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姜侯、姚凌、秦軍等在Nature Climate Change發文提出建筑立面光伏提升全球氣候韌性
文章來源： | 發布時間：2026-04-01 | 【打印】 【關閉】
在全球氣候變暖背景下，城市正面臨能源需求增長、極端高溫頻發和熱島效應增強等多重挑戰。作為人口、建筑和能源消費高度集聚的區域，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，已成為全球可持續發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化為發電界面，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據不足、城市遮擋環境復雜以及立面光伏系統性能評估難度較高，其大范圍應用潛力及綜合氣候效益長期缺乏系統量化。
針對這一問題，作者綜合利用全球建筑數據集、未來氣候情景數據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條件下的電力調度分析，首次在全球尺度系統評估了建筑立面光伏的發電潛力、節電效應、經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年發電潛力可達 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，中國和美國位居全球前列，基準情景下年發電潛力分別達到 191.8 TWh 和 135.4 TWh。研究還發現，盡管建筑朝向會影響局部輻照條件，但在全球尺度上，建筑數量和立面面積仍是決定立面光伏發電潛力的主導因素。與傳統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，該節電效益尤為顯著。相比之下，高緯寒冷地區由于冬季被動太陽得熱減少，節電效應相對較弱，部分依賴電采暖的區域甚至可能在冬季出現用電反彈。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差異，其優化部署需要與區域建筑特征、冷熱需求結構和窗墻比條件相協調。
在經濟性方面，研究從平準化度電成本、生命周期電費變化和內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電成本整體高于傳統集中式光伏，但綜合考慮發電收益與制冷節能效益后，全球超過 80% 的城市網格單元可實現生命周期電力支出凈下降。在零售電價較高、光伏自發自用比例較高的地區，其經濟性較為突出。進一步分析顯示，配置適度儲能、提升本地消納水平、發展社區微電網，以及通過稅收優惠、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、為城市和地球系統爭取適應時間窗口具有重要意義。研究據此指出，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模推廣仍面臨若干現實挑戰，包括既有建筑改造成本高、不同地區融資能力差異明顯、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境、能源系統協同以及公平轉型的綜合影響，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優先落地。該研究系統揭示了建筑立面光伏在全球范圍內的發電潛力、節電效益、經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型提供了重要科學依據，也為推動減緩與適應協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
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https://www.nature.com/articles/s41558-026-02606-z
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