徐冰教授课题组揭示空调使用情景对室内外热舒适度的影响

受气候变化、城市化等因素影响，城市高温事件不断增多，空调（air conditioning, 简称AC）已经成为保持室内热舒适的关键设备。然而，空调的大量使用会加剧室外温度的升高，在用电高峰期对电力系统造成负担。当前对于广泛使用空调引发的室内外热舒适度变化及其导致的不公平性缺乏量化研究，因此无法提供改善室内外热舒适度公平性的有效建议。

针对上述问题，清华大学地球系统数值模拟教育部重点实验室（以下简称“实验室”）徐冰教授课题组集成中尺度气象模型（Weather Research and Forecasting Model，WRF）与建筑能源模型（Building Energy Model，BEM），通过耦合建模的方式，模拟了2022年炎热夏季期间（8月10日至8月30日）重庆市的5种空调使用情景下（表1）室内外热舒适度及空调能源的消耗（图1）。

图1 研究示意图

表1 WRF-BEP+BEM数值模拟空调使用的情景

模拟结果显示，虽然广泛使用空调系统能够大幅降低室内气温（高达18℃），但也大大提高了室外2m气温（T₂）（约2-2.5℃）。这种显著升温发生在夜晚（19:00-次日7:00），并且集中在高密度住宅区和商业用地区域（图2）。

图2 8月19日19:00不同模拟情景中，T₂之差的（A-B）空间分布；以及（C-D）城市土地利用的分区统计结果。

参考与人体健康相关的热舒适度指标（Heat index, HI），研究发现，当空调的空间使用范围减少时（情景3），室外热舒适度出现明显改善。通过调节城市用地上空调的使用时间（情景4），能够显著改善城市夜晚的室外热环境（图3）。室内目标气温相比基线情景提高2℃时（情景5），室外最高能降低1℃气温，进而提高室内外人群的热舒适度公平性。

图3 8月19日19:00的24小时在基线情景与（A）情景1，（B）情景2，（C）情景3之间的HI等级转换。

从城市能源利用方面来看，缩小空调使用的空间范围或调节不同城市土地利用类型的空调使用时间，均可以有效降低能源消耗。虽然调整空调工作时间段能部分缓解用电高峰，但电力供应的充足性与连续性仍备受挑战。另外，由于空调与城市气候的正反馈作用，大量使用空调制冷带来的室外升温会进一步增加空调的能耗。

研究强调了评估能源弹性的紧迫性，成果可为解决室内外环境之间的热平衡问题以及在气候变化背景下制定可持续和公正的城市气候战略提供科学依据。

相关成果以“调节空调使用可以实现室内外环境之间的热平衡”（Moderating AC Usage Can Reduce Thermal Disparity between Indoor and Outdoor Environments）为题，近日在《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）期刊上发表。

实验室博士生魏洪为论文第一作者，实验室徐冰教授和香港大学陈斌助理教授为论文通讯作者。论文合作者还包括上海纽约大学黄康宁助理教授，香港浸会大学高蒙教授，实验室范斌博士，张涛博士以及实验室毕业生屠滢博士。本研究得到了可持续发展目标大数据国际研究中心开放研究计划(CBAS2022ORP02)、国家重点研发计划(2022YFB3903703、2022YFE0209300)、国家自然科学基金(批准号72091514)、香港大学策略性跨学科研究种子基金计划及大学教育资助委员会合作研究基金青年合作研究补助金（C2002-22Y）的支持。

论文连接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.4c00424

供稿：魏洪

编辑：王佳音

审核：张强