综述:建筑物中的热浪:检测方法与性能评估的综述

《BUILDING AND ENVIRONMENT》:Heat waves in buildings: A review of detection methods and performance assessment

【字体: 时间:2026年01月05日 来源:BUILDING AND ENVIRONMENT 7.6

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  本研究通过系统综述93篇同行评审论文,分析热浪定义、检测方法及其对建筑热性能和人体健康的影响,指出当前研究在热浪定义、检测方法及多因素综合评估方面存在差异,并提出整合气象、建筑和人体健康指标的方法论建议。

  
马特乌斯·K·布拉赫特(Matheus K. Bracht)|安娜·保拉·梅洛(Ana Paula Melo)|罗伯托·兰伯特斯(Roberto Lamberts)
巴西圣卡塔琳娜联邦大学(Federal University of Santa Catarina)建筑能效实验室(LabEEE),弗洛里亚诺波利斯(Florianópolis)

摘要

热浪是最严重的气候灾害之一,对人类健康和能源系统的韧性构成威胁。尽管近年来对此问题的关注日益增加,但关于热浪与建筑热性能之间相互作用的研究仍存在差异,不同研究中的定义和评估指标各不相同。本研究对此主题进行了系统回顾,分析了93篇经过同行评审的文献,以探讨热浪的定义、检测方法及其与建筑性能和居住者福祉之间的关联。热浪检测方法被分为气候学方法(基于绝对或相对阈值)、公认的事件以及基于模拟的方法。相对阈值定义被证实是选择用于建筑性能分析的热浪的有效方法。然而,最近使用基于模拟的检测方法的研究表明,外部热浪并不一定与室内极端高温期完全吻合。研究者建议在未来的研究中采用综合的热应激指标进行检测,同时指出现有指标通常无法准确反映累积热应激。此外,对建筑脆弱性的评估也存在不平衡现象,现有的舒适度模型主要基于年轻健康成年人的需求。同时,新兴的元模型为减少大型模拟研究的计算负担提供了可能性。最后,研究结果表明,在某些热浪事件期间,峰值冷却需求可能与对室内环境质量影响最严重的时期不同。因此,需要热模拟专家、气象学家、公共卫生官员和城市规划者之间的紧密合作,以制定适用于当地情况的热浪定义和热浪预警系统。

引言

热浪被定义为持续的高温期[1,2],是最危险的自然天气灾害之一[3]。除了对人类健康和紧急服务需求的直接影响外,它们还会对农业、水资源、能源系统和交通造成压力,从而以不同方式影响各方利益相关者[3,4]。大量研究表明,极端高温事件与死亡率及发病率增加之间存在关联,尤其是在脆弱人群中[5,6,7,8]。
对高温的脆弱性与社会经济条件密切相关,因为低收入群体应对高温的资源更为有限[9]。在许多发展中国家,只有不到10%的家庭拥有空调(AC),而在日本和美国这一比例约为90%[10,11]。
装有空调的建筑通常能够在高温期间保持室内舒适度[13]。然而,热浪也会给电力系统带来压力。随着室外温度升高,冷却负荷增加,空调效率下降,电力生产和传输效率也随之降低[14]。这些挑战凸显了提升建筑热韧性概念的重要性。热韧性是指建筑及其社会技术系统在极端高温条件下维持或快速恢复可接受室内环境的能力,同时适应长期气候变化[15]。实际上,韧性通常通过建筑性能模拟来评估,这使研究人员不仅能够从过去事件中学习,还能探索未来情景和压力条件。
为了明确术语,图1展示了一个概念框架,说明了本综述中使用的关键术语之间的关系。它展示了室外高温事件如何作为外部因素影响建筑,当舒适度阈值被超过时如何导致室内过热,以及长期暴露如何引发居住者的热应激。韧性被定义为一种总体能力,决定了建筑和居住者如何应对、吸收并从极端高温中恢复。
尽管热浪的重要性不言而喻,但目前仍没有基于可测量参数的普遍接受的热浪定义,因为人们对热浪的认知因地区而异[16]。研究人员使用不同的指标来研究热浪的发生和强度。一些指标关注人口影响,而另一些则考虑气象因素,将热浪定义为参考期间温度分布的极端事件[17]。
近几十年来,提出了多种热浪定义和方法,考虑了不同的天气变量、测量周期和阈值[18,19]。这些定义通常包括描述热浪的三个主要因素:持续时间(天数)、强度(例如热浪期间的最高平均日温度)和严重程度(例如超过某个阈值的平均日温度总和)[19,20]。这些参数会因地理位置和分析类型而有所不同[2]。即使是对热浪定义的微小调整,也可能对其影响产生显著影响[21]。
先前的研究表明,尽管人们90%的时间都在室内度过,但大多数热健康预警系统(HHWS)[22]仅基于室外测量数据[23]。在极端事件期间,人们更长时间待在室内,从而增加了室内健康风险[24]。建筑模拟显示,基于室外标准得出的热浪并不总是与室内温度最高的时期完全吻合[25]。
不同研究对热浪持续时间的看法也有所不同。许多老年人的高温暴露时间比生物物理测量或政策警报所预测的要长[26]。建筑物的特性和使用模式也会影响其对热浪的响应。例如,大型建筑可能需要两天时间来响应热浪,并在之后更长时间内保持高温状态,而轻型建筑则可能在几小时内感受到影响并更快冷却。
极端事件的最有害影响并不一定发生在最热的日子里。它们往往是由多种压力因素共同作用的结果。例如,一周的高温加上高湿度会显著影响人群的热应激[27,28]。即使空气温度低于人体核心温度37.5°C,高相对湿度也会导致热应激[29]。从电力生产的角度来看,不同的变量组合可能更加有害。例如,最高电力需求可能与最低风力发电量同时发生,增加停电风险并影响社区[30,31]。
正如马扎拉基斯(Matzarakis)和贾纳罗斯(Giannaros)[32]所指出的,缩小这一差距需要下一代热健康预警系统,该系统应明确纳入社会经济脆弱性因素。这包括将社会劣势的空间指标(如收入、住房质量和绿色基础设施的获取)纳入风险评估和通信系统,使预警和响应措施能够针对高风险人群[33]。同时,他们强调个性化热生理评估在预测和监测热应激方面的作用,特别是在室内环境中,因为大部分与热相关的疾病和死亡事件都发生在室内。
综上所述,这些挑战表明需要系统地综合研究热浪的定义、检测和评估方法。与其他从气象或健康角度进行的综述不同,本研究通过建筑性能分析的视角来探讨热浪检测方法。因此,本综述的目的是梳理并批判性地分析科学文献中关于热浪的特征及其对室内热环境、能源性能和居住者热应激的影响。为了构建这一研究,我们提出了以下研究问题:
  • 1.
    在不同地理环境、建筑类型和研究方法下,研究建筑在热浪期间的热性能的特点和趋势是什么?
  • 2.
    研究人员如何根据气候变量和时间尺度定义、检测和描述热浪?
  • 3.
    哪些指标用于评估热浪对建筑性能、能源消耗以及人类舒适度和健康的影响?
  • 本综述的主要贡献包括:(1)提供了建筑性能研究中使用的热浪定义和检测方法的综述;(2)综合了用于评估室内过热、居住者热应激和能源影响的指标和阈值;(3)指出了方法论上的不足,并提出了改进极端高温下室内热风险评估和建筑韧性的研究方向。
    本综述并不旨在量化热浪的数值影响或比较不同的建筑设计方案;而是关注用于定义热浪和评估其影响的方法论框架。

    方法部分

    方法

    本研究对热浪对建筑热性能和能源性能的影响进行了全面的文献回顾。我们遵循系统评价和元分析的优先报告条款(PRISMA)[34],采用标准化四阶段流程(识别、筛选、资格评估和纳入)进行文章搜索,以提高回顾研究的透明度和可重复性。
    研究筛选

    结果

    根据所审文献的分类和内容,结果部分的结构围绕四个关键领域组织:
  • 所选研究的概述。
  • 热浪和室内过热的检测方法。
  • 舒适度和热应激指标。
  • 建筑层面的热性能和能源评估的关键绩效指标(KPIs)。
  • 讨论

    一个关键发现是建筑性能研究中使用的热浪定义范围广泛。早期研究(2009-2014年)采用简单标准,通常选择干球温度最高的几天。而最近的研究(2017-2024年)则采用更复杂的方法,包括基于百分位的阈值和既定的框架。大多数相对定义仍然仅依赖干球温度,忽略了湿度、辐射等综合因素的影响

    结论

    本综述探讨了建筑在热浪期间的热性能和能源性能,强调了关键趋势、方法论和研究差距。通过研究热浪的定义和检测方法及其对室内环境的影响,得出了若干重要发现和对未来研究和政策制定的启示:
  • 热浪定义:虽然大多数研究仍依赖干球温度,但正在向基于百分位的标准转变,忽略了湿度的影响,
  • 作者贡献声明

    马特乌斯·K·布拉赫特(Matheus K. Bracht):撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、调查、数据分析、概念化。安娜·保拉·梅洛(Ana Paula Melo):撰写——审稿与编辑、监督、概念化。罗伯托·兰伯特斯(Roberto Lamberts):撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
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