建筑是城市能耗的基石，约占城市总能耗的40%以及全球温室气体（GHG）排放量的三分之一[[1], [2]]。随着城市快速扩张，并面临与联合国可持续发展目标（SDGs）相一致的雄心勃勃的碳减排目标，特别是SDG 11（可持续城市和社区）和SDG 13（气候行动）[3]，深入了解城市建筑能耗变得至关重要。这些见解有助于识别城市内部的能源使用差异，量化关键驱动因素，并制定有效的能效和减排策略，以促进低碳、有韧性的城市环境。
城市建筑能耗表现出复杂的时空变化，受多种建筑属性的影响——如建筑功能[4]、几何形状[5]和围护结构特性[6]——以及周围的城市环境，包括局部微气候[7]和城市形态[[8], [9], [10]]。城市建筑能耗建模（UBEM）已成为应对这些挑战的关键工具，主要分为自上而下和自下而上的方法[[11], [12]]。自上而下的方法利用汇总数据集（如夜间光照[13]、人口[14]或地理空间信息[15]）来推断能耗模式，适用于区域或长期分析，但受空间分辨率较低的限制，无法捕捉建筑层面的动态[16]。相比之下，自下而上的方法在单个建筑层面进行能耗模拟，具有更高的准确性，并能够考虑环境异质性，从而进行更精确的评估。
在自下而上的UBEM方法中，包括基于物理原理（热力学驱动）、数据驱动（机器学习导向）和混合模型[[17], [18]]。基于物理原理的模型因其可解释性和情景灵活性而受到重视，已被广泛用于多尺度的城市能源评估[[18], [19], [20], [21]]。然而，详细的建筑模拟仍计算密集且对数据要求高[[22], [23]]，限制了其在大范围城市分析中的可扩展性。最近，模拟工具（如EnergyPlus）和城市数据集的进步缓解了部分挑战[17,24]，但在保持计算效率的同时实现高时空分辨率仍是一个持续性的难题。
为克服计算难度，基于原型的物理建模方法逐渐受到重视[[25], [26]]，这种方法在保持城市尺度上关键能源相关特征的同时，降低了模型复杂性。最近的研究通过纳入建筑类型的异质性[27], [28], [29]、建造时代[4,30]、供暖系统[31]、气象条件[32]以及建筑规模和居住者行为[33]，提高了原型的代表性。此外，针对大量建筑的自动化原型生成进一步提升了基于原型的城市能耗建模的实用性[34]。尽管取得了这些进展，大多数基于原型的研究仍然依赖少数几个原型（例如几个到几十个）来代表数万甚至数十万栋建筑。这限制了它们充分捕捉城市内部建筑异质性和解决针对特定地点的可持续性干预所需的高精度能耗变化的能力。此外，现有的UBEM方法通常使用典型气象年（TMY）数据，忽略了如城市热岛（UHI）等局部微气候效应，这可能在建筑能耗估计中引入显著偏差[7,35]，尤其是在易受气候变化影响的密集区域。此外，模型中的建筑通常是孤立模拟的，而建筑间的遮荫效应已被证明会对能耗估计产生显著影响[10]。总体而言，这些限制表明需要结合细粒度的原型表示、高分辨率微气候描述和相互遮荫效应的框架，以更深入地了解城市能耗模式和低碳转型的优化路径。
为了弥补这些不足，本研究提出了一种基于聚类的自下而上的UBEM方法，该方法在局部气候区（LCZ）尺度上进行实施（LCZ-scale CAB-UBEM）。与传统UBEM方法相比，该框架提高了原型多样性并增强了微气候描述，并在模拟中纳入了建筑间的遮荫效应。通过利用LCZ尺度（500米）的空间划分，该方法在 urban area 的所有LCZ尺度区域内重复进行自适应聚类，生成了一个空间化的原型库。随着原型数量的增加，该框架有效保持了内部和区域间的建筑形态异质性，并提高了建筑的空间表示能力。LCZ尺度的空间划分还使得通过城市天气生成器（UWG）[[36], [37]]整合特定区域的局部微气候成为可能，减少了基于单一城市范围气象文件的偏差。此外，原型在其所属的建筑几何形状内进行模拟，考虑了建筑间的遮荫效应，提高了物理真实性和模拟精度。通过对原型能耗强度（EUIs）进行面积加权聚合，可以将结果提升到区域和城市尺度，从而实现高效的全城高分辨率映射，而无需对每栋建筑进行详尽的模拟。
该框架在中国杭州的上城区进行了验证——这是一个湿润的亚热带城市地区——以考察从原型到全城、小时到年度的各种时空尺度上的能耗模式和驱动因素。研究结果为数据驱动的、细粒度的能源评估提供了基础，强调了功能、形态和微气候对能源高效城市规划的耦合影响。
章节片段
框架概述
LCZ-scale CAB-UBEM框架旨在通过整合大量包含局部微气候效应的原型来探索细粒度的时空能耗模式。如图1所示，工作流程从数据准备开始，收集包括土地利用属性、兴趣点（POI）数据和建筑占地面积几何形状在内的多源输入。这些数据被处理以识别建筑功能（例如住宅、办公、商业）并提取关键几何信息。
结果
本章首先介绍了开发的原型库及其EUI（能耗强度）特性。在此基础上，分析扩展到多个空间尺度和时间尺度，以考察能耗情况。最后，通过与现有研究的比较验证以及灵敏度和不确定性分析，评估了结果的稳健性，并确定了影响城市建筑能耗的关键驱动因素。
方法论进步
与主流UBEM方法相比，所提出的LCZ-scale CAB-UBEM框架在提高原型多样性和微气候描述方面具有明显优势，并在模拟中纳入了相互遮荫效应。其核心在于LCZ尺度的空间划分，为建筑风格标准化提供了物理基础，为特定区域的原型构建和微气候调整提供了统一的结构依据。
结论
本研究介绍了用于城市建筑能耗建模的LCZ-scale CAB-UBEM框架。通过利用LCZ尺度的空间划分，该框架提高了原型多样性并改善了微气候条件的描述，同时考虑了模拟中的相互遮荫效应。这些改进提高了物理真实性和空间分辨率，同时保持了计算效率，从而推进了高分辨率的UBEM方法，为能源高效城市规划提供了支持。
CRediT作者贡献声明
施胤：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、监督、资源协调、项目管理、调查、资金获取、正式分析、概念构思。王玉轩：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论设计、调查、正式分析、数据整理。张仕晗：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。李玉国：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。
