全球空间制冷的能源需求是增长最快的终端用途之一，预计到2050年将增加两倍，占全球建筑总能源消耗的近20% [1,2]。这种指数级增长对电力基础设施提出了巨大挑战，特别是在发展中国家，那里的峰值制冷需求已经使基础设施不堪重负 [10]。国际能源署指出，空间制冷是全球能源战略中的一个关键缺失环节，影响能源安全、气候变化缓解和可持续发展目标 [3]。在炎热半干旱地区，当温度经常超过40°C时，机械制冷系统每年每平方米消耗125-180千瓦时的电能，占总建筑能源使用的60-75% [4,5]。在非洲和亚洲日益城市化的地区，这一挑战尤为严峻，目前有28亿人无法获得可持续的制冷解决方案，同时热应力也在增加 [6]。尼日利亚西北部就是一个例子，预计到2040年住宅制冷需求将增加五倍，除非实施需求侧干预措施，否则需要额外增加2.3吉瓦的发电容量 [7]。该地区的干燥季节温度超过40°C，并预计到2050年将升温2.5-4.2°C [8,9]。尽管在建筑优化方面的研究取得了显著进展，但在发展中国家应用气候响应型设计仍存在诸多障碍 [10,11]。多目标建筑设计优化方法，特别是Deb等人提出的非支配排序遗传算法II（NSGA-II）[12]，已成为在保持解决方案多样性的同时解决冲突目标的主要方法。最新应用表明，NSGA-II可以在保持热舒适度的同时实现15-25%的能源减排 [11,13]。Artmann等人 [14] 发现自然通风建筑的性能提高了10.2%，而Carlucci等人 [10] 发现某些设计能够实现超过90%的舒适小时数。然而，这些研究主要集中在富裕国家，因此在资源有限的环境中存在不足。
NSGA-II与Hwang和Yoon提出的TOPSIS（基于与理想解相似性的排序技术）[15] 的结合，产生了一种基于与理想解几何接近度的客观排名方法 [16]。Si等人 [17] 证明这种组合比单一目标方法高出20-30%的效率，而Delgarm等人 [18] 表明从NSGA-II生成的帕累托集中选择TOPSIS解决方案可以得到接近最优的解。尽管有这些进展，现有框架仍未能充分涵盖三个关键方面：(1) 大多数优化研究仅考察静态情景，忽略了气候变化对建筑使用寿命期间性能的影响 [19]，且很少结合降尺度的气候预测 [20,21]，尽管建筑通常可以使用50-100年 [22, [23], [24]；(2) 当前方法优先考虑单一目标或过于简化的权衡，而不是解决经济可行性、实施复杂性和长期性能的多目标框架 [25,26]，在资源有限的环境中财务考虑往往掩盖了优化的重要性 [18,27]；(3) 传统方法未能充分解决发展中国家的社会经济分层问题，需要针对不同的收入水平和文化偏好制定定制的解决方案 [2,28]。Ascione等人 [29] 在地中海气候区、Hamdy等人 [30,31] 使用TOPSIS进行解决方案选择、Harkouss等人 [32] 使用基于熵的加权方法都取得了进展，但这些研究均未将气候预测直接纳入发展中国家的优化过程。
使用CMIP6预测模型研究了气候变化情景下的被动冷却效果。Tebaldi等人 [33] 利用CMIP6气候模型的ScenarioMIP预测来评估建筑性能。将降尺度CMIP6数据纳入建筑能源建模，使研究人员能够评估数十年时间框架内的被动冷却适应性 [34, [35], [36]]。在肯尼亚，Olawale-Johnson等人 [37] 发现遮阳、绿色屋顶和反射涂层可以将温度降低3-4°C。在尼日利亚，Adaji等人 [38] 发现屋顶保温、反射材料和机械通风可以在类似尼日利亚西北部炎热半干旱气候的草原气候中将室内峰值温度降低4.8°C。国际研究揭示了半干旱地区的传统被动冷却系统及其当前应用。在埃塞俄比亚的炎热干旱地区，Hailu等人 [39] 发现使用厚热质量和合理通风的传统方法可以在低能耗下保持室内舒适度。在撒哈拉以南非洲，太阳能遮阳、更高的热质量和夜间通风可以将舒适度提高25–35% [40]。在埃及城市如开罗，传统的风捕集器、庭院设计和高反照率表面继续为可持续设计提供灵感 [41]，而在科威特，定向优化和先进的遮阳系统可以将冷却负荷减少30-40% [42]。拉贾斯坦邦和古吉拉特邦的传统建筑中，厚泥墙、庭院（havelis）和战略性布置的开口展示了适合现代建筑的先进被动冷却概念 [43]。
随着制冷需求的增加，被动冷却在电网规模上的影响受到关注。国际能源署2024年世界能源展望预测，到2035年家庭空调将额外消耗700太瓦时的电力，超过数据中心需求的四倍 [44]，其中发展中国家将占这一增长的近80%。印度电力基础设施面临峰值冷却负荷：温度每升高1°C，峰值需求增加7吉瓦，如果没有效率提升措施，到2030年将达到每度12吉瓦 [45]。Mastrucci等人 [6] 表明，仅传统空调就将使全球家庭电力使用增加14%，因此需要在发展中国家采用被动设计来弥补冷却缺口。Khosla等人 [3] 和Sherman等人 [46] 的最新建模表明，广泛采用被动冷却可以在炎热气候下将峰值电力需求减少15-25%，从而推迟或消除对大规模发电容量的需求，并缓解气候变化适应与缓解之间的权衡。基于自然的解决方案和被动设计策略可以将建筑制冷需求减少80%，在资源受限的环境中实现可持续的热舒适度 [47]。
本研究通过一个综合的优化决策框架解决了相互关联的问题，该框架整合了气候科学、建筑物理学和社会经济分析，为尼日利亚西北部炎热半干旱气候下的气候响应型住宅设计提供信息。研究旨在实现三个具体目标：
目标1：创建并验证一个气候适应性强的多目标优化框架，该框架结合了NSGA-II和TOPSIS，通过新颖的气候适应性指数（CRI）纳入长期气候适应性指标，并评估当前和预期未来气候情景（RCP4.5和RCP8.5）下被动冷却策略的有效性。
目标2：测量集成被动冷却策略的协同效应及其对电网规模的影响，确定在各种社会经济背景下平衡热舒适度（目标为70-85%的舒适小时数）、能源效率（减少40-60%）和实施可行性的最佳设计配置。
目标3：定义被动冷却系统在气候变化背景下的性能基准和适应策略，确定从被动系统转向混合系统的条件，并量化通过广泛实施可以避免的基础设施容量（兆瓦）。
该框架通过在2023年2月至5月的极端热干燥季节对三个典型地点（城市（Katsina）、郊区（Batagarawa）和农村（Rimi）的六栋住宅建筑进行实地监测来验证。本研究结合了实证数据、气候预测和优化算法，为解决炎热地区制冷问题的实践者、政策制定者和研究人员提供了实用见解。研究的创新之处在于直接将气候预测纳入优化过程，而不是事后评估，通过气候适应性指数衡量被动冷却的适应性，并将建筑层面的优化与电网基础设施效应联系起来，从而增强了理论理解和在发展中国家应用气候响应型建筑设计的实际效果。
