考虑邻里效应下未来气候情景中现有住宅建筑的特定群体热韧性与改造策略

《Sustainable Cities and Society》：Group-Specific Thermal Resilience and Retrofit Strategies for Existing Residential Buildings under Future Climate Scenarios Considering Neighborhood Effects

　　

摘要

随着全球气候风险加剧和城市热浪频发，提升现有居住社区的热韧性对城市气候适应至关重要。尽管热韧性已在建筑和城市尺度上得到研究，但关于街区形态在塑造建筑热韧性和特定群体热安全方面的跨尺度效应研究仍然有限。本研究以中国一个代表性社区为例，开发了一个跨尺度敏感性分析和优化框架，将未来气候强迫、街区相互作用和建筑热韧性联系起来。在三个 CMIP6 气候情景（SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP5-8.5）下，在明确考虑街区遮阳的情况下，量化了静态设计和动态运行参数对热韧性的贡献。结合人体核心体温（Tcore）和环境指标，评估了极端热浪期间各人口群体的热安全。采用多目标优化方法，调查了特定情景下的改造策略，以保障所有群体的热安全。研究结果表明，街区遮阳和运行模式强烈重塑了热韧性的敏感性。在 2090 年代 SSP5-8.5 情景下，遮阳使窗户太阳能得热系数（SHGC）对 Tcore 的全局敏感性指数从 0.849 降至 0.782，同时将墙体传热系数（Uwall）和额定制冷量（Qac）的敏感性分别提高了 133.7% 和 94.2%。机械制冷下 Qac 占主导，而被动生存则由 SHGC 决定。随着气候压力加剧，仅靠被动策略已不足以满足脆弱群体的需求，改造优先级逐渐向被动与主动协调的策略收敛。本研究支持面向居住者、基于性能的改造设计和现有居住社区的气候适应性决策。

引言

随着全球气候变化加剧，极端热浪的频率、强度和持续时间呈现出显著的非线性增长趋势，成为城市建成环境面临的主要气候灾害之一（Bracht et al., 2026）。传统建筑设计规范侧重于在典型气象年（TMY）条件下保持室内舒适度；然而，这种稳态范式在异常高温期间表现出明显的脆弱性。正如 Krelling 等人（2024）所强调的，针对当前条件优化的策略在未来压力下可能证明并非最优，需要向适应性设计阈值转变。在此背景下，建筑研究正在经历从面向舒适度的设计向面向热韧性的评估的范式转变（Krelling et al., 2024; Liyanage et al., 2024; Sengupta et al., 2023），旨在极端热扰动期间保障关键功能和人类生命。然而，这一转变尚未完全解决如何在改造决策中操作化热韧性，特别是在未来气候强迫、街区尺度暴露和居住者特定生理安全共同决定极端高温下建筑性能的情况下。

热韧性的核心在于建筑系统在面对极端热扰动时保持关键功能、保护人类生命并快速恢复的能力（Sengupta et al., 2023）。在本研究中，热韧性被用作一个总体概念，描述住宅建筑抵抗和吸收极端热扰动的能力。在此更广泛的概念中，被动生存能力特指在停电期间无需主动制冷即可维持室内条件，而热安全指居住者在如此暴露下的生理风险状态。因此，本研究基于事件且以居住者为中心的意义操作化热韧性，关注居住建筑是否能在热浪 - 停电暴露期间将居住者的核心体温维持在生理安全限度内，而不是事后的恢复速度或功能恢复。特别是当极端热浪与电网过载引起的停电重合时，主动制冷系统往往面临完全失效的风险（Wang et al., 2021; Paneru et al., 2025）。在此背景下，被动生存能力——即建筑仅凭借其物理特性将室内条件维持在生理安全限度内的能力——已成为韧性评估的关键维度（Luo et al., 2021; Gortych et al., 2025a）。

热韧性评估已从单一指标评价演变为综合框架，整合了环境压力、生理后果和社会脆弱性（Aijazi et al., 2025）。然而，在未来气候变化下，建筑过热风险仍具有高度不确定性，这是由于围护结构性能、城市微气候和气象边界条件的综合作用（Borghero et al., 2023; Liu et al., 2026a）。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）明确指出全球极端高温事件大幅增加，CMIP6 框架内的共享社会经济路径（SSPs）现已被广泛用于表征未来气候不确定性（Mukherji, A., 2023; Wang et al., 2025; Rodrigues et al., 2023; Chen et al., 2021）。然而，在未来气象文件生成方面仍存在显著的方法学差异。Heiranipour 等人（2025）报告称，预测的室内过热风险在动态和统计降尺度方法之间可能相差高达 300%，而 Tezeri 等人（2026）进一步表明，气象生成工具的适用性高度依赖于区域。这些不确定性意味着，未来气候变化不仅仅是逐渐变暖的过程，而是导致建筑韧性热边界条件产生巨大变化的来源。

随着 SSP 情景下气候强迫的加剧，极端热浪的持续时间和严重程度都可能发生显著变化，从而改变建筑热响应的主导机制。例如，Baba 和 Ge（2020）表明，寒冷气候地区的“保温悖论”可能导致现有住宅未来过热时间增加 80%–91%。最近的研究也使用机器学习和多目标优化，识别了世纪末热浪条件下主导设计参数，如遮阳配置和窗户性能（Tezeri et al., 2026）。特别是在复合热浪 - 停电情景下，建筑性能的主导逻辑似乎正在从依赖主动制冷转向被动防御参数的协同优化（Liu et al., 2026a）。这些发现表明，未来气候演变可以根本性地重塑热韧性导向改造设计中热参数的相对重要性。在本研究中，这些转变在四个维度上进行了考察：气候强迫路径，由 SSP 情景表示；未来时间范围，由 2050 年代和 2090 年代表示；运行模式，由机械制冷和被动生存能力表示；以及居住者群体，由成年人、老年人和儿童表示。

研究已识别出强烈影响过热风险和被动生存能力的关键建筑参数，包括太阳能控制措施、窗户性能和围护结构热性能。在中东和地中海等高风险地区，最近的气候适应性研究采用了代理建模和优化，描绘了建筑在未来极端热浪下的生存边界，证实集成被动设计是主动系统失效后的主要物理防御（Tezeri et al., 2026）。这些研究大大推进了对参数级韧性机制的理解，并表明太阳能控制相关参数可能在未来极端气候下对室内热压力产生决定性影响。

然而，大多数此类分析基于孤立建筑假设。在城市环境中，建筑热暴露既受其围护结构调节，也受街区尺度形态调节，包括建筑间遮阳、视角系数减小和紧凑度。先前研究表明，相邻建筑间的互遮阳和城市形态的紧凑度构成了个体热压力的重要物理边界。正如 Colaninno 等人（2025）通过高分辨率街区尺度映射所证明的那样，城市几何形态和树木覆盖显著调节累积热压力的空间分布，遮阳效应能够将峰值平均辐射温度降低超过 20°C（Colaninno et al., 2025; Shi et al., 2025）。忽视街区形态和城市微气候可能会导致韧性评估出现较大偏差：据报道，传统方法会高估建筑热性能约 13%（Shi et al., 2025）。此外，街区遮阳可减少 26% 的总冷负荷和 24% 的峰值负荷（Trepci et al., 2021; Zhang et al., 2025）。

更重要的是，街区形态不仅仅是背景几何条件或简单的负荷减少因子。Fathy 等人（2026）和 Zheng 等人（2024）表明，城市形态引起的遮阳可能会通过重塑太阳能增益和热储存路径的分布来改变建筑参数的敏感性层级。这意味着在单一建筑尺度上确定的改造措施的有效性可能无法直接转移到真实社区中。因此，将街区形态理解为建筑热韧性的跨尺度调节器，对于现实且与决策相关的改造分析已成为必不可少的。

在极端夏季条件下，住宅内的室内操作温度可能迅速上升，超出脆弱居住者能够维持安全热状态的范围（Li et al., 2018; Liu et al., 2026b）。越来越多的研究表明，极端热环境下的热风险无法通过使用单一代表性居住者得到充分表征，因为不同人口群体表现出不同的热响应模式和安全裕度。人口异质性影响绝对脆弱性以及韧性评估或干预优先级。例如，老年人通常表现出对持续室内热暴露的耐受性较低，安全裕度较窄，比健康成年人更容易在相同的建筑和气候条件下经历热失效（Zhou et al., 2025）。儿童也可能由于独特的体型和代谢特征，在严重暴露下表现出放大的热响应。这些差异表明，相同的室内热环境可能对应不同人口群体截然不同的风险轨迹。因此，现有住宅的韧性性能不仅应基于平均室内条件进行评估，还应基于建筑热环境如何转化为差异化居住者层面的风险进行评估。

这一问题对于面向韧性的改造设计尤为重要。最近的研究质疑了对传统环境指标仅靠的持续依赖，指出 PMV 或 SET 等指标对于表征环境热压力仍然有用，但在极端热暴露下可能具有有限的区分能力，且可能无法反映随时间累积的热压力（Guo et al., 2025; Wu et al., 2025; Cole, 2024）。正如 Wu 等人（2025）强调的那样，生理指标与热感觉之间的关系在动态高温环境中变得越来越非线性，导致稳态模型持续低估人类热不适和累积热压力。因此，如抵抗时间和扰动程度等时间依赖的韧性指标被提出，以更好地捕捉长时间事件期间热安全的动态恶化（Gortych & Kuczynski, 2025b）。对于改造决策而言，这意味着关键驱动因素的识别不应仅依赖标准居住者配置的反应。相反，它应考虑人口差异是否改变建筑参数的敏感性排名，从而改变未来热浪下韧性措施的优先级。因此，将人口差异整合到建筑热韧性评估中，可以为联系室内热暴露、建筑参数性能和改造优先级提供更相关的决策依据。

研究缺口 1：气候不确定性下建筑热参数的性能

随着未来气候根据 SSPs 变化，极端热浪的强度和持续时间显著变化，从而改变建筑热响应边界条件。尽管最近的研究已经证明了关键设计参数在特定极端气候下的主导作用，但仍缺乏对不同未来气候情景下关键热参数的贡献和主导作用的动态转变的系统分析，特别是在复合热浪 - 停电条件下。澄清这些模式是制定经得起未来考验的气候适应性设计和改造策略的关键科学问题。

研究缺口 2：对街区形态对建筑韧性调节效应的认知理解不足

虽然先前的参数模拟已识别出建筑特征或属性在缓解生理热压力中的关键作用，但这种视角很大程度上局限于孤立建筑假设。在真实的城市纹理中，单个建筑的辐射热增益不仅由其自身的热性能决定，还由宏观街区形态引起的相互作用效应决定。相邻建筑间的互遮阳等因素是个体热压力的关键物理边界。忽视城市微气候和街区形态可能会导致热韧性评估出现显著偏差。然而，现有的韧性研究尚未系统量化基于形态的调节如何在极端情况下重塑生理安全边界，这可能导致城市更新中的决策失误。

研究缺口 3：热韧性评估中生理异质性的整合不足

随着极端气候的加剧，建筑热韧性评估正在经历范式转变，从仅依赖环境参数转向整合生理响应。尽管热脆弱性方面的人口差异越来越被认识到，当前的基于韧性的改造评估仍然主要依赖通用的居住者假设，且未系统整合特定群体的生理安全边界。

因此，不同人群对同一室内环境的响应方式，以及这些差异是否会改变关键韧性驱动因素的识别和改造策略的优先级，目前仍缺乏充分了解，尤其是在未来极端高温情景下的脆弱群体。为克服上述研究空白，本研究以中国常州具有代表性的现有居住社区为对象，通过耦合高保真建筑能耗模拟与热生理模型，构建了一套跨尺度评估框架。选择常州作为实证案例，是因为它代表了长三角地区湿热、高密度的居住语境，那里加剧的夏季高温、高负荷湿度、强烈的太阳辐射以及紧凑的街区形态，共同构成了一个适合考察未来热浪 - 停电压力下跨尺度热韧性的环境。本研究采用核心体温（Tcore）作为以居住者为中心的热韧性指标，考察未来气候变化、街区形态以及特定人群的热响应如何共同影响韧性性能及改造决策。主要贡献如下。

1. 本研究系统刻画了建筑热韧性在未来气候情景和运行条件下的演变特征。通过比较多种未来气候情景下的机械制冷运行与被动生存模式，识别了关键建筑热参数的相对重要性如何随气候压力增加而变化，从而阐明了韧性驱动因素随情景变化的转移规律。

2. 量化了街区形态对关键韧性参数敏感性的跨尺度效应。揭示了街区尺度的遮阴如何改变辐射得热并重塑建筑热参数的敏感性层级，相较于传统的孤立建筑分析，提供了对韧性性能更真实的理解。

3. 考察了特定人群热响应对关键驱动因素识别及改造优先级的影响。通过评估不同人群在同一建筑和气候条件下的热安全性，本研究评估了生理异质性是否改变韧性极限和改造优先级，以及未来极端高温下是否需要协调被动设计与主动冷却支持。

本研究的结果可为现有居住社区的气候适应性改造决策提供以居住者为中心且基于物理机制的依据。

章节片段
方法
为系统评估极端热浪下现有住宅建筑的热韧性，本研究开发了一套集成的方法论框架，结合未来气候预测、建筑能耗模拟与热生理评估，如图 1 所示。工作流程依次为：将校准后的物理模型输入传递至基于情景的 EnergyPlus 模拟，利用批量模拟输出进行基于高斯过程回归（GPR）的生理映射，以及

未来气候强迫与特定人群热脆弱性的演变
基于 CMIP6 多模型集合预测及形态降尺度方法，本研究首先定量评估了案例地区未来夏季气候强迫的演变趋势。如表 3 所示，在全球温室气体排放的驱动下，常州未来的热环境表现出向极端条件系统性强化的特征。在 SSP5-8.5 长期情景（2090 年代）下，预计夏季平均温度（Tavg）将上升 4.8°C

采用生理指标扩展热韧性评估
结果表明，运行模式的转变直接驱动了环境压力水平和生理风险分布的不对称转移。压力测试显示（图 13），对于 2090 年代 SSP5-8.5 极端情景下的老年人，从机械制冷（MC）模式切换至被动生存（PS）模式，会导致室内标准有效温度（SET）分布显著右移，中位数增加了 11.7°C。图 13(a) 中的红色垂直线表示（SET

结论
本研究针对中国常州的一个现有居住社区，开发了一套综合评估框架，整合了未来气候预测、建筑物理模拟、热生理动力学模型及多目标优化算法。基于 CMIP6 未来气候情景（SSP1-2.6、2-4.5、5-8.5），利用高斯过程回归（GPR）（R2>0.92）构建了高精度代理模型，以准确映射之间的复杂相关性。

未引用参考文献
KNMI Climate Explorer 2025

CRediT 作者贡献声明
杨晓晨：写作 - 审查与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。李建伟：写作 - 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析。沈雄：写作 - 审查与编辑，软件。田宏新：可视化，调查。田哲：资源，概念化。

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢
本研究得到了国家重点研发计划 [资助编号：2024YFC3809202] 的支持。

杨晓晨 | 李建伟 | 沈雄 | 田宏新 | 田哲
天津大学环境科学与工程学院，建筑环境与能源应用天津市重点实验室，中国天津，300072