基于修正风速和三区建筑模型的城市建筑换气率估算
Yasemin Usta
1
、W.Stuart Dols
2
、Guglielmina Mutani
1*
1
能源部，都灵理工学院，都灵 10129，意大利
2
国家标准与技术研究所，盖瑟斯堡，马里兰州，20899，美国电子邮件：
guglielmina.mutani@polito.it
出席 2025 年 6 月 9 日至 11 日在意大利摩德纳卡尔皮举行的第 10 届 AIGE/IIETA 国际会议和第 20 届 AIGE 2025 会议
摘要
这项研究提出了一种可扩展、省时的方法，通过结合当地城市形态和风力条件来估计特定于建筑的换气率，解决了城
市能源模型中常用的恒定换气率的局限性。所提出的方法用于开发一个基于 QGIS 的插件（量子地理信息系统），以自动
集成从城市多尺度环境预测器导出的空气动力学参数，特别是粗糙度长度（ z0），具有简化的三区集总参数模型和使用
CONTAM 的多区气流模拟。该插件使用 5 × 5m 分析网格和 1m 分辨率的 3D 建筑环境模型，计算 30°方向间隔内特定于立
面的风速修改量。然后将这些修改量应用于三区 CONTAM 模型中，以计算每小时天气条件下的建筑物换气率。由此产生的
换气率被纳入空间供暖的每小时能耗模型，并根据意大利都灵住宅建筑的测量能耗进行验证。结果表明，用动态的、特
定地点的估计值代替恒定的换气率可将平均绝对百分比误差降低 11%至 20%。特别是，12 月份的误差从 68%±4.1%减少到
48%±2.5%，1 月份从 49%±3.3%减少到 32%±2%，对应于相对误差减少约 30%和 34%。考虑到城市环境的精确形状对空气
变化率的影响，所提出的方法在模拟建筑能耗方面表现出了改进的准确性；此外，它为城市规模的通风、渗透和能源性
能评估提供了一个强大的自动化框架。
关键词：换气率；建筑物渗透；城市粗糙度；UMEP;多区气流；能源建模；QGIS 插件
1.导言
准确估计建筑物渗透对于可靠的能源性能评估至关重
要。然而，大多数模拟工具主要使用基于施工期或原型
类别的恒定换气率（ACR），忽略了时间可变性和特定地
点的因素，如城市粗糙度和当地气候。这种简化会导致
预测渗透率的显著误差，从而导致能源使用和成本[1]。
在城市环境中，风速分布受到建筑物的存在和配置的
显著影响，导致与在开放、无障碍区域观察到的风速相
比，建筑物间空间、城市峡谷和屋顶水平之间的风速显
著变化。[2].特定于上下文的计算流体动力学（CFD）模
拟可以捕捉这些影响，但它们的高计算要求使它们不切
实际地用于大规模分析【3,4】。相反，对数风廓线修正
使用两个主要空气动力学参数来调整立面高度的参考风
速：位移高度（zd）和粗糙度长度（z0）。
经验方法，如 Kanda 等人对东京和名古屋 100 多个大
涡模拟的研究[5]，将 zd 和 z0 与五个几何描述符联系起
来：平均和最大建筑高度、平面面积指数（PAI）、正面
面积指数（FAI）和建筑高度可变性。这种方法为城市规
模的分析提供了一种以可接受的精度估计空气动力学参
数的实用方法。或者，城市多尺度环境预测器 (UMEP)
[6，7]插件
QGIS（量子地理信息系统）可以在复杂的城市地区自动推
导这些参数。UMEP 使用高分辨率 3D 环境描述，例如数字
地表模型(DSM)（捕获地形和所有地上特征）和数字高程
模型(DEM)（表示裸露地表）以及土地覆盖数据和建筑特
征来计算相关的形态测量。这些 DSMs/DEM 通常来自激光
雷达或卫星源[8]，可以通过 GDAL 工具或插件直接导入
QGIS[9]。然后，UMEP 应用六种粗糙度方案（包括神田
的）中的一种来计算每个风向间隔的 zd 和 z0。为了在城
市尺度上有效地应用风校正，必须简化建筑物的几何形
状。2024 年，Santantonio 等人。[10]引入了一个三区集
总参数模型，将每栋建筑表示为两个加热区：上部和下部
公寓以及一个未加热的竖井，能够使用校正的风速输入对
风驱动和浮力驱动的渗透进行城市规模的模拟。类似地，
像 CONTAM 这样的多区域工具可以使用泄漏和天气输入执
行压力驱动的气流模拟，但它们依赖于用户定义的外部边
界条件，这些条件通常在有限地考虑周围环境的情况下输
入
环境[11]。
鉴于对特定地点和时间的 ACR 的需求，简化的工作流
程至关重要。本研究提出了一种基于 QGIS 的方法，使用
UMEP 导出的空气动力学参数进行风速校正。该工作流程
自动生成特定于建筑物的风速修改器，并将其集成到三
区 CONTAM 模型中。
