辐射冷却与绿色光伏建筑一体化外立面：跨局部气候区的能源与城市热效应权衡

《Sustainable Cities and Society》：Radiative cooling and green BIPV fa?ades: Energy and urban heat trade-offs across local climate zones

　　- PV 立面使 LCZ 4 的夏季平均气温升高了 0.73°C。- 城市形态强烈影响城市热岛效应、建筑能耗和光伏输出。- 辐射制冷（RC）立面可使能耗强度（EUI）最多降低 2.50%，并使光伏效率最多提高 3.61%。- 垂直绿化立面降低了城市热岛效应，但其能耗与光伏效果因 LCZ 而异。- 在已划分的 LCZ 区域面积中的 93.4%，低覆盖率 PV 配合 RC 立面为最优方案。## 引言建筑行业是全球能源与环境挑战的核心支柱，约占全球终端能源消耗的 30% 以及能源相关温室气体排放的 28%（IEA, 2019）。在迫切追求城市脱碳的进程中，光伏建筑一体化（BIPV）已作为一项关键技术崭露头角。BIPV 不仅能够产生清洁能源，还能减少材料使用，构成在城市中减缓运行碳与隐含碳的双重策略（Xie 等，2026）。BIPV 的净能源效益不仅限于其电力输出，还与城市微气候之间的复杂反馈回路紧密相关（L. Chen 等，2026）。建筑制冷需求对外部热环境十分敏感，而深色光伏组件会吸收大量太阳辐射、升高立面温度（Santamouris 等，2015），并向周围环境释放额外的显热（Elhabodi 等，2023）。这些相互作用表明，评估 BIPV 的效益不应仅着眼于发电量，还应考虑建筑能耗需求与街区层面的热环境状况。辐射制冷（RC）材料与垂直绿化越来越多地作为辅助立面策略被研究，以缓解与 BIPV 相关的热影响。RC 材料兼具高太阳反射率与大气窗口内强热发射能力（Su 等，2026），即使直接暴露于太阳下也能实现被动排热并降低外表面温度（Alao 等，2025）。因此，将其与 BIPV 结合可通过降低组件温度提升光伏电气效率（Lin 等，2026），减少通过建筑围护结构的热量传递，并限制向周围环境释放显热（Qu 等，2026；Yadav 等，2026）。垂直绿化则通过遮荫、蒸腾与热绝缘提供另一路径（E. S. Kim 等，2023），可降低立面温度、减少制冷需求并改善局部热环境（Cui 等，2024；Cui, Zhu 等，2026）。与此同时，建筑能耗建模（Y. Kim 等，2026；Schildt 等，2025）、城市冠层模型（Lieber & Yang, 2026）与计算流体力学（Mun 等，2026）已成为量化建筑尺度能量流与街区尺度微气候相互作用的成熟工具。在此建模框架下，局地气候区（LCZ）框架为将城市形态与微气候及建筑能耗性能相联系提供了统一基础（Jie 等，2026；Joshi 等，2026）。通过依据建筑高度、密度、表面覆盖与植被对城市区域进行分类（Q. Li, Krapf 等，2024；X. Yang 等，2020），LCZ 支持在不同城市形态间系统比较太阳辐照、通风、蓄热、近地表温度与建筑制冷需求（S. Liu 等，2026；Tian 等，2024）。然而，在其交叉领域仍存在关键空白，阻碍了集成系统的优化设计与部署。多数研究孤立评估光伏发电量或建筑节能，忽视了立面与周边街道峡谷之间的双向热相互作用，而这对于量化真实系统级性能至关重要。尽管已有针对光伏（Reffat & Ezzat, 2023）、垂直绿化（Báez-García 等，2024；Cui, Ge 等，2026）或冷材料（C. Li 等，2025；Wang 等，2026）的单独研究，却显著缺乏在一致城市形态与气候条件下，对 PV-RC 立面或 PV-绿化立面等先进复合材料与标准 BIPV 的系统性、并列对比。研究结论往往局限于单一地点或通用城市形态，缺乏关于性能如何随 LCZ 等系统划分的多样化真实城市肌理而变化、可推广的理解。为弥补这些空白，本研究旨在在城市尺度上全面评估 PV-RC 复合立面与 PV-绿化复合立面对微气候、建筑能耗与可再生能源发电的集成影响。这些复合系统的性能针对一系列代表建筑型 LCZ（1–9）的理想化城市街区基准进行严格评估，并以标准 BIPV 立面为基线，研究背景为香港高密度、亚热带环境。通过采用耦合的微气候—建筑能耗仿真框架，本工作提供了具有普适性的定量证据基础，以指导气候针对性的立面改造策略。所获洞见对于城市规划者与建筑师作出明智决策至关重要——这些决策能同时降低峰值能源需求、提升城市宜居性，并加速迈向碳中和建筑环境的进程。## 章节片段### 室外—围护结构—室内系统的动态耦合模型为量化光伏与 RC 及绿化立面结合后对室外—室内集成系统的影响，本研究建立了一个动态双向耦合仿真框架。能量流可见图 1。首先建立街道峡谷微气候模型，以估算与不同 LCZ 形态及立面配置相关的峡谷尺度热响应与城市气象条件（第 2.1.1 节）。随后是作为……的光伏立面能量平衡模型。### 不同 LCZ 的微气候为厘清城市形态与立面策略如何共同影响 BIPV 部署的微气候后果，图 6(a)、(b) 与 (c) 对比了八个 LCZ 的日均城市热岛强度分布。在基线立面下，中心热岛水平总体上由紧凑的高层与多层区向更开放或稀疏建设区递减，其中 LCZ 1 的分布中心最高，LCZ 9 最低。延长的上尾表明若干……### 讨论本研究解决了这样一个研究问题：在统一框架下评估微气候、建筑能耗与可再生能源发电时，光伏、RC 与绿化立面如何与城市形态相互作用。结果确认，这些技术在不同空间尺度或性能指标上并不会产生普遍的共同效益。光伏安装主导了冠层的热响应，尤其在通风受限、辐射陷阱效应显著的紧凑 LCZ 中。### 结论本研究采用耦合的微气候与建筑能耗仿真框架，评估了城市形态、立面改造策略与光伏覆盖率对外部热环境、建筑能耗及光伏发电量的综合影响。在香港夏季气候条件下，考察了涵盖八种建筑型 LCZ、三种立面配置与三种光伏安装水平的七十二种情景。通过将街区尺度微气候条件纳入建筑……### 作者贡献全体作者均参与了本文的撰写。Zhou X. 博士与 Wei H. 女士指导了整体研究。### CRediT 作者贡献声明Yuanhao Jiao：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，方法论。Geoffrey Qiping Shen：监督，资源，经费获取。Xiaodong Li：验证，资源，数据整理。Han Wang：验证，软件，调查研究。Hailu Wei：撰写—审阅与编辑，可视化，方法论，概念构思。Jason Xin Zhou：撰写—审阅与编辑，监督，经费获取。### 利益冲突声明作者声明，他们不存在任何已知的、可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本研究主要获国家自然科学基金（批准号：52578381）、国家自然科学基金／香港研究资助局合作研究计划（项目号：CRS_PolyU505/23，72321167654）及战略公共政策研究（SPPR）资助计划（项目号：S2023.A6.023.23S）的大力支持。Yuanhao Jiao | Geoffrey Qiping Shen | Xiaodong Li | Han Wang | Hailu Wei | Jason Xin Zhou