能措施有效性的同时，大型气候模型往往忽视了这些干预措施的精细性质，且研究存在地理和类型学偏差。

未来需要制定综合考虑 GCC 和 UHI 影响的建筑设计和城市规划策略，将被动节能策略纳入城市规划和建筑设计中，并根据不同的微气候进行调整。应鼓励使用先进的、适合当地的气候模型，确保准确的城市气候预测。城市需要促进跨学科合作的政策，以实现全面的解决方案，未来的政策制定应更多地依赖当前城市气候研究的科学发现，拓宽对建筑围护结构和被动节能策略的研究范围，以更好地理解其对城市气候的影响。