姜侯、姚凌、秦軍等在Nature Climate Change發(fā)文提出建筑立面光伏提升全球氣候韌性
在全球氣候變暖背景下，城市正面臨能源需求增長、極端高溫頻發(fā)和熱島效應增強等多重挑戰(zhàn)。作為人口、建筑和能源消費高度集聚的區(qū)域，城市一方面是碳排放的重要來源，另一方面也是氣候風險最敏感的空間單元。如何在城市建成環(huán)境中挖掘兼具減排與適應雙重效益的可再生能源路徑，已成為全球可持續(xù)發(fā)展研究的重要前沿問題。建筑立面光伏（Fa?ade-Integrated Photovoltaics, FIPV）通過將建筑外立面轉(zhuǎn)化為發(fā)電界面，不僅能夠提供清潔電力，還可通過遮陽與隔熱效應降低建筑冷負荷，被認為是增強城市氣候韌性的潛在解決方案。然而，受限于全球尺度建筑三維結構數(shù)據(jù)不足、城市遮擋環(huán)境復雜以及立面光伏系統(tǒng)性能評估難度較高，其大范圍應用潛力及綜合氣候效益長期缺乏系統(tǒng)量化。
針對這一問題，作者綜合利用全球建筑數(shù)據(jù)集、未來氣候情景數(shù)據(jù)以及建筑尺度物理模擬方法，構建了面向全球建筑立面光伏的高分辨率評估框架。研究集成了建筑輪廓與高度信息、三維太陽輻射模擬、建筑能耗模擬以及并網(wǎng)條件下的電力調(diào)度分析，首次在全球尺度系統(tǒng)評估了建筑立面光伏的發(fā)電潛力、節(jié)電效應、經(jīng)濟可行性以及碳減排和減緩變暖貢獻。研究表明，建筑立面光伏不僅可作為傳統(tǒng)屋頂光伏的重要補充，而且有望成為兼顧城市減碳、熱適應與能源公平的重要技術路徑。
研究結果顯示，在基準情景下，全球可部署建筑立面光伏系統(tǒng)年發(fā)電潛力可達 732.5 ± 4.5 TWh；在保守和樂觀假設下，其理論范圍為 8.9–7671.3 TWh。從空間格局上看，潛力主要集中于建筑密度高、城市化水平高的人口集聚區(qū)，中國和美國位居全球前列，基準情景下年發(fā)電潛力分別達到 191.8 TWh 和 135.4 TWh。研究還發(fā)現(xiàn)，盡管建筑朝向會影響局部輻照條件，但在全球尺度上，建筑數(shù)量和立面面積仍是決定立面光伏發(fā)電潛力的主導因素。與傳統(tǒng)依賴水平屋頂或地面空間的光伏形式相比，建筑立面光伏充分利用垂直表面資源，能夠為高密度城市提供新的分布式清潔能源供給方式。
除發(fā)電效益外，建筑立面光伏還可通過遮擋太陽輻射和提升圍護結構熱阻，顯著降低建筑制冷負荷。模擬表明，在基準情景下，全球建筑立面光伏每年可節(jié)省?295.6 ± 12.1 TWh 的電力，相當于建筑用電量平均下降 8.1%。在熱帶、亞熱帶及部分干旱地區(qū)，該節(jié)電效益尤為顯著。相比之下，高緯寒冷地區(qū)由于冬季被動太陽得熱減少，節(jié)電效應相對較弱，部分依賴電采暖的區(qū)域甚至可能在冬季出現(xiàn)用電反彈。這一結果說明，建筑立面光伏的綜合效益具有顯著的氣候區(qū)差異，其優(yōu)化部署需要與區(qū)域建筑特征、冷熱需求結構和窗墻比條件相協(xié)調(diào)。
在經(jīng)濟性方面，研究從平準化度電成本、生命周期電費變化和內(nèi)部收益率三個維度進行了綜合評估。結果表明，盡管建筑立面光伏的單位發(fā)電成本整體高于傳統(tǒng)集中式光伏，但綜合考慮發(fā)電收益與制冷節(jié)能效益后，全球超過 80% 的城市網(wǎng)格單元可實現(xiàn)生命周期電力支出凈下降。在零售電價較高、光伏自發(fā)自用比例較高的地區(qū)，其經(jīng)濟性較為突出。進一步分析顯示，配置適度儲能、提升本地消納水平、發(fā)展社區(qū)微電網(wǎng)，以及通過稅收優(yōu)惠、金融支持和碳減排補償機制降低前期投資成本，將顯著提升建筑立面光伏的市場競爭力和推廣可行性。
研究進一步量化了建筑立面光伏通過替代建筑購電和向電網(wǎng)輸送剩余電力所帶來的雙重減排貢獻。結果表明，若建筑立面光伏在2050年前按照典型S曲線擴散路徑逐步推廣，在既定政策情景下，累計可實現(xiàn)最高 37.7 Gt CO? 的減排，對應可避免約 0.0519 ± 0.0111 °C 的全球升溫。盡管這一絕對溫度值看似有限，但對延緩逼近若干氣候臨界閾值、為城市和地球系統(tǒng)爭取適應時間窗口具有重要意義。研究據(jù)此指出，建筑立面光伏不僅是一種建筑可再生能源利用方式，更是一種兼具減緩與適應雙重屬性的城市氣候韌性提升策略。
研究同時指出，建筑立面光伏的大規(guī)模推廣仍面臨若干現(xiàn)實挑戰(zhàn)，包括既有建筑改造成本高、不同地區(qū)融資能力差異明顯、城市微氣候影響仍存在不確定性，以及建筑美學、文保和政策制度等方面的約束。因此，未來應加強建筑尺度能耗模擬與城市尺度氣候模擬的耦合研究，進一步厘清建筑立面光伏對局地熱環(huán)境、能源系統(tǒng)協(xié)同以及公平轉(zhuǎn)型的綜合影響，并通過差異化政策設計推動其在高溫脆弱、能源密集和快速城市化地區(qū)優(yōu)先落地。該研究系統(tǒng)揭示了建筑立面光伏在全球范圍內(nèi)的發(fā)電潛力、節(jié)電效益、經(jīng)濟可行性及氣候韌性價值，為面向未來的低碳城市設計與能源轉(zhuǎn)型提供了重要科學依據(jù)，也為推動減緩與適應協(xié)同的城市氣候治理提供了新的技術路徑。
研究成果以“Building fa?ade photovoltaics enhance global climate resilience”為題，于2026年3月27日在線發(fā)表在Nature Climate Change。中國科學院地理資源所姜侯副研究員為論文第一作者，中國科學院大學姚凌研究員、云南師范大學秦軍教授為共同通訊作者。合作者包括哥倫比亞大學趙文利博士、新加坡高性能計算研究所與南京師范大學朱瑞教授、北京林業(yè)大學王佳教授、北京大學張帆研究員、云南師范大學呂寧教授、中國科學院地理資源所劉唐博士后、丁方宇副研究員、張星星副研究員、蘇奮振研究員、周成虎研究員等。研究得到了中國科學院B類戰(zhàn)略性先導科技專項和國家自然科學基金等項目資助。
文章信息：
Jiang, H.ψ, Yao, L.*, Qin, J.*, Zhao, W., Liu, T., Zhu, R., Ding, F., Wang, J., Zhang, X., Zhang, F., Lu, N., Su, F., Zhou, C. Building fa?ade photovoltaics enhance global climate resilience.?Nature Climate Change (2026).?https://doi.org/10.1038/s41558-026-02606-z
文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41558-026-02606-z
圖 1. 全球建筑立面光伏潛力空間分布及不同情景下的碳減排潛力
附件下載：
在線留言
聯(lián)系我們
所長信箱