城市高层建筑显著改变风场循环、太阳辐射穿透及热量积聚，进而影响其自然通风性能与能源消耗。然而，传统建筑能源模拟(BES)常将单体建筑孤立建模，过度简化上述相互作用，忽视周边微气候条件。为解决这一局限，研究人员提出一种融合计算流体动力学(CFD)、多区域气流模型(CONTAM)与建筑能源模拟(BES)的耦合框架。该框架为BES提供高分辨率瞬态风压系数(Cp)、室外气象数据及室内气流分布，用于评估自然通风(NV)与机械通风(MV)模式下的制冷能耗(CE)。研究人员通过对比单体高层住宅建筑与六种建筑群布局下的CE差异验证框架适用性。结果表明，建筑群内建筑与单体建筑之间、不同楼层单元之间甚至同层单元之间，周边微气候、自然通风率及CE均存在显著差异。总体而言，建筑群内建筑的自然通风率较单体建筑最高降低91%。此外，周边建筑可通过遮挡太阳辐射与风场，使目标建筑在机械通风模式下CE最高降低40.2%，在自然通风模式下最高降低81.3%。相关性分析表明，Cp与自然通风模式下的CE强相关，而外墙温度则是机械通风模式下的主导因素。这些发现凸显了采用CFD-CONTAM-BES框架的重要性，该框架可将周边微气候、精确Cp及多区域气流纳入城市建筑的BES中。
本研究发表于《Sustainable Cities and Society》。随着全球城市化进程加快，高层建筑已成为现代城市的重要组成部分，其能耗约占全球总能耗的34%，是城市中的能耗热点。暖通空调系统为维持室内热舒适消耗大量能源，尤其在华南、东南亚及中东等湿热地区，且受全球变暖与城市热岛效应影响，未来供暖通风与空调系统能耗将持续增长。自然通风可作为降低建筑能耗的有效策略，但其效能高度依赖建筑设计、运行特征、局地微气候及周围建筑布局。传统建筑能源模拟工具存在三方面局限：一是依赖典型气象年数据，缺乏城市微气候特征；二是对周边建筑气动效应的简化处理导致风压系数(Cp )无法捕捉复杂风-结构相互作用；三是自然通风率预测存在物理简化，忽略室内热分层与多区域气流交换。尽管已有研究尝试耦合计算流体动力学与建筑能源模拟，但常将建筑内部简化为单一或少数热区，难以准确模拟多区域气流，且多区域气流模型与建筑能源模拟耦合时难以灵活引入高分辨率边界条件。为此，研究人员提出一种融合计算流体动力学、多区域气流模型与建筑能源模拟的跨尺度耦合框架，以精准量化城市微气候对高层建筑能耗的影响。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：首先基于Grasshopper插件构建六类典型高密度城市居住高层建筑群的几何模型；其次开展24小时瞬态计算流体动力学模拟，以局地典型气象年数据为边界条件，获取高分辨率室外风场、气温及建筑表面风压系数(Cp )分布；随后将计算流体动力学输出的逐时风压系数、气温与风速作为边界条件分别输入多区域气流模型(CONTAM)与建筑能源模拟工具，前者计算多区域自然通风率与室内气流交换，后者模拟不同通风模式下的制冷能耗；最后通过对比单体建筑与建筑群内目标建筑的微气候参数、通风率及能耗差异，结合相关性分析明确主导影响因素。所有模拟均遵循最佳实践指南，并通过网格敏感性分析与风洞试验数据完成验证。
研究结果如下：
CFD-CONTAM-BES工作流程
研究人员构建了从城市街区尺度到建筑单体再到房间尺度的完整耦合流程。首先在Rhino软件中通过Grasshopper插件生成典型居住高层建筑群几何模型；其次以局地典型气象年为边界条件开展24小时瞬态计算流体动力学模拟，解析室外微气候环境；随后将计算流体动力学提取的建筑表面逐时压力数据转换为风压系数(Cp )，并与室外气温、风速共同作为多区域气流模型与建筑能源模拟的输入参数，实现自然通风率、室内气温与制冷能耗的精准预测。
计算流体动力学模拟验证
研究人员将计算流体动力学结果与Allegrini等人2013年的风洞试验数据进行对比验证。针对高宽比为1的三维街道峡谷模型，设置70℃壁面温度、参考风速2.32 m/s及23℃气温的大气边界层流动条件，采用四种湍流闭合模型开展模拟，验证了计算流体动力学对风环境与热环境模拟的准确性，雷诺数约为30700，弗劳德数约为17.29。
室外微气候数据分析
研究人员对比了单体建筑与各建筑群中心建筑的周边风场与气温差异。结果显示，建筑群内部微气候与单体建筑周边存在显著不同，建筑群布局通过改变风场遮蔽与太阳辐射遮挡，显著影响目标建筑周边的风速分布与热环境，进而导致其能耗与基于单体建筑假设的传统建筑能源模拟结果产生偏差。
局限性与未来工作
研究人员指出，尽管研究严格遵循模拟最佳实践指南并开展质量控制，但仍存在一定局限性。例如模型基于理想化建筑群与典型参数，实际应用时需考虑真实城市的复杂地形、非稳态气象条件及建筑运行动态等因素，未来可进一步扩展至更多样化的城市形态与气候分区。
结论
研究人员通过耦合框架量化了城市微气候对建筑能耗的影响，克服了传统建筑能源模拟依赖标准化气象数据、忽略局地微气候的局限。通过分析单体建筑与六类建筑群内建筑的能耗差异，阐明了局地微气候如何通过风压、太阳辐射与热环境调控自然通风与制冷能耗。研究发现，建筑群内自然通风率最高可降低91%，周边建筑可使目标建筑机械通风模式下制冷能耗最高降低40.2%、自然通风模式下最高降低81.3%；风压系数(Cp )是自然通风模式下制冷能耗的主导因素，而外墙温度则是机械通风模式下的关键影响因子。该研究为高密度城市居住高层建筑的设计优化与可持续城市规划提供了高精度的模拟方法与可操作的科学见解。
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