[论文分享]Impact of urban wind environment on urban building energy: A review of mechanisms and mmodeling
📃 基本信息
[论文标题] 《城市风环境对城市建筑能耗的影响：机制与建模综述》
[期刊信息] Building and Environment (2023) | 作者: Pengyu Jie, Meifang Su, Naiping Gao, Yu Ye, Xiaoming Kuang, Jun Chen, Peixian Li, John Grunewald, Xiaoping Xie, Xing Shi
📌 一句话概括
本综述系统梳理了城市风环境影响建筑能耗的直接与间接机制及其在建筑和城市尺度模拟中的应用与挑战。
📚 深度总结
该综述论文旨在全面分析城市风环境（UWE）对城市建筑能耗（UBE）影响的机制和建模方法。研究背景指出，在全球变暖背景下，提高能源利用效率是绿色建筑和生态城市领域的重要课题，而建筑能耗占全球总能耗的比例高达32%-40%。UWE作为关键的微气候要素，对建筑能耗具有显著影响，但现有研究缺乏对其影响机制的系统综述。特别是在数值模拟工具中，UWE计算模块虽有发展，但对其与UBE的耦合和验证方法仍有不足。
本研究方法通过系统地回顾过去几十年的文献，总结了UWE对建筑能耗影响的机理、建筑尺度和城市尺度的模拟工具，以及这些工具的耦合与验证方法。文章首先阐述了UWE影响UBE的直接机制，包括：1) 影响建筑通风和渗透，进而影响采暖和制冷负荷（如，办公室建筑中13%的采暖负荷和4%的制冷负荷归因于空气渗透）；2) 改变建筑围护结构表面的对流换热系数（CHTC），影响传热。此外，还探讨了间接影响机制，如污染物扩散、使用者行为（如开窗可节约5%-30%能耗）、风致雨、城市热岛效应（UHI，可致制冷能耗增加19%）、城市绿色基础设施和行人风舒适。文章详细回顾了通风渗透模型（如LBL、COMIS、CONTAM）和CHTC模型（如McAdams、TARP、MoWiTT），指出传统CHTC模型计算UWE对能耗影响的不足。
在模拟工具方面，本综述详细介绍了建筑能耗模型（BEMs，如EnergyPlus、TRNSYS）和城市建筑能耗模型（UBEMs，如CityBES、UMI、CitySIM），以及微气候与计算流体力学（CFD）工具（如OpenFOAM、ENVI-met）。论文特别强调了UWE数据获取的时空异质性及其获取方法（数据集文件、实时气象数据、气候模型、CFD模拟）。文章深入剖析了UBEM与城市气象模型的耦合方式（单向/双向耦合），指出现有模型在UWE考虑方面的局限性（如CityBES通常仅分配TMY气象文件，无法精确反映局部微气候），并探讨了多尺度模型结合（如WRF与OpenFOAM耦合）在高精度UWE数据获取中的潜力。研究还定量分析了UWE对UBE模拟精度提升的案例，如考虑渗透效应可使采暖负荷降低1.4%。
本综述最后指出了当前面临的挑战：UWE数据获取与处理的准确性与计算速度之间的权衡，能量模型中UWE计算模块的改进，多尺度模拟工具的整合，以及UWE对UBE影响验证校准框架的缺失。论文提出了未来研究应关注的重点，包括开发适用于不同尺度的UWE数据获取流程、将CFD技术与能量模型计算步骤匹配、综合评估UWE的间接影响、优化UWE计算模块，以及从城市性能优化角度考虑UWE、UBE与城市形态的相互关系。
本速览仅作研究参考，不替代原文阅读。如需引用，请参考原论文。
🔍 要点追溯
- 研究方法: 系统性文献综述、理论分析、机制阐述、模拟工具与耦合方法总结
- 适用范围: 城市建筑能耗评估、绿色建筑设计、城市微气候研究、城市规划
- 使用工具: EnergyPlus, ESP-r, TRNSYS, CityBES, UMI, CitySIM, OpenFOAM, ENVI-met, WRF等
- 数据来源: 文献综述中提及的气象数据集(.ddy, .epw, .stat), 典型气象年(TMY)数据, 实时气象站数据, 全球/区域气候模型(GCMs, RCMs, UWG), CFD模拟数据, 建筑实测能耗数据, 能源报告
- 参考标准: ISO 13790, VDI 6007, ASHRAE (在讨论所综述的理论模型时提及)