《Energy and Buildings》：A multi-dimensional approach to thermal resilience for UK schools: quantifying cognitive, comfort and heat strain impacts due to overheating
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汉普郡学校建筑过热风险评估与干预策略研究，基于超500所学校近9000教室的监测数据，提出融合认知性能、热舒适与健康风险的三维评估模型，揭示轻型单侧通风教室（如SCOLA）在2050年超76%教室不达BB101标准，开发可扩展的区域级数据驱动工作流程，为教育建筑气候适应与能源政策制定提供决策支持。
马西米利亚诺·曼弗伦（Massimiliano Manfren）|帕特里克·詹姆斯（Patrick James）|迈克尔·查特（Michael Chater）|科林·杰克逊（Colin Jackson）|维多利亚·阿拉贡（Victoria Aragon）|阿扎德·蒙塔扎米（Azadeh Montazami）|斯蒂芬妮·高蒂埃（Stephanie Gauthier）|德斯波伊娜·泰利（Despoina Teli）|贝弗利·奎因（Beverly Quinn）|卡兰·卡尔西（Karam Kalsi）|塞缪尔·霍夫（Samuel Hough）|卡里斯·托马斯（Carys Thomas）|詹姆斯·帕丁顿（James Partington）|杰伊·贾勒特（Jay Jarrett）
英国南安普顿大学工程与物理科学学院可持续能源研究小组，能源与气候变化部门，博尔德伍德校区（Boldrewood Campus），SO16 7QF，南安普顿
摘要
学校建筑中的过热现象对学生的学习成绩、舒适度和健康构成了严重威胁，而这一风险预计会随着气候变化而加剧。本研究对英国汉普郡（Hampshire）的校舍进行了区域性评估，涵盖了500多所公立学校和近9000间教室。从高分辨率的校舍清单中选取了具有代表性的学校（10栋建筑、60间教室），并在2022年至2023年间对其进行监测。监测期间记录了六次热浪事件，其中2022年出现了创纪录的高温。通过三个指标量化了建筑物的过热风险：认知表现、基于BB101指南的适应性舒适度以及基于Gagge模型的热负荷。随后，将这些风险标准纳入了一个可解释的数据驱动工作流程中，该流程结合了教室数据、校舍清单数据和气候预测。该方法用于估算汉普郡所有学校的教室级过热风险和热韧性。目前，66%的教室存在中等到高的认知功能受影响风险；如果不采取针对性措施，到2050年这一比例将上升至92%（这些教室大多没有空调）。预计到2050年，受热负荷影响的教室比例将从6%增加到10%，而超过BB101热舒适度标准的教室比例将从50%上升到76%。过热风险最高的是那些采用轻型结构、单侧自然通风方式、玻璃比例高且太阳能控制有限的教室（如SCOLA类型教室）。所开发的这种可迁移的工作流程可以为地方当局的战略学校规划以及国家层面的过热风险缓解和适应政策提供支持。
引言
气候变化导致英国的热浪频率、强度和持续时间不断增加，2022年7月地表温度首次超过39°C，对教育领域造成了严重影响。英国气象局发布的《2024年英国气候状况报告》[1]指出，自20世纪80年代以来气温持续上升，2015–2024年间，5°C、8°C和10°C的极端温度事件的发生频率分别比1961–1990年增加了两倍、三倍和四倍。学校建筑由于人员密集且儿童对热应激的生理敏感性较高，因此尤其容易受到影响。与成人相比，儿童的体温调节能力较弱，这使得他们更容易出现与热相关的问题[2]。教育部（DfE）预测，到2100年，极端高温事件将使每年有8天的教学活动无法进行，而整体气温上升将导致12天的学习损失（如果不采取适应措施）[3]。
此外，研究表明，当室内操作温度超过特定阈值时，认知表现会下降[4]，从而影响教育成果。因此，过热问题不仅仅是一个热舒适度问题，更是关系到年轻人群体教育成果和健康的关键问题。英国大多数教室没有配备机械冷却设施，主要依靠被动措施在夏季和过渡季节维持安全、适合学习的条件。英格兰81%的校舍建于1976年之前[5]。现行的法规指南（BB101）[6]主要关注热舒适度和能源性能，但未涉及认知表现或健康阈值，也没有规定绝对的安全学习温度。因此，即使学校符合BB101标准，也可能存在降低认知表现的温度条件。教育部提出的净零战略同样要求将过热风险缓解措施纳入考虑范围[7]。对英国多样化的校舍进行过热风险量化评估需要综合考虑多种因素，包括高热质量的维多利亚时代建筑和现代轻型建筑。值得注意的是，战后建造的许多学校采用了轻型建造方法，这使得它们特别容易过热。最后一批采用SCOLA类型设计的学校建于1979年。传统的区域评估方法通常依赖于原型设计或计算量较大的模拟，但在评估单个教室和考虑局部微气候效应方面存在局限性，从而限制了全面了解校舍状况并采取精确措施的能力。
本研究以英格兰最大的地方自治机构——汉普郡议会（Hampshire County Council，HCC）为例，该机构负责管理500多所学校。HCC认识到过热是一个紧迫问题，并推动了过热风险评估方法的开发，以将其纳入长期的土地管理和气候适应策略中。本研究旨在：
提出一种可迁移的数据驱动工作流程，用于过热风险评估。
量化汉普郡所有学校的当前和未来过热风险。
确定建筑物和教室层面过热风险的主要决定因素。
根据政策要求，提出进一步的行动建议。
本研究围绕一系列明确的研究问题展开：(RQ1) 如何将过热风险量化，不仅限于热舒适度，还包括认知表现和健康影响？(RQ2) 在热浪期间，室内温度、室外条件与教室特征之间有何关系？(RQ3) 基于相似性原则，如何利用数据驱动方法结合实证监测数据进行区域范围内的逐教室风险评估？(RQ4) 在当前和未来气候条件下，新的加权性能指数（结合认知、舒适度和健康风险）与BB101舒适度评估相比表现如何？
这些研究问题提出了一个假设：结合物理原理和数据驱动的工作流程，通过监测数据与校舍特征相结合，可以识别出存在认知、舒适度和健康风险的教室。通过识别风险，可以为有针对性的干预策略提供依据，从而将学校规划与国家层面的过热风险缓解和适应政策联系起来。未来，这种方法将使地方政府等机构能够进行教室级别的缓解措施评估。本研究的新颖之处在于：(1) 将认知表现和健康风险与热舒适度结合在一个统一的加权过热风险指数中；(2) 在数据稀缺的情况下，采用基于实证的数据驱动工作流程进行区域范围内的逐教室评估，无需对每个教室进行完整建筑模拟。
背景与文献综述
本节批判性地分析了现有关于学校建筑过热风险的知识基础，重点探讨了开发全面风险评估框架所需的关键要素。它分析了当前热舒适度指南的局限性（第2.1节），英国校舍的多样性（第2.2节），以及可扩展的、数据驱动的、基于物理原理的建模方法的发展（第2.3节）
方法和工具
本研究开发的方法和工具旨在解决第2节中讨论的问题。第3.1节介绍了扩展了热舒适度范围、涵盖认知表现和健康风险（热负荷）的过热风险指数定义。第3.2节描述了能够收集整个夏季和热浪期间教室行为数据的监测计划，以及所有校舍的相关数据
案例研究介绍
第4.1节介绍了汉普郡的气候特征，第4.2节报告了校舍及其监测活动的具体情况。
结果与讨论
第5.1节使用回归和时间序列技术分析了监测数据，并进行了讨论。第5.2节根据第3.3节所述的方法论，展示了HCC区域内所有学校的过热风险估计结果。第5.3节指出了研究的局限性和未来研究的方向。
结论
本研究在当前和未来气候条件下，采用混合物理-统计工作流程评估了汉普郡学校的过热风险，该方法结合了监测数据、校舍建模、气候预测和多维度风险评分（认知、舒适度、健康）。主要贡献包括：(i) 结合认知和热负荷指标的多维度风险指数，补充了BB101标准；(ii) 基于实证的、可解释的工作流程，能够对约9000间教室的响应进行量化；(iii) 适用于整个校舍范围的分析方法
伦理审批
CRediT作者贡献声明
马西米利亚诺·曼弗伦（Massimiliano Manfren）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件开发、方法论设计、数据整理、概念构思。帕特里克·詹姆斯（Patrick James）：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、项目管理、方法论设计、资金筹集、数据整理、概念构思、监督。迈克尔·查特（Michael Chater）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金筹集、数据整理
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究及项目得到了汉普郡议会（Hampshire County Council）和英国教育部（Department for Education，DfE）的财政支持。
