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城市树木通过降低风渗透减少冬季建筑热损失，研究基于都柏林典型建筑原型，结合ENVI-met微气候模拟与建筑能耗模型，量化了街道树木等设计策略对热需求的影响，发现可降低6.15%供暖能耗，为老旧建筑能效提升提供新路径。
作者：任志辉（Zhihui Ren）、玛丽亚莱娜·尼科洛普洛乌（Marialena Nikolopoulou）、杰拉尔德·米尔斯（Gerald Mills）、弗朗切斯科·皮拉（Francesco Pilla）
都柏林大学学院建筑、规划与环境政策学院，爱尔兰都柏林，D04 V1W8
摘要
住宅部门占爱尔兰总能源使用量的四分之一以上，是仅次于交通运输的第二大能源终端用户。减少通过渗透造成的热量损失是建筑改造的关键组成部分，这主要受到建筑围护结构缝隙和风暴露的影响。虽然前者可以通过改进施工方法来管理，但后者可以通过城市规划设计来提供风遮蔽。本研究调查了城市树木对爱尔兰都柏林常见建筑类型供暖能源需求的影响，重点关注其对渗透引起热量损失的遮蔽效果。通过模拟不同的树木设计策略，生成了用于建筑能源建模的准确天气条件。研究结果表明，风速对因渗透造成的热量损失有主导性影响。在风力较大的条件下，对于特定的建筑类型，渗透导致的供暖需求占比可高达31.42%。在所研究的情景中，城市树木，尤其是街道树木配置，能够减少风暴露，从而相应降低因渗透引起的热量损失，最多可减少6.15%。这些结果突显了城市常绿树木在提高住宅能源效率方面的重要性。本研究为具有类似气候条件的其他城市地区提供了宝贵的见解。
引言
建筑行业作为全球主要的能源消费者，在2022年占总能源需求的三分之一以上，以及全球二氧化碳排放量的37%[55]。建筑能源需求的增加是由持续的人口增长和快速城市化推动的。由于建筑对经济增长、社会进步和环境保护的巨大贡献，它们在应对气候变化和实现许多可持续发展目标（SDGs）方面发挥着关键作用[48]。因此，了解城市因素如何影响建筑能源需求对于制定实现城市可持续性目标的战略至关重要。
目前，供暖和制冷需求占社会能源消耗的很大比例，在现有的能源结构下也是碳排放的主要来源[57]。在大多数欧洲国家，供暖需求显著超过制冷需求[5]。有趣的是，即使在最温暖的欧洲国家，这一趋势仍然存在[45]。在爱尔兰，据估计61%的家庭能源用于空间供暖[14]，[52]，而不受控制的空气渗透是导致这一高需求的关键因素。
渗透，也称为空气泄漏，指的是通过建筑物的裂缝或小开口进行的空气交换。这种现象已在许多城市的不同建筑中通过实地测量或模拟进行研究，例如英国[42]、美国[16]、中国[18]、[49]和韩国[26]。研究一致表明，不受控制的渗透会严重影响建筑内的供暖和制冷负荷。例如，在地中海气候地区的一项研究表明，空气渗透可使供暖需求每年增加2.43至16.44千瓦时，制冷需求每年增加0.54至3.06千瓦时[20]。Jokisalo等人报告称，在典型的芬兰独立住宅中，渗透占空间供暖总能耗的15-30%，包括通风能耗。在英国，渗透占总能源需求的3-5%，住宅能源需求的11-15%，以及住房碳排放的10-14%[31]。尽管普遍认为新建建筑比旧建筑具有更好的气密性，但事实并非总是如此。爱尔兰住宅的空气渗透测试支持了这一发现[51]。
渗透主要由建筑围护结构的缝隙和环境风速驱动[17]、[24]、[31]、[32]。低层建筑中的风压梯度是控制渗透的主要因素，其影响超过了烟囱效应。Hadavi等人使用计算流体动力学（CFD）模拟计算了风速为1、4和8米/秒时的渗透率，发现不同城市布局下的比例关系为1:2:12[23]。Miszczuk等人对当地天气条件对住宅建筑能源需求的影响进行了参数研究，强调了风速对空气渗透和热量损失的显著影响[40]。另一项关于住宅建筑模拟的报告指出，空气泄漏显著影响了供暖所需的峰值电力[50]。需要注意的是，强风会因建筑的气密性不足而显著增加峰值电力需求。
鉴于大规模围护结构改造所面临的技术和财务挑战，基于自然的解决方案（NBS）提供了一种成本效益高、可持续的替代传统能源改造方法，这种方法正受到越来越多的关注[25]。城市植被可以通过多种机制影响建筑能源性能，包括阻挡太阳辐射[7]、[30]、提供风遮蔽效果[19]、[56]，以及通过蒸腾作用改变空气温度和湿度[6]。目前，大多数研究集中在植被在夏季减少制冷需求方面的作用上。相比之下，城市树木在调节冬季供暖需求方面的作用尚不为人所充分理解。具体来说，遮蔽效果可能减少因渗透引起的热量损失，而遮荫效果可能会同时限制有益的太阳辐射，从而可能在冬季增加供暖需求。在北京这个温带气候城市进行的一项为期一年的室内热性能研究发现，冬季室外风速和太阳辐射与室内热性能的关系比室外空气温度更为密切[34]。因此，植被的净冬季影响反映了遮蔽效果和遮荫效果之间的权衡，其对于建筑供暖需求的影响尚未得到充分量化。
现有关于防风林和风障的研究表明，减少风暴露可以显著节省供暖能源需求。例如，在苏格兰进行的一项研究预测，由于防风林的存在，供暖季节的能源节省幅度可达16-42%[56]。同样，在爱丁堡进行的一项研究也报告称，防风林树木减少了因渗透造成的供暖能源需求，尤其是在具有大开口的建筑中[35]。然而，这些研究主要基于农村环境或孤立的理想化建筑形式，对城市形态的代表性有限。此外，这些研究中的建筑能源模拟通常依赖于气象站数据，这些数据并未明确捕捉到城市形态和植被引起的微气候变化，从而限制了这些效应对建筑能源性能评估的反映。因此，在城市住宅环境中，树木提供的风遮蔽、渗透引起的热量损失以及冬季供暖需求之间的耦合关系尚未得到充分量化。
都柏林具有温和的海洋性温带气候，冬季漫长且多风，导致供暖季节持续受到风的影响。同时，大约65%的住宅建筑建于1978年之前，其能源性能相对较差[13]。风暴露的冬季条件与老化的、能源效率低下的住房相结合，加剧了空间供暖需求，并增加了家庭面临能源贫困的风险。2022年，ESRI估计有29%的爱尔兰家庭面临能源贫困。这些气候和建筑特征，加上高发的能源贫困，使都柏林成为评估城市树木在缓解温带海洋城市风驱动热量损失潜力方面的一个典型案例。
基于此背景，本研究以都柏林为例，旨在量化城市树木在冬季对常见建筑类型供暖能源需求的影响，重点关注其对因渗透引起热量损失的遮蔽效果。本研究采用了一个耦合建模框架，该框架使用来自不同树木布局的本地化气候数据，并将这些条件整合到基于建筑类型的能源模拟中。通过分离树木提供的风遮蔽对渗透相关热量损失的贡献，研究提供了关于常绿树木对建筑供暖需求净影响的定量见解。所得到的证据基础支持了微气候敏感的、基于自然的措施，这些措施可以补充传统的改造方法，特别是对于老旧、隔热性能差的住房以及面临燃料贫困风险的家庭，并且可以应用于具有类似气候的其他城市，为能源可持续性和气候韧性政策提供信息。
本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了方法论，包括研究路线图、ENVI-met模拟和建筑能源模拟。第3节展示了结果和讨论，重点讨论了微气候和建筑能源消耗的情景模拟结果，以及树木在不同天气条件下的供暖需求影响。第4节总结了主要发现，指出了局限性，并提出了未来的工作方向。
研究路线图
本研究提出了一个联合模拟框架，用于分析城市微气候与建筑能源性能之间的多尺度相互作用，特别关注植被在冬季对爱尔兰房屋建筑能源需求的遮蔽效果。探讨了不同的植被配置，以评估它们对微气候和供暖能源需求的影响。图1展示了该框架的详细步骤，说明了联合模拟过程是如何进行的。
微气候结果
本节展示了六种不同树木设计情况下的微气候模拟结果。空气温度和风速数据来自位于建筑物立面附近的一个网格单元内的ENVI-met接收器网格，并在所有立面上进行了空间平均。
结论
本研究调查了城市树木对常见建筑类型供暖能源需求的影响，重点关注其对因渗透引起热量损失的遮蔽效果。我们使用ENVI-met模型模拟了各种树木设计策略，考虑了建筑朝向和树木布局，以生成用于能源建模的准确天气条件。然后利用这些模拟获得的本地化气候数据进行能源模拟。
CRediT作者贡献声明
任志辉（Zhihui Ren）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论、数据分析、概念化。玛丽亚莱娜·尼科洛普洛乌（Marialena Nikolopoulou）：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。杰拉尔德·米尔斯（Gerald Mills）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据分析、概念化。弗朗切斯科·皮拉（Francesco Pilla）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本项工作得到了中国 Scholarship Council（编号：202006120038）的支持。
