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BIPV窗户对城市微气候影响——模型开发与敏感性分析

BIPV窗户,城市峡谷模型,马尔科夫链蒙特卡洛,建筑能耗,城市热岛；

2018年，我国建筑全过程能耗占全国能源消费的46.5%，其碳排放占全国能源碳排放的51%，因此建筑行业节能减排是实现我国碳中和的重要一环。其中，光伏建筑一体化技术（BIPV）可将太阳能转化为电能以供自用，是实现低碳楼宇可持续化运营的有效方式之一。但是目前由于缺少适当的数值模拟手段，街区尺度安装BIPV窗户对城市峡谷的影响尚未可知。为了弥补现有研究的不足，在本研究中我们对BIPV窗户建立一套新的参数化方案，将其纳入建筑能耗仿真，并与城市峡谷模型耦合。通过与实测数据和EnergyPlus模拟结果对比，模型验证结果表明该耦合模型可合理捕捉BIPV窗户温度和产能、建筑冷负荷和峡谷局地小气候的日变化曲线。不同城市峡谷的夏季仿真实验结果表明，BIPV窗户相较于透明窗户不仅可以帮助减少建筑冷负荷，还可降低城市峡谷温度。其效益在有更多太阳照射的、具有大窗户覆盖率的建筑更为明显。由于城市冠层有大量不确定参数，为了进一步量化输入参数的不确定性对模式输出的影响，我们采用马尔可夫链蒙特卡洛算法进行大量模拟。研究结果显示：窗户覆盖率、光伏发电效率、峡谷纵横比是影响BIPV窗户发电量最关键的因素；峡谷大气温度和建筑冷负荷对峡谷上方的动量粗糙度长度、建筑物围护结构的厚度、空调设定温度和峡谷纵横比高度敏感。这表明了建筑室内与周围峡谷环境之间存在强烈的动态交互作用。相比之下，BIPV窗户的热学和光学特性对城市热环境的影响可以忽略不计。本研究的结果揭示了调节城市局地气候和建筑能耗的关键机制，为街区尺度 BIPV 窗户应用提供指导，并为深入推进绿色低碳社区建设提供了新的思路。