在未来的气候情景下，针对个人建筑的热能韧性进行个性化评估

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Personalized building thermal resilience assessment under future climate scenarios

本研究通过实验室实验收集30名个体在不同温度下的热感知数据，开发个性化热应力模型，并与传统统一（20-26℃）及分年龄组（<40岁：18-28℃；40-64岁：19-27℃；≥65岁：21-25℃）阈值方法进行对比，评估建筑热韧性。结果显示个性化与常规方法差异显著（Cohen’s κ <0.2），个体间热应激阈值差异大（28-39℃谨慎阈值，>39℃危险阈值），揭示传统方法可能低估部分群体风险，为气候适应性建筑设计提供新路径。

　　

Prosper Babon-Ayeng | Wooyoung Jung

美国亚利桑那大学土木与建筑工程系，图森市

摘要

气候变化正在增加极端高温事件的频率和严重程度，因此建筑物需要为使用者提供更强的保护。然而，大多数关于建筑热韧性（thermal resilience）的研究都采用了统一的舒适度阈值，这可能会忽略个体对热应激（heat stress）敏感性的差异。本研究旨在探讨将个体化的热应激反应纳入评估方法会对建筑热韧性评估产生何种影响。具体而言，我们在一个受控的实验室研究中，让30名受试者在逐渐变化的热环境中（温度范围从24°C到40°C）进行感知反应测试，使用了一个10点的热感觉量表（从寒冷（-3）到难以忍受的炎热（+6）进行评估。随后，我们利用这些数据建立了他们的个人模型，以便：（1）通过建筑能源模拟（building energy simulation）来评估在当前及未来气候情景（本世纪中叶和末期）下，每位受试者的反应在亚利桑那州老年住宅中的表现；（2）将这些个性化预测结果与使用统一舒适度阈值（20–26°C）和基于人口统计的阈值（40岁以下：18–28°C；中年人：19–27°C；老年人：21–25°C）的传统方法得出的结果进行比较。我们重点关注每位受试者的炎热和极端热感觉状态，因为这些状态标志着不适的开始以及热条件变得无法忍受的临界点。研究结果显示，53–70%的受试者没有经历危险的热暴露情况，30–47%的受试者在未来气候情景下会面临更大的热应激风险，且个性化方法与传统方法之间的预测结果一致性较低。此外，我们还观察到了显著的个体间差异。本研究通过引入基于感知的热阈值，为建筑热韧性评估提供了新的途径，从而能够更准确地评估不同使用者的热风险。

引言

全球气温正以前所未有的速度上升，自1982年以来，每十年的升温幅度从0.06°C增加到0.20°C [1]。世界气象组织报告称2024年是有记录以来最热的一年，2015至2024年这十年是有记录以来最热的十年，全球平均气温比工业化前水平升高了1.55°C [2]。2023年，极端高温在美国导致了至少2325人死亡，这是二十年来的最高死亡人数 [3]。这些发展暴露了现有建筑在维持安全热环境方面的局限性。例如，在亚利桑那州的马里科帕县，2024年608例与高温相关的死亡事件中有152例发生在室内，主要发生在居住在冷却设施不足的50岁以上成年人中 [4]。传统上，建筑设计注重符合能源效率标准和相关规范 [5]；然而，极端高温的日益严重威胁表明，建筑物还需要保障室内热环境的舒适性，特别是对于弱势群体而言。

建筑热韧性是指在极端天气事件和系统故障期间保持安全室内环境的能力，是一种关键的适应策略 [6]。该领域的研究主要关注两个关键问题：（1）哪些建筑特性（包括被动和主动措施，如隔热、热质量、通风和备用电源）能够帮助在高温中断期间维持宜居的室内条件？（2）哪些人群在室内过热时最容易面临健康风险，尤其是老年人、儿童、慢性病患者以及冷却设施有限的人群？因此，建筑能源模型（Building Energy Model, BEM）已成为整合气候条件、建筑物理特性和使用者行为以评估建筑物抵御极端高温和未来气候能力的重要工具 [7,8]。然而，现有的基于BEM的热韧性评估方法存在显著局限性。大多数研究要么考察建筑物在极端高温下是否能够维持可接受的室内温度 [9, [10], [11], [12], [13]，要么对不同人群应用统一的舒适度阈值（例如20–26°C）[9,10,14,15]，还有一些研究将人群分为宽泛的年龄组（如18–40岁和65岁及以上 [16], [17], [18]）。这些传统方法通常依赖于基于健康年轻人的标准化舒适度模型（如PMV模型），但这些模型无法完全反映不同年龄组、健康状况和适应水平的个体差异 [19,20]。因此，这些局限性可能导致建筑设计不合理、性能评估不准确以及与热韧性相关的政策决策不够有效。

本研究旨在探讨将个体化热应激反应纳入评估方法会对建筑热韧性评估产生何种影响。为此，我们提出了两个研究问题（RQs）：

RQ1. 个性化热应激评估方法与传统统一舒适度阈值及基于人口统计的评估方法在分类不同气候情景下的热应激状况时有何差异？

RQ2. 在未来本世纪中叶和末期的气候情景下，个体热应激反应的频率、持续时间和严重程度与当前情况相比有何变化？

具体而言，本研究比较了三种评估方法：基于个体反应的个性化阈值（例如，感到热的感觉）、统一的温度范围（例如20–26°C），以及按年龄分类的基于人口统计的阈值（例如，40岁以下年轻人：18–28°C；中年人：19–27°C；老年人：21–25°C）。我们的个性化方法可以通过识别热敏感和热耐受的个体，为建筑热韧性评估提供新的途径，从而支持在日益极端的气候条件下制定更加有针对性和公平的适应策略。

本文的其余部分结构如下：第2节回顾了2010年代以来基于BEM的热韧性评估方法，并指出了关键的知识空白；第3节介绍了将个体化热应激反应模型与BEM结合的方法；第4节总结了主要研究结果；第5节讨论了热韧性评估、建筑设计以及考虑个体热应激反应差异的气候适应政策的意义；第5.5节提出了结论。

现有研究综述

关于建筑热韧性的研究

随着气候变化影响的加剧，建筑热韧性研究迅速发展。尽管方法论上有所多样化，但在反映使用者脆弱性方面仍存在重要空白。表1总结了代表性研究，这些研究主要围绕两个关键维度进行分类：阈值类型和人群处理方法。所有研究都评估了建筑物在极端高温期间是否能够维持安全室内条件，但在方法上存在差异。

• 阈值类型

概述

本研究利用我们之前的实验室实验数据（包括空气温度、相对湿度和个体热感觉反应数据 [36]，开发了30个个体化热应激反应模型，并将其应用于案例研究建筑中的模拟室内热条件（第3.3节），以比较个性化评估方法和传统基于人群的评估方法。

当前和未来气候情景下的建筑热条件

图12展示了在当前气候、本世纪中叶和未来气候情景下四个区域的夏季（6月至8月）热条件。线条表示每小时的平均室外温度（OT）和相对湿度，阴影带表示±1的标准差，反映了空间和时间上的变化。室内温度呈现出一致的昼夜变化模式，最低值出现在清晨，最高值出现在傍晚。

在当前气候条件下，室内温度范围为26.4°C

讨论

我们的研究结果揭示了三个关键发现：1）个体间热应激反应存在显著差异；2）传统评估方法和个性化评估方法之间的结果一致性很低；3）气候敏感性存在非线性模式。下面我们将解释这些发现及其对建筑热韧性评估和气候适应的意义。

结论

本研究通过将个体化热应激反应模型与BEM相结合，引入了个性化的热韧性评估方法，回答了两个研究问题：

RQ1：个性化热应激评估方法与传统方法在分类热应激状况时有何差异？

RQ2：在未来本世纪中叶和末期的气候情景下，个体热应激反应的频率、持续时间和严重程度与当前情况相比有何变化？

具体而言，本研究比较了三种评估方法：基于个体反应的个性化阈值、统一的温度范围（例如20–26°C），以及按年龄分类的基于人口统计的阈值（例如，40岁以下年轻人：18–28°C；中年人：19–27°C；老年人：21–25°C）。我们的个性化方法可以通过识别热敏感和热耐受的个体，为在极端气候条件下制定更加有针对性和公平的适应策略提供新的途径。

本文的其余部分结构如下：第2节回顾了2010年代以来的基于BEM的热韧性评估方法，并指出了关键的知识空白；第3节介绍了将个体化热应激反应模型与BEM结合的方法；第4节总结了主要研究结果；第5节讨论了热韧性评估、建筑设计以及考虑个体热应激反应差异的气候适应政策的意义；第5.5节提出了结论。