全球建筑行业占据了最终能源需求的约30%份额，其中住宅建筑更是贡献了高达70%的比例，因而在应对与适应气候变化的全球努力中，住宅建筑的作用举足轻重。国际社会对于提升建筑能效的呼声愈发高涨，聚焦于建筑翻新、电气化进程加速以及燃料转换等策略，旨在优化与提升建筑能效。然而，关于建筑围护结构升级、建筑存量动态演变以及未来气候变化如何综合作用于住宅能源需求的全面分析仍较少。此外，在建筑存量特征与气候条件复杂交织的背景下，围护结构改进措施所能释放的节能潜力尚存在诸多不确定性。

近日，南开大学环境科学与工程学院的可持续与气候韧性环境系统分析研究组（SAFARI，Systems Analysis For sustainability And climate ResIlience）联合国内外多所知名院校，构建了一套基于物理过程的高时空分辨率住宅能耗预测模型。该模型深度剖析了气候变化、建筑围护结构升级以及建筑存量动态变化对中国1677个县或市级行政单位在2020年至2100年间住宅建筑小时级供暖与制冷能耗需求的影响。本研究不仅体现了开发气候适应性建筑设计与探索能源效率提升策略的紧迫性，同时也为中国各地区建筑系统推进节能减排与低碳转型提供了坚实的科学支撑与前瞻性的政策建议。2024年12月12日，该研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Sustainability上发表了题为“The Climate Opportunities and Risks of Improving Building Envelopes Across 1677 Chinese Cities”的研究成果。

其中，硕士生张宇飞与博士生党梦园为该论文的共同第一作者，楚春礼副教授和曹植教授为该论文的共同通讯作者。

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研究背景

考虑了建筑存量、围护结构和气候对住宅能耗的综合影响。

建立了基于物理模型的高时空分辨率住宅能耗预测模型。

覆盖了中国1677个县或市的住宅建筑存量。

气候变化下围护结构提升对住宅能耗具有不同的影响效果。

研究成果

模型构建

研究提出的住宅建筑制冷和供暖能耗需求模型包括4个模块：建筑原型开发、气候数据降尺度、能耗模拟和代理模型建立、以及建筑存量流量模型构建。首先，根据住宅建筑建成年代、楼层和建筑围护结构特征为1677个县或市级行政单位构建原型建筑模型；其次，应用Morphing方法将2020-2100年CMIP6气候模式的大尺度数据降尺度为颗粒度一致的区域尺度数据；再次，开发基于EnergyPlus能耗模拟和机器学习的建筑能耗代理模型，快速并精准预测未来单位面积建筑能耗需求；最后，基于存量驱动的动态物质流分析模型，估算各县或市未来建筑存量变化。为了深入探索不同气候情景和围护结构提升路径下各县或市未来建筑供暖和制冷能源需求，本研究设定了包含三种气候变化情景（即SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5）与三种围护结构改进（即参考路径、温和路径和雄心路径）在内的九种情景组合（图1）。

图1. 气候变化和围护结构改进情景下的住宅建筑能耗模拟精细化空间建模框架

住宅建筑的供暖能源需求

住宅建筑的供暖能源需求受到多种因素的共同影响，这些因素包括时间变化、不同的气候情景、围护结构更新策略的差异以及具体的空间位置。图2a直观展示了在九种不同情景下，中国各县或市级行政单位在2020年、2060年和2100年的单位面积供暖能源需求的空间分布情况。研究揭示了一个显著现象：相较于华中、华东和华南地区，东北、华北及西部地区的住宅建筑通常需要更高的供暖能耗。然而，随着未来建筑围护结构的不断改进与优化，住宅建筑供暖能源需求的空间差异性将逐渐减小。图2b则进一步描绘了九种情景下2100年住宅建筑单位面积供暖能源需求随纬度变化的梯度趋势。从图中可以清晰看出，在所有九种情景中，单位面积住宅建筑的供暖能源需求均随着纬度的增加而呈现上升趋势。图2c则通过时间轴的视角，详细描绘了九种情景下2020年至2100年全国单位面积平均供暖能源需求的变化趋势。研究结果表明，气候变暖、新旧建筑围护结构的升级换代以及新建筑对旧建筑的逐步替代，共同导致了全国平均住宅建筑供暖能源需求的总体下降趋势。值得注意的是，在围护结构雄心改进情景（S3、S6和S9）下，单位住宅建筑面积的供暖能源需求差异相较于其他路径更为缩小，这充分凸显了围护结构的彻底改善对于增强住宅建筑供暖能源需求应对气候变化韧性的重要作用。

图2. 九种情景下住宅建筑单位面积供暖能源需求随时间和空间的变化

住宅建筑的制冷能源需求

住宅建筑的制冷能源需求在不同时间和气候情景下展现出显著的差异性，且若忽视围护结构的改进，制冷能源需求的空间异质性将会更加显著。图3a详细展示了在九种不同情景下，2020年、2060年和2100年中国各区域单位住宅建筑面积制冷能源需求的空间分布状况。随着气温的不断攀升，中国中部、东部及南部地区的住宅建筑将需要更多的能源来维持室内凉爽环境。图3b则直观呈现了九种情景下2100年住宅建筑单位面积制冷能源需求随纬度变化的梯度趋势。研究结果显示，在九种情景中，单位建筑面积的制冷能源需求均随着纬度的升高而逐渐减少，且围护结构的激进改进策略有望在低纬度地区实现显著的制冷节能效果。图3c则深入揭示了九种情景下2020年至2100年全国单位面积平均制冷能源需求的时间演变趋势。若未来不采取围护结构的改进措施，随着气温的持续上升，全国平均住宅制冷能源需求将进一步增长；然而，若未来围护结构得到改进，即在围护结构温和改进（S2、S5和S8）和雄心改进（S3、S6和S9）的情景下，全国平均住宅制冷需求将呈现出稳定或略有下降的趋势。这一发现强调了围护结构改进在应对气候变化、降低制冷能源需求方面的重要作用。

图3. 九种情景下住宅建筑单位面积制冷能源需求随时间和空间的变化

中国各气候区住宅建筑供暖和制冷总能源需求

住宅能源需求将跨越气候区，从供暖转向制冷。下图表示不同气候区住宅建筑供暖和制冷总能源需求的时间趋势。在围护结构参考情景（S1、S4和S7）和温和改进情景（S2、S5和S8）下，至2100年，除了无需采暖的温暖和夏热冬暖气候区外，所有气候区域的住宅建筑供暖能源需求均有望实现显著下降；相比之下，到2100年，在相对温暖的夏热冬冷区和夏热冬暖区，住宅建筑制冷能源需求将显著增加，且夏热冬暖区的增长更为显著，特别是在气候SSP5-8.5情景下（S7和S8）。在围护结构雄心改进情景下，供暖能源的总需求随着时间推移迅速下降，围护结构提升结束后下降速度变缓；对比之下，到2100年，在两个相对寒冷的严寒和寒冷气候区，制冷能源需求的增长可以忽略不计，但在夏热冬暖气候区，制冷能源需求将发生显著变化。

图4. 各气候区住宅建筑供暖与制冷总能源需求的时间趋势

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请研究团队进行了专访，请他们为大家进一步解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

研究团队：

本研究的亮点在于通过建立一套高时空分辨率的小时级住宅建筑供暖和制冷能耗核算模型，探究了气候变化、建筑围护结构提升以及建筑存量动态变化对住宅建筑能源需求的综合影响。研究发现，围护结构提升在缓解气候变化对中国住宅建筑能源需求的影响方面发挥着非常不同的作用，强调了在气候适应能力较弱的区域建立气候弹性的能源供应策略与推进能源效率提升战略的迫切性。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

研究团队：

本研究需要针对中国1677个县或市级行政单元进行多情景和长时间尺度的能耗模拟，初步估算需要数百万次的模拟，预计耗时将超十个月。为了克服机理性模型在计算量庞大及运行周期漫长方面的挑战，我们采用机器学习方法，构建了一个计算高效且输出结果与机理性模型高度一致的近似数学模型——建筑能耗代理模型。该模型显著降低了计算需求，为实现高效、精确的能耗模拟分析提供了有力支持。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

研究团队：

本研究主要探讨了气候变化、建筑围护结构更新和建筑存量动态变化对中国1677个县或市级行政单元住宅建筑的小时级供暖和制冷能耗需求的影响。然而，本研究尚未充分探索和挖掘除了建筑围护结构更新外其他影响住宅建筑制冷和供暖能耗的建筑系统因素，同时，也未对中国住宅建筑的碳排放特征进行详细分析。鉴于此，研究团队未来的工作计划将致力于更全面地揭示在综合考虑未来气候、能源供应、建筑系统以及建筑存量等多重因素下，中国住宅建筑的碳排放特征。

CellPress：

请您与我们分享一下选择Cell Reports Sustainability的原因。

研究团队：

Cell Reports Sustainability作为Cell Press细胞出版社在可持续发展领域精心打造的新期刊，其研究范畴广泛涵盖了适应与减缓气候变化、城市研究、环境健康、能源以及产业生态等多个关键议题，这与我们研究的主题非常契合。此外，由于该期刊凭借其跨学科特性，能够吸引来自环境科学、政策制定、社会科学等多个领域的专家学者，加之其出色的后期宣传工作，这都能使我们的研究成果有望获得更广泛的学术关注，寻求和促进未来跨学科的合作与交流，共同推动相关领域的发展。

作者介绍

张宇飞

硕士研究生

张宇飞，南开大学环境科学与工程学院硕士研究生，主要研究方向为建筑系统能源分析。

党梦园

博士研究生

党梦园，南开大学环境科学与工程学院博士研究生，主要研究方向为建筑存量物质与能源代谢分析。

楚春礼

副教授

楚春礼，南开大学副教授、硕导，研究方向为全球、国家或区域尺度物质代谢及其资源环境影响与转型路径。主持或参与国家科技支撑课题、国家重点技术研发计划、国家自然科学基金青年科学家基金、天津市科技支撑等项目。获天津市科技进步二等奖（排名第二）。

曹植

教授

曹植，南开大学环境科学与工程学院教授、博导，入选国家级青年人才计划。主要从事产业生态、物质流分析、生命周期评估、环境系统分析、气候韧性等领域的研究。在Nature Climate Change、Nature Sustainability、Nature Communications、Environmental Science & Technology等资源环境类顶级期刊发表论文，相关研究成果被国际能源署（IEA）、联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）、联合国环境规划署（UNEP）等直接使用和引用。担任Resources, Conservation & Recycling等期刊的编辑，兼任国际产业生态学会（ISIE）社会经济代谢分会理事、华人产业生态学会（CSIE）理事、巴塞尔公约亚太区域中心化学品和废物环境管理智库专家、联合国世界车辆法规协调论坛（WP.29）中国工作委员会技术专家、气候债券倡议组织（CBI）低碳水泥标准委员会委员、中国自然资源学会政策研究专业委员会理事。