Dynamic Thermal Modeling and Energy Assessment of a Multi-Zone in F3 Apartment in an Arid Climate of Bechar, Algeria
本文利用 MATLAB/Simscape 开发了阿尔及利亚贝沙尔地区一处标准 F3 公寓的动态多区域热模型，旨在分析极端过热风险，并量化在该地区超干旱气候下维持热舒适度所需的显著每日制冷能耗。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
在世界上最炎热的角落，一场关于舒适度的战斗正在房屋的墙壁内展开。建筑不仅仅是静态的外壳；它们是能够吸收、储存并释放热量的生命系统，对阳光和内部的人类做出反应。当室外空气因剧烈的高温而膨胀，太阳以无情的力度直射时，室内的空气可能会变得异常灼热，迫使人们必须依赖空调才能生存。然而，仅仅打开一台机器并不足以理解这个问题。为了设计出既能保持凉爽又不浪费能源的住宅，科学家必须了解热量是如何随时间在建筑中移动的，了解太阳在一天中不同时间是如何照射不同墙面的，以及人类生活的日常节奏如何为热量增添了自身的份额。这需要超越简单的温度快照，转而观察建筑在数小时内如何像呼吸一样律动与变化。
阿尔及利亚贝沙尔的一组研究人员决定构建一个标准公寓的数字孪生模型，以观察这些力量在地球上最苛刻的气候之一是如何运作的。贝沙尔坐落在一个超干旱地区，那里的夏季白昼酷热难耐，夜晚仅提供短暂的清凉喘息。研究人员专注于一种当地被称为 F3 的常见三室公寓布局，这种布局代表了该地区很大一部分住房存量。他们创建了一个详细的计算机模拟，将公寓分解为六个不同的区域：客厅、厨房、两间卧室、玄关和浴室。他们没有将建筑视为一个单一的盒子，而是模拟了热量流经厚墙、平屋顶和单层玻璃窗的过程，同时还考虑了居住者产生的热量以及试图维持舒适度的空调设备所带来的热量。
模拟过程首先通过剥离空调和人员，来观察建筑在没有任何外部干预下的表现。在没有任何冷却系统的情况下，公寓迅速变成了一个烤箱。研究人员发现，建筑材料（包括空心砖和混凝土）在白天吸收了强烈的太阳能，但在夜间无法足够快地释放热量。这导致内部温度逐日攀升，直至达到危险的峰值。面向西侧和南侧的客厅和其中一间卧室受灾最严重，温度飙升至 46 摄氏度。这是因为当日落西山时，太阳直接照射在这些墙面上，而此时室外空气已处于最高温，形成了一场建筑结构无法抵御的热量风暴。即使是像浴室这样没有直接阳光照射的房间，也因为热量从相邻的热房间通过内墙传导，而出现了显著升温。
当研究人员将典型家庭的日常生活重新引入模型时，情况发生了令人惊讶的变化。人的存在增加了稳定的体热流，但更重要的是，它改变了高温出现的时机。模拟显示，卧室和客厅的温度峰值不仅跟随太阳，还跟随家庭的作息。随着人们在傍晚回家，他们的代谢热与墙壁中储存的热量结合，创造出了与他们的活动相呼应的、带有尖锐锯齿状的温度峰值。作为家庭傍于聚集地的客厅成为了最关键的空间，在有人居住时温度达到了 47 摄氏度。这证明了一个建筑的热性能不仅取决于其墙壁和窗户，而且与人们身处何处以及何时在室内有着深刻的联系。
为了让公寓保持宜居，研究人员随后在模拟中开启了空调，并设定了一个严格的目标：将温度维持在舒适的 25 摄氏度。结果非常触目惊心。对抗极端热量所需的能量是巨大的。仅客厅一间房每天就需要消耗近 15.6 千瓦时的电力。在整个月的时间里，整套公寓为了保持凉爽将消耗超过 1,600 千瓦时的电力，这一数字凸显了在如此气候下电力网络所承受的沉重负担。研究还测试了空调效率的重要性。他们发现，使用更高效的机器可以减少近 15% 的电费，而使用旧的、低效的机型则会增加 20% 的能耗。这证明了设备的选型与建筑设计本身同样重要。
研究结论指出，该地区目前的建筑风格——拥有薄墙和单层玻璃窗——在没有机械辅助的情况下，根本无法应对贝沙尔的极端高温。研究人员提出了可以产生实际影响的改进建议，例如在朝南的窗户上增加遮阳设施，以便在阳光照射到玻璃之前将其阻挡；或者升级为双层玻璃窗以减少热量积聚。他们还提出了一种在夜间开窗的策略，让凉爽的空气冲刷建筑沉重的墙壁，使其在太阳升起前降温。通过理解热量在房屋中移动的精确方式以及人类如何与热量互动，科学家们可以帮助建筑师设计出不仅更凉爽，而且更加高效节能的建筑，从而将与沙漠热浪的斗争转化为一项可控的挑战。
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