【WRF-Urban】多层建筑能源参数化模型BEP和城市冠层模型的区别

【WRF-Urban】多层建筑能源参数化模型和城市冠层模型的区别

• 1. 基于效果参数化的模型（Building Effect Parameterization）

• 2. 基于效果参数化与建筑能效模型相结合的方案（Building Effect Parameterization with Building Energy Model）

• BEP与UCM的对比分析

  • 1. 研究目的与适用范围

    • 在研究过程中对BEP与UCM进行了全面的对比分析
    • 重点阐述了两者的理论基础及实际应用背景

  • 2. 模型架构及其计算复杂度

    • 对BEP与UCM的模型结构进行了详细阐述
    • 分析比较了两者的计算复杂度差异

  • 3. 输入数据特征及其参数设置

    • 对BEP与UCM模型中涉及的关键输入数据特征进行了深入探讨
    • 研究了两者的参数设置方式及其影响因素

  • 4. 输出结果表现分析

    • 对比展示了BEP与UCM在输出结果上的表现差异
    • 分析探讨了影响输出结果的主要因素

  • 参考

在WRF-Urban模型中,BEP与BEP+BEM是两种不同的城市冠层模型UrbanCanopyModelsUCMs),用于模拟城市区域的微气象过程及其对城市热环境的作用。它们的核心区别在于是否涉及建筑能量消耗(如空调#采暖等)及其作用

1. BEP 模型（Building Effect Parameterization）

BEP 作为一个建筑效应参数化模型，在模拟城市范围内建筑对热通量、动量以及湍流场的综合影响方面发挥着重要作用。它作为 WRF-Urban 氧气交换系统中的一个层级单元存在。

核心特点：
1、建筑结构及其几何参数化处理：
探讨建筑物的几何特征及其对城市气流的影响；分析其对热量传递及湍流的作用机制。
采用分层模型将城市空间划分为多个垂直层级，并详细描述不同高度范围内建筑的垂直布局情况。

2、城市微气候模拟：
涵盖建筑物对热辐射、反照热辐射以及能量重新释放回大气等过程的影响。
建立关于城市区域内的风场演变、热岛效应以及垂直气流分布的数值模型。

3、热通量计算：
涉及地表及建筑外墙的地表感热通量与潜热通量等参数计算。
在建筑内部的热量交换（例如空调或供暖设备）不予计入。

主要应用于模拟城市建筑在局地微气象影响方面的应用研究，则忽略了建筑能源消耗以及人为产生的热排放过程的变化情况。

Constructing Effective Parameters for Buildings (Integrating BEP and BEM)

BEP+BEM 通过将建筑领域中的 Building Energy Model (BEM) 附加到原有 BEP 模型上，在建筑领域中进行应用。

核心特点： 1. 能源平衡: 通过模拟能量在建筑内的流动情况, 分析空调系统.供暖系统以及照明设备等能源消耗项目的应用. 2. 建筑物理性能: 考虑到热传导过程.反射现象以及再辐射效应, 并对墙体.屋顶及窗户等部位进行细致分析. 3. 综合评估: 使用数学模型对室内温度变化情况.湿度水平以及能耗水平进行动态计算并加以评估

2、人工热量排放：
采用详细的 HVAC 系统模拟方法来考察其对城市热环境变化的影响。
其中不仅包含建筑内部制冷/制热能耗的计算以及废热释放作用（即作为人工热量通量值 AHT 的产生来源）。

3、更精细的热通量计算：
显著提高了建筑物内部的感热、潜热和废热排放水平。
系统性地进行详细计算的城市区域中的人为热量排放对局地微气候的影响。

4、适用场景：
可应用于评估城市建筑对局地气候的影响情况，并特别关注于分析建筑能耗如何影响城市热岛效应这一现象。
在城市能源管理和气候变化适应性研究方面具有显著价值。

BEP与UCM的对比总结

多层建筑能源参数化（BEP）模型与城市表层覆盖模型（UCM）分别应用于模拟城市环境中能量交换与微气候的研究中；然而它们在侧重关注以及适用场景上存在差异。

以下是两者的主要区别：

1. 目标和应用场景

BEP模型 ：

• 目标 ：主要针对多层建筑群的能量转换过程进行模拟研究；特别关注于建筑内部与外部之间的热量传递、建筑物在能量利用方面所消耗的能量以及其对区域微气候的作用。
• 应用场景 ：该研究方法适用于分析建筑能耗特征及其影响因素；特别涉及建筑设计如何影响微气候变化以及如何导致城市热岛效应的形成。这种方法常用于建筑工程设计优化、城市规划中的可持续发展评估以及环境科学研究等领域。

城市冠层模型（UCM） ：

• 目标 ：本系统主要针对城市环境中的微气候特征进行数值模拟与研究，并特别关注其对城市热岛效应的影响机制以及相关的空气质量变化规律。
• 应用场景 ：该系统能够涵盖大尺度的城市气候模拟过程，并为相关领域的研究提供支持服务。具体而言，在气象学研究、城市规划决策以及环境保护战略制定等方面具有广泛的应用价值。

2. 模型结构和复杂度

BEP模型 ：

• 模型架构：基于BEP理论构建的能量平衡模型，在建模时充分考虑了建筑的不同层次，并对建筑内部的各种传热过程进行了精确地模拟研究。该模型不仅涵盖了建筑内部热源的影响因素，还详细分析了建筑材料的热传导特性和对流换热现象。
• 复杂度特征：该模型具有较高的复杂性特征，在实现过程中对模型实现提出了严格的要求。

城市冠层模型（UCM） ：

• 模型结构 ：UCM一般采用单层或多层分层结构来模拟城市建筑群与大气的能量交换过程。重点考虑建筑物的平均高度、密度以及几何形状特征。
• 复杂度 ：与BEP模型相比，UCM相对更简单，在计算效率方面表现更好，并且特别适合用于大规模城市气候模拟。

3. 输入数据和参数

BEP模型 ：

• 输入数据：需提供具体的建筑结构参数（包括建筑高度、层数及布局等）、材料特性（如传热系数、比热容属性以及吸光性能）以及内部能源分布情况。
• 参数：模型涉及众多的建筑能耗指标，并涵盖多种因素的影响。

城市冠层模型（UCM） ：

• 输入信息 ：研究城市建筑群的空间结构特征（包括建筑群体的平均垂直尺度、空间密度以及道路网络的水平延伸等）与气象要素（如太阳辐射场、温度场分布以及风力场特性等）。
• 变量 ：模型变量数量有限且主要关注能量转化过程与微气候环境特征。

4. 模拟输出

BEP模型 ：

• 输出结果 ：涵盖建筑物表面的热平衡状况、室内温度值、能源消耗指标、地面温度值以及蒸散发量等多个关键参数。
• 应用 ：这些分析结果有助于分析建筑设计与布局对能源消耗与 microclimate 规律的影响。

城市冠层模型（UCM） ：

• 研究结果 ：涵盖城市区域的气温场分布特征及空气湿度水平，并涉及风速场特性及热辐射平衡状态，并包含热岛效应特征。
• 应用 ：该研究结果可应用于气候系统分析以及环境质量监测，并为城市建设规划方案设计提供科学依据。

亦有研究表明：

The UCM demonstrated superior performance in modelling air temperature and humidity, compared to BEP's performance when modelling wind speed.

参考