全球变暖导致极端热浪（HW）频率增加，引发人们对极端事件期间建筑及其能源系统安全性的广泛担忧[1]。2020年夏季，美国西北部极端高温使电网超负荷，影响了超过3万名客户。2022年1月11日，布宜诺斯艾利斯持续高温使电力需求创下纪录，导致大规模停电，影响了超过70万名客户。同年夏季，中国四川经历了破纪录的高温，需求激增和供应受限导致长时间停电，严重影响了居民和工业用户。
热浪期间，制冷需求的短期激增显著增加了城市电力系统的平衡难度[2]。长期的城市扩张和密集化进一步加重了能源基础设施的负担，并提高了供应中断的风险[3]。研究表明，热浪期间每升高1°C可使建筑峰值电力需求增加高达4.6%[4]，忽视极端气候事件可能导致供电可靠性降低30%[5]。城市热岛（UHI）效应显著增加了建筑夏季制冷需求，放大了热浪对城市能源系统的压力[6]。显然，密集城市形态、UHI效应和夏季热浪的结合加剧了局地天气压力，增加了电网过载、大规模停电[7]以及居民热胁迫风险[8]的可能性。这提高了对精准负荷评估和城市建筑能源系统韧性的设计要求。
在局地尺度上，关于热浪和UHI效应对局地天气和建筑热负荷复合影响的研究仍然有限，凸显了研究其对局地天气和建筑能耗风险联合影响的紧迫性[9]。影响建筑的关键微气候因素包括气温、湿度、风速、大气压以及太阳辐射分量（总辐射和直接辐射）[10]。这些因素共同导致建筑能耗强度出现显著变化。研究表明，典型气象年（TMY）与极端年的比较可以揭示极端天气驱动的夏季制冷需求增加，并为增强气候韧性及降低热浪期间能源基础设施脆弱性的策略提供支持[11,12]。城市建筑能耗建模（UBEM）工具可用于评估既有建筑的改造潜力、优化城市能源系统以及评估节能措施的有效性[[13], [14], [15], [16]]。将这些微气候因素纳入高空间分辨率的UBEM模拟中，可以实现对极端高温对城市和建筑能源系统影响的更准确量化[17,18]。
关于UBEM的局地天气数据（LWD），基于CFD的微气候模拟工具（如Envi-met、PALM-4U）通常被用来生成输入数据[19,20]。由于此类模拟计算量巨大，通常仅限于单体建筑、假想均质建筑组团[21]或小型建筑组，且模拟时段较短[10]。城市冠层模型（UCM）解决了这一局限性，通过将三维城市几何形状简化为二维街道峡谷并使用局地天气网格（LWGs）来参数化计算LWD，在保持精度的同时大幅减少了计算时间。它们还可以生成年度的气象数据，使其更适合在街区尺度和城市尺度上进行长期局地天气模拟。城市天气生成器（UWG）是一款代表性的UCM工具。与标准UCM不同，后者需要城市冠层顶的气象数据[5]，UWG可以使用郊区气象站数据，因此提供了更大的灵活性[22]。UWG还与BEM耦合，使其能够考虑空调人为热（AH）排放对局地UHI效应的影响[15]。
城市内各LWGs底层表面条件的差异是温度异质性的主要驱动因素[23,24]。ASHRAE全球热舒适度数据库II的统计数据显示，室外温度每升高1°C，空调建筑与自然通风建筑的室内温度分别升高0.1°C和0.4°C[25]。因此，局地城市温度对热负荷估算有重要影响[26]。UBEM必须考虑局地天气对建筑组团能耗的影响，这对气候敏感型城市能源规划至关重要[27]。当前基于TMY的建筑制冷模拟忽略了局地天气与制冷需求之间的双向反馈[28]。由于局地天气和热性能差异，建筑在热浪和UHI下的能耗和系统压力各不相同。为了在城市建筑能源模拟中解决局地天气变异性问题，亟需开发一种基于网格的、空间可扩展的UCM + UBEM计算框架。该框架能够系统性地、定期地评估实际建筑能源性能，并更深入地分析局地天气、建筑能耗与建筑形态之间在单一或复合UHI和HW影响下的关系[29]。
总之，当前研究空白包括：(1)风险评估工具与方法——缺乏成熟且易用的方法来模拟城市局地天气条件下建筑组团能耗。(2)风险缓解设计策略——在复合UHI和HW风险下，LWGs内建筑组团和单体建筑均缺乏完善的韧性设计框架。在组团尺度上，由UHI和HW耦合效应下环境异质性驱动的LWGs间韧性差异尚未得到充分研究[9]。在单体建筑尺度上，还需要进一步工作将建筑形态与复合UHI和HW风险下的能耗联系起来，并量化关键形态参数对制冷能耗强度（EUI）和暖通空调制冷设计日负荷（Load_DDY）变化的影响。
为此，本研究开发了一种基于LWD的UBEM工具，以充分考虑热浪下的局地天气。本研究以北京某校园区的880栋建筑为案例，分析了在UHI和HW复合效应下建筑组团环境和单体建筑特征如何影响局地天气和能耗。该工具以局地气温、单体建筑制冷EUI和Load_DDY为重点，利用LWD对比了各LWG在典型年下UHI+HW条件与单一UHI条件下的温度和能耗增加情况。研究阐明了局地温度和能耗变化与单体和组团层面建筑形态之间的联系。研究结果预计将为复合UHI和HW条件下局地天气、建筑形态与能耗之间的相互作用提供新的见解。
