论文标题：Energy and Sustainability Impacts of U.S. Buildings Under Future Climate Scenarios

论文链接：https://www.mdpi.com/2071-1050/17/13/6179

期刊名：Sustainability

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/sustainability

一、引言

商业建筑构成了全球能源需求和相关温室气体排放的很大一部分。预计室外环境条件的变化将显著改变美国建筑的能源需求。然而政策制定者和设计人员目前缺乏建筑类型与气候分区特异性的指导方案来支持其长期规划。来自于美国德克萨斯理工大学的Mehdi Ghiai博士及其团队在Sustainability期刊发表了文章。该研究使用EnergyPlus对美国能源部 (DOE) 10种原型建筑在全部16个ASHRAE气候分区进行模拟。基于CMIP6多模式集合通过Meteonorm生成的未来气象文件涵盖两种排放路径 (RCP 4.5与RCP 8.5) 及两个规划期 (2050年与2080年)，共产生800组模拟数据。同时，该研究建立的线性回归元模型 (R2>0.90) 关联了基准能源使用强度 (energy use intensity (EUI)) 与其未来变化率，无需额外模拟即可快速筛查脆弱建筑存量。该研究中的高分辨图谱为美国各州规范更新、改造优先级确定及长期脱碳规划提供了可执行目标，有力支持了气候适应与可持续发展。

图1 研究路线图

二、研究过程与结果

该研究旨在采用模拟方法评估气候变化对美国建筑能源绩效的影响。该方法包含三个主要部分：① 气候情景与气候分区分类：首先，该研究团队采用政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)）中的两种代表性浓度路径（Representative Concentration Pathways (RCPs)）的气候预测来代表未来气候条件（RCP 4.5和RCP 8.5分别反映中度和高度的温室气体排放路径）。同时，该研究涵盖了16个ASHRAE气候分区（基于温度和湿度特征）来捕捉区域差异性。②原型建筑模型：接着，该研究团队选取了美国能源部（DOE）商业原型模型中的10种原型建筑来反映不同的建筑类型，每个原型建筑都包含了与几何形状、建筑材料、内部负荷、利用情况以及暖通空调系统相关的详细规格，保证了模拟的一致性，并确保模拟反映了国家建筑真实的能源使用情况。③ 使用未来气候数据进行的建筑能源模拟：最后，该研究团队使用Meteonorm 8生成未来气候气象文件，并通过EnergyPlus221.0运行800组的能源绩效模拟。所有建筑的围护结构属性、系统效率等保持恒定，以分离出纯粹的气候信号。除此之外，该研究团队拟合了一个线性回归元模型探索基线能源使用强度(EUI)与其未来变化率的关系,方便全面评估建筑能源需求在未来气候条件下可能如何演变，使跨区域和建筑类型的比较成为可能。

该研究对800次的能源使用强度变化幅度（ΔEUI）方差进行了分解：气候分区解释了71%，建筑类型解释了24%，而残余交互作用占了5%。与此同时，该研究的模拟结果揭示了以下规律：① 建筑能耗变化与气候带相关。到2080年，气候驱动下的ΔEUI中位数在极热和炎热地区为+11%，在温暖地区为+7%（主要由于制冷需求激增，尤其是高温高湿地区，如迈阿密）；ΔEUI在寒冷地区为-9% (主要由于采暖需求大幅减少，越冷的地区越明显，如费尔班克斯）；ΔEUI在混合地区接近中性（主要是因为采暖减少与制冷增加的相互抵消）。②在所有的气候分区和原型建筑分类中，高排放情景（RCP8.5）下的ΔEUI平均值是中排放情景（RCP4.5）下的ΔEUI平均值的1.8倍。该系数在炎热湿润的气候下高达到2.0倍，而在海洋性气候下降至1.2倍。③ 原型建筑会调节气候信号，却不能逆转气候信号。全方位服务餐厅的ΔEUI最显著（+13%—-14%），而医院和大型酒店由于持续的内部得热，ΔEUI始终维持在±6%的范围内。④ΔEUI的增长主要集中于5月至9月，而ΔEUI的减少主要集中在1月至3月。

图2 各气候分区及建筑类型在RCP 8.5情景下至2050年与2080年的EUI百分比变化

三、研究总结

该研究基于模拟方法，系统评估了在RCP 4.5和RCP 8.5气候情景下，气候变化将如何影响美国16个ASHRAE气候分区中10种能源部（DOE）原型建筑类型的能源使用强度（EUI）。该研究表明政策制定者应该因地制宜，在炎热地区和温暖地区亟需重点推进制冷系统升级、围护机构优化与被动式设计，在寒冷地区则需要把握采暖需求减少的转型机遇，推动供暖系统优化的电气化。同时，政策制定者也需要预判热负荷结构与峰值需求的演变趋势（特别是在高排放情景下）。后续研究可以进一步拓展研究框架，考虑电网脱碳路径、人员行为模式和负荷柔性策略，为美国多元气候条件下的气候适应性建筑设计及其政策制定提供了坚实可靠的方法支撑。

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Steve W. Lyon, Ohio State University, USA

创刊于2009年，作为一个跨学科的国际开放获取期刊，涵盖技术、环境、文化、经济和人类社会的可持续发展研究。期刊聚焦自然科学、工程学、经济学、社会科学与人文领域研究，推动跨学科协同探索，共同助力人类可持续发展及联合国 2030 可持续发展议程。 期刊已被 Scopus、SCIE、SSCI (Web of Science) 等多个权威数据库收录，5-Year Impact Factor 为 3.6。

2025 Impact Factor: 4.1

2025 CiteScore: 8.9

Time to First Decision: 16.9 Days

Acceptance to Publication: 3.8 Days