近年来，随着全球变暖加剧与城市化快速发展，城市高密度建筑街区在夏季频繁遭遇极端高温与建筑能耗双重挑战。随着建筑冷却需求不断增加，城市热岛效应也愈加严重，导致能源消耗急剧上升。在这一背景下，需要气候适应性能源优化策略，推动城市朝着更加低碳宜居的方向发展。
导 读
随着全球气候变化日益加剧，城市热岛效应和频繁的热浪现象正对居民生活和建筑能耗构成严峻挑战。尤其在高密度城市区域，建筑冷却需求持续上升，导致能耗不断攀升；与此同时，冷却设备释放的大量废热又进一步加剧了城市的高温问题，形成恶性循环。这一现象不仅加重了能源系统的负担，还对城市环境和居民的生活质量造成长期影响。粤港澳大湾区作为经济高速发展、人口高度集聚的区域，其建筑能效问题尤为突出。本研究旨在提出一种建筑能源优化模型，旨在通过科学调节冷却策略、有效利用建筑热惯性，推动城市建筑向更具气候适应型与环境友好型方向发展，从而为应对全球变暖和能源危机提供可行的解决方案。
图1 图文摘要
1.城市热岛效应与建筑能耗的恶性循环
城市热岛效应是指由于建筑密集、绿地不足以及人类活动频繁等因素，导致城市局部气温显著高于周边乡村地区的现象。随着气温升高，城市建筑冷却需求同步增加。然而，在高温条件下，冷却系统的运行效率通常会显著下降，为维持室内舒适温度，需要消耗更多电能。同时，空调等冷却设备在运行过程中会释放大量的废热到周围环境，这将进一步加剧城市热岛效应，导致气温持续上升，形成一个不断强化的恶性循环。这种循环不仅加重了城市能源系统的运行压力，也放大了高温天气带来的环境与健康风险。
2.优化建筑能源系统：从微气候切入
本研究构建了一种融合城市微气候模型与建筑能源系统模型的优化框架，聚焦微气候条件对建筑能效的影响机制。通过模拟不同建筑密度、结构类型和周围环境的热传导、对流与辐射过程，该模型能够计算出建筑能耗、设备性能与周围环境温度变化之间的数值关系。这一模型不仅能够有助于预测建筑冷却系统在不同气候条件下的性能表现，也为区域建筑能源管理提供了更具针对性的决策依据与数据支撑。
图2 城市微气象、建筑冷负荷需求与冷却设备之间的动态互动
3.提升建筑能效：预冷与“虚拟储能”策略
建筑热惯性是指建筑结构在一定时间段内能够储存和释放热量的能力。在高温天气到来之前，利用建筑的热惯性进行预冷，可以在不显著影响室内舒适度的情况下，减少空调的负荷，延缓冷却设备的开启时间，降低高温时段的能耗需求。这一策略能够减少建筑冷却系统的峰值负荷，有效降低能源系统的压力。虚拟储能利用建筑本身的热惯性，使其在能源供应过剩时储存能量，在能源需求高峰时释放能量。通过灵活调节室内温度和冷却设备的运行模式，实现对能源需求的平滑化管理，从而有效减少在高温时段的能耗峰值冲击。
图3 采用预冷与虚拟储能策略对澳门地区三类典型建筑街区的优化
4.模型应用：大湾区案例分析
为验证所提出的优化模型的有效性，本研究选择了大湾区的三个典型城市区域进行案例分析：澳门、香港九龙区和深圳南山区。通过对这些城市不同建筑类型和密度的建模，分析了在不同气候条件下建筑能源消耗的变化趋势，并对比了传统冷却方式与优化后建筑能源管理策略的差异。在澳门的案例中，研究表明，通过采用预冷策略，建筑能效提升达11.2%，相当于节省了超过1100 MWh的电能。在深圳南山区，优化策略不仅降低了建筑冷却能耗，还有效减少了废热排放，缓解了城市热岛效应。九龙区作为香港的高密度区域，优化方案能够显著降低空调设备的负荷，并在高温期间有效分担能源需求，避免了电网过载的风险。
图4 粤港澳大湾区典型城市区域的节能潜力分析
总结与展望
尽管本研究提出了一种可行且有效的建筑能源优化模型，但在实际推广中仍需因地制宜，充分考虑不同城市的建筑特征、气候条件以及现行能源政策进行调整。随着全球变暖和城市化进程的不断加速，建筑能效优化提升将日益成为推动城市可持续发展的关键路径之一。未来，除了依靠技术层面的优化与智能控制手段，政策制定者还应关注如何通过城市规划、建筑设计以及能源管理政策等多层面协同发力，推动建筑与城市从“高耗能”向“气候适应型”“资源友好型”转型，共同应对气候变化挑战。
责任编辑
刘政轩 Technische Universiteit Delft
毛兴谦 天津大学
原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-energy.2025.100080
本文内容来自The Innovation 姊妹期刊The Innovation Energy 第2卷第2期发表的 Article 文章“Mitigating the vicious cycle between urban heatwaves and building energy system in Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area” (投稿: 2024-10-14；接收: 2025-01-13；在线刊出:2025-04-04)。
DOI：10.59717/j.xinn-energy.2025.100080
引用格式：Zhang Z., Hui H. and Song Y. (2025). Mitigating the vicious cycle between urban heatwaves and building energy systems in Guangdong–Hong Kong–Macao Greater Bay Area. The Innovation Energy 2: 100080.
张振威 澳门大学博士研究生，主要研究方向：城市微气象与能源需求侧管理、城市综合能源系统优化。
惠红勋 澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室助理教授，博士生导师。主持国家自然科学基金、澳门科学技术发展基金、国家科技部重点研发计划子课题、广东省自然科学基金等国家级/省部级项目7项，出版学术专著1部，发表SCI索引期刊论文60余篇，ESI高被引论文3篇，主要参与制定行业/团体标准4项。入选中国电机工程学会“青年人才托举工程”项目、浙江大学“学术新星培养计划”，获2021年南网创新创业大赛(AI算法评比类)一等奖和创新奖、2022和2023综合智慧能源大会优秀论文奖、国际会议iSPEC-2021最佳论文奖、EI2-2023最佳论文奖等。主要研究方向：需求侧资源调控、电力经济与碳市场、能源与环境交叉学科。
宋永华 澳门大学校长，电气工程讲座教授，智慧城市物联网国家重点实验室主任，英国皇家工程院院士，欧洲科学院(外籍)院士，IEEE会士，IET会士，中国电机工程学会会士。担任中国电工技术学会第八届及第九届理事会副理事长，中国电机工程学会第九届及第十届理事会副理事长，2019年当选澳门特别行政区中华教育会副会长，2022年当选中国高等教育学会第八届理事会副会长。作为第一完成人获国家科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖、中国电力科学技术进步一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、光华工程科技奖、全国创新争先奖等。2002年至今一直被委任为澳门特别行政区政府科技委员会顾问，2023年获澳门特别行政区政府颁授教育功绩勋章，以表彰其在教育事业方面的杰出贡献。主要研究方向：电力系统分析与控制、综合智慧能源、城市环境与能源治理。
跨学科合作视角：城市微气象、城市能源系统与城市建筑部门
未来建筑能源的零碳新范式：基于太阳能与太空冷能的电、热、冷同步联产
考虑室内热传递的建筑能量管理智能优化
建筑学和气候学跨学科发展与融合的新机遇
健康低碳建筑呼唤创新理论和技术
昼夜能量收集：光伏驱动的湿气蒸发与吸附实现全天候发电和除湿
低碳未来：高效去除二氧化碳的创新解决方案
生物炼制新纪元：边际土地烟草作物的低碳炼制
吸附式大气水利用技术：清洁低碳的供热和供冷新范式
绿色低碳用能
水活化的调控：促进CO₂的高效电还原
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59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TOP)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。2023年6月25-28日，四本姊妹刊(The Innovation Life、The Innovation Geoscience、The Innovation Materials、The Innovation Medicine)联袂创刊；2024年2月26日，第五本姊妹刊The Innovation Energy出版创刊号。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation刊群在海内外各平台推广作者文章。
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