建筑学和气候学跨学科发展与融合的新机遇
建筑学和气候学跨学科发展与融合的新机遇
随着全球气候变化的加剧和可持续发展需求的日益迫切，建筑学与气候学的跨学科融合正迎来前所未有的发展机遇。本文探讨了如何通过精准的建筑气候相关基础模型和数据来优化建筑设计，以实现节能减排的目标，并展望了人工智能、卫星遥感等新技术在建筑气候设计中的应用前景。
图1 图文摘要
建筑作为人类活动的主要场所，其设计将各种自然气候改造为适宜生活、工作的室内微环境。随着科技的进步，人们对建筑气候的认识也在不断进步。借助机器学习，研究可以构建建筑气候设计条件参数的大模型，以更准确地预测和应对气候与建筑的相互影响。这不仅有助于推动建筑学和气候学的深度融合，还能为实现“双碳”战略需求、面向绿色建筑高质量发展提供有力支持，为建筑碳中和提供精准数据支撑。
建筑运行碳排放占全寿命期总碳排放的70%以上，这一数据凸显了降低建筑运行能耗在实现零碳化目标中的核心地位。达到这一目标的关键在于综合运用建筑形态与空间组合设计，以及围护结构的蓄调技术，使建筑能够顺应并利用气候条件（即建筑响应气候），从而最大限度地减少能耗。而实现这一设计理念的前提，是对气候条件进行精准的描述和分析。影响建筑的气候要素主要包括温、湿、风、压等一般地面气象要素及总辐射、直接辐射等辐射要素。这些要素共同作用于建筑，对其能耗、舒适度及使用寿命产生深远影响。因此，在建筑气候设计中，充分考虑这些要素的影响至关重要。建筑气候设计条件是在这些基础要素的基础上，通过科学的统计方法计算得出的设计计算参数，例如用于能耗模拟分析的气象年数据，服务于建筑热工设计、暖通空调设计的计算参数等。建筑气候设计条件有其独特性和针对性：时间尺度上，需要具备30年（至少10年）时间序列连续的逐日、逐时的气象、辐射数据；空间尺度上，需要建筑所在地的基础数据；更重要的是，在获取数据的过程中还需要考虑太阳辐射、温度、湿度等要素对建筑设计的共同影响，即需要将要素间的相互影响融入到参数模型与方法的构建过程中。现阶段，我国建筑设计依据的气候条件和基准主要是来源于相关的国家和行业标准，这些标准已历经多次修订更新。其中，气候条件所依据的气象辐射数据已更新至2017年，覆盖我国1000余个县级城镇。
面向“双碳”战略（即碳达峰与碳中和），建筑及其能源系统充分利用可再生能源，以摆脱对常规能源的依赖，是一条既符合可持续发展要求又具备实际操作性的路径。可再生能源系统与建筑的结合，需要关注能源系统运行的稳定性及其与建筑需求的匹配度，促使建筑气候设计条件向更加精细化的方向发展。另一方面，气候变化的加剧对建筑气候设计条件提出了更高要求。近年来，全球极端天气屡见不鲜，极端高温、降雨、台风等条件下建筑及其能源系统的安全性引起了广泛关注。这些反映到建筑气候设计条件方面，首先要具备能代表气候平均态的参数数据，在时间尺度方面，需要逐分钟的、未来1天或几天的参数数据；空间尺度方面，还需要能覆盖乡镇甚至1km×1km以上分辨率的空间网格参数数据。
人工智能（AI）和卫星遥感等技术的蓬勃发展为建筑和气候交叉研究领域带来了前所未有的机遇，推动了建筑气候设计条件及其基础资料研究范式的革新。未来在基础数据共享、高校和科研院所合作等方面还需进一步创新机制和做法，需要融合地面气象观测和卫星遥感等多源数据，充分利用大数据、机器学习技术，建立满足建筑及其能源系统需求的建筑气候设计条件参数综合模型，构建建筑气候设计条件的“测-传-算-用”方法体系，形成具有高精度时空分辨率的基础数据资料集，为建筑碳中和提供基础数据支撑。
总结与展望
为了适应气候变化并实现“双碳”战略目标，需要明确建筑气候设计条件的发展方向，创新性地提出构建建筑气候设计条件的“测-传-算-用”方法体系，革新建筑气候设计条件参数模型的研究范式。这个新体系将帮助生成具有高精度时空分辨率的基础数据资料集，从而为建筑设计和能源管理提供有力支撑。
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Energy 第1卷第4期发表的 COMMENTARY 文章“Toward interdisciplinary integration of architecture and climatology” (投稿: 2024-10-09；接收: 2024-11-14；在线刊出: 2024-11-18)。
DOI：10.59717/j.xinn-energy.2024.100054
引用格式：Yang L., Liu Y. and Cao Q. (2024). Toward interdisciplinary integration of architecture and climatology.The Innovation Energy 1: 100054.
作者简介
杨 柳 西安建筑科技大学建筑学院教授，博士生导师，绿色建筑全国重点实验室绿建基础研究中心主任，长期致力于绿色建筑与低碳城市领域的教学与科研工作。中国建筑学会建筑物理分会副理事长，国家级人才。主持国家重点研发项目、国家重点基金等国家级项目，发表学术论文300余篇，出版著作5部，编制多部国家、行业标准，支持完成多项住建部绿色建筑星级标识工程以及乡村低能耗建筑示范工程，获得国家科技进步二等奖等省部级以上科技奖励多项。
刘 衍 西安建筑科技大学建筑学院教授，博士生导师，绿色建筑全国重点实验室绿建基础研究中心副主任，主要从事建筑气候响应机理与热工设计基础领域研究工作。中国科协青年托举人才。主持国家重点研发课题、国家自然科学基金等，发表国际期刊论文30余篇，获得省部级以上科研奖励3次。
期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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