在停电期间的热浪中，住宅建筑预冷措施的有效性：敏感性分析与参数研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Precooling effectiveness in residential buildings during heatwaves with power outages: A sensitivity and parametric analysis

预冷却策略在热浪伴随停电下的优化与影响分析。本研究基于贝叶斯优化算法提出室内预冷却温度调节方案，以成都某高层住宅为案例，通过敏感性分析和参数研究，揭示建筑外墙保温、内部热质量和气密性对室内热舒适及能耗的关键作用。结果表明，协调提升热质量和冷却容量比单纯扩大制冷系统能更有效降低过热风险和电费成本，上午停电时预冷却可维持舒适6小时，下午仅2小时。

　　

刘雪|唐浩|康旭源|沈鹏远|周欣|严达

中国成都，西南交通大学建筑学院，611756

摘要

气候变化正在增加热浪的频率和强度，这通常伴随着停电，从而加剧室内过热问题并对人类健康构成威胁。预冷是一种潜在的缓解室内过热风险的策略；然而，很少有研究系统地探讨建筑设计、冷却能力和停电事件对其性能的影响。本研究提出了一种使用贝叶斯优化的优化预冷恒温器调度方法，以最小化热不适感和冷却电力成本。基于此策略，进行了索博尔敏感性分析和参数分析，以探讨建筑设计参数、冷却能力和停电特征对热不适感和电力成本的影响。以中国成都的一栋高层住宅建筑为案例研究。结果表明，停电期间的热不适感主要受外墙保温材料和内部热质量的影响，而冷却电力成本则主要受气密性的影响。此外，内部热质量对减少热不适感的贡献随着冷却能力的增加而增加，而气密性的影响则减弱。这表明，冷却能力和内部热质量之间的协调优化比单纯扩大冷却系统的规模更为有效。关于停电的影响，优化后的预冷策略在早晨停电期间可以维持大约6小时的室内舒适度，而在下午停电期间仅能维持2小时。这些发现为政策制定者和希望在停电期间最大化预冷策略效益的居民提供了实际指导。

引言

全球气候变化显著增加了世界多个地区热浪的频率、强度和持续时间[1]。这一全球趋势表现为各个地区的极端热浪。例如，在英国，2022年日最高气温首次超过40°C[2]。在中国，每年高温天数（日最高气温≥35°C）从历史平均9天增加到2022年的16天[3]。热浪频率和严重程度的增加大大增加了建筑物的冷却需求，对电力供应的可靠性构成了严重挑战。热浪会增加停电的可能性并延长停电时间[4]。一个显著的例子是2022年中国四川的热浪。根据《柳叶刀2023年倒计时》报告，2022年四川地区的持续热浪预计将导致冷却需求激增，而干旱条件将减少水电发电，从而导致该地区实行电力配给[5]。

伴随停电的热浪会导致室内温度大幅上升，从而显著增加建筑物过热的风险。这个问题在住宅建筑和脆弱设施中尤为关键，因为老年人、儿童以及有健康问题的个体通常在家时间较长，他们特别容易受到热相关风险的影响[6,7]。先前的研究表明，在热浪期间机械冷却系统中断时，室内热指数水平可能升至“危险”甚至“极端危险”区域，大大增加了中暑和其他热相关疾病的风险[[8], [9], [10]]。因此，政府、公用事业公司和居民必须采取积极措施，提高热韧性并减轻热浪与停电结合所带来的过热风险[11]。

预冷已被认为是一种在停电期间提高热韧性的潜在解决方案。该技术已应用于需求响应计划中，通过利用建筑物的热质量提前储存冷却能量并在后期释放，将冷却负荷从高峰时段转移到非高峰时段。通常，这是通过在高峰时段前几小时降低恒温器设定值并在高峰时段提高设定值来实现的[12]。通过减缓室内空气温度上升的速度，预冷可以在高峰时段减少或避免空调（AC）的运行。值得注意的是，这种策略不需要额外的设备或对现有空调系统进行重大修改，因此在现有建筑中相对容易实施。此外，预冷可能带来经济效益，因为它使居民能够利用分时电价，在低成本时段转移部分冷却负荷[13]。

许多研究表明，预冷可以有效将冷却负荷从高峰时段转移到非高峰时段，减少高峰负荷，降低能源成本，并保持室内热舒适度[13]。这些研究主要使用住宅建筑[[14], [15], [16], [17], [18]]和办公楼[[19], [20], [21], [22]]作为案例研究。Turner等人评估了在美国不同气候区的一层住宅建筑的预冷性能[14]。他们的结果显示，所有测试的预冷策略至少将50%的高峰时段冷却负荷转移到了非高峰时段。同样，Stopps和Touchie模拟了加拿大高层住宅建筑的预冷和预热回退控制，发现由于居住者行为的差异，不同单元的控制策略性能有所不同[15]。他们进一步建议将负荷转移控制期间的最大温度回退限制在3°C，以防止频繁的居住者干预[16]。Wang等人为一栋测试建筑开发了一种优化的预冷策略，与基于规则的方法相比，实现了高达50%的成本节约[23]。除了基于模拟的分析外，还有一些研究采用了现场测试或实验方法来验证预冷的有效性。Yin等人在11栋商业建筑中进行了现场测试，观察到高峰时段的电力需求减少了15-30%[24]。Chen等人研究了在需求响应计划中使用预冷的被动热质量和主动储能系统的潜力，发现被动热质量对短期事件（最长2小时）有效，而主动储能对于长期事件是必要的[25]。Jiang等人在九栋建筑中进行了为期四个月的长期现场测试，评估了一种基于模型的预冷策略，结果显示在炎热的夏季日子里，能源成本可以降低28.7-51.3%[18]。这些模拟和现场研究表明了预冷在需求响应计划中减少高峰负荷和能源成本的潜力。然而，上述研究主要是在需求响应的背景下进行的，旨在减少电力消耗或最小化电力成本，以室内热舒适度为约束条件。这些研究是在电力供应不中断和空调持续运行的情况下进行的。

除了评估预冷措施的有效性外，还有一些研究调查了影响其性能的潜在因素，包括建筑保温材料、结构和内部热质量、空调系统容量、分时电价和气候条件。例如，Wang等人研究了三种不同冷却能力水平下预冷策略的影响，发现增加冷却能力可以缩短空调系统的运行时间，但对冷却能耗或成本影响不大[17]。Lu等人进行了参数分析，分析了热质量、天气条件和能源价格对预冷性能的影响[20]。他们的结果表明，具有较大热质量的建筑物在成本节约和高峰负荷减少方面具有更大的潜力，尽管会带来相应的能源损失。他们的研究主要集中在商业建筑的灵活冷却负荷管理上。Reza等人分析了各种能源效率措施对预冷策略能源成本的影响，发现屋顶保温材料和照明功率密度对能源成本的影响最大[26]。

总之，现有研究广泛探讨了预冷在减少高峰负荷和降低能源成本方面的有效性，并制定了优化运行计划以实现这些目标。然而，很少有研究关注热浪和停电结合情况下的预冷性能。例如，有一项研究评估了热浪期间的预冷效果，但空调系统保持连续运行，这没有反映停电条件下的限制[27]。另一项关注加利福尼亚的研究表明，超过2小时的热浪相关停电会显著增加室内过热的风险；然而，这一结论是基于没有实施预冷措施的传统空调运行情况[28]。因此，这两个研究问题尚未得到解决。第一个问题是，在停电期间的热浪中应用预冷的可行性，以及预冷性能受住宅建筑中各种因素影响的程度。为了解决这些问题，本研究使用贝叶斯优化算法开发了一种优化的预冷恒温器调度方法，旨在同时最小化停电期间的室内过热风险和居民的经济负担。其次，进行了敏感性和参数分析，以量化建筑设计参数、冷却能力和停电事件特征对过热和能源成本的影响。这些发现为政策制定者和居民提供了指导，以最大化预冷策略在减少此类事件期间室内过热风险方面的效益。

方法论

本研究的方法论包括三个主要步骤，如图1所示。第一步是设定场景。本研究设定的场景是一个历史上的五天热浪和停电事件。选择了一栋高层住宅建筑作为案例研究。该场景提供了用于后续策略开发的模拟边界条件和停电概况。第二步是开发优化的预冷策略

优化预冷策略的结果

在五天的热浪期间，优化的预冷策略在温度设定值和预冷持续时间上表现出变化，如图4所示。8月11日的温度设定值为20.5°C，8月12日和13日为21°C，而8月10日和14日为20°C。预冷持续时间也随时间变化。8月10日、13日和14日，预冷持续了7小时，而8月11日和12日则缩短至4.5小时。值得注意的是，尽管室外温度

建筑设计参数的影响解释

索博尔敏感性分析的结果表明，影响预冷性能相关的热不适感和电力成本的主要因素是不同的。外墙保温材料是导致热不适感的主要因素，其次是内部热质量。在停电期间，通过外墙的热传递主导了冷却能量损失，增加了室内空气温度和平均辐射温度，从而加剧了热

结论

本研究调查了在停电期间的热浪中采用优化预冷策略的有效性。使用贝叶斯优化算法开发了一种预冷恒温器设定值调度方法，旨在最小化室内过热和冷却能源成本。随后，使用全局敏感性分析了建筑设计参数的影响，并评估了冷却能力和停电事件的影响

CRediT作者贡献声明

刘雪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，资金获取，概念化。唐浩：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法论。康旭源：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法论。沈鹏远：撰写 – 审稿与编辑，监督。周欣：撰写 – 审稿与编辑，验证。严达：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。