炎热地中海气候下通过光伏建筑一体化规划净零城市环境

《Sustainable Cities and Society》：Planning for Net-Zero Urban Environments in the Hot Mediterranean Climate through Building-Integrated Photovoltaics

　　

•参数化工作流程评估在规划约束条件下的建筑一体化光伏（BIPV）潜力。
•更高密度增加BIPV太阳能采集，但不一定提升净能源补偿。
•全生命周期和经济绩效指标揭示了BIPV部署中的权衡关系。
•实现净零进展需要BIPV集成与需求削减并行推进。
•研究结果支持在地中海城市环境中制定净零规划。

## 引言

全球城市化进程加速，要求在城市规划中融入可持续发展战略（联合国人居署，2024；Wei等，2016）。城市密度和形态强烈影响太阳辐射分布、建筑能源性能以及建筑围护结构的日照条件（Chatzipoulka等，2016；Mohajeri等，2016）。因此，有效管理和预测太阳辐射对于实现能效和提升可持续、舒适的建成环境至关重要（Mohajeri等，2019）。

在密集城市环境中，场地覆盖率、建筑高度和建筑间距的变化显著影响立面太阳辐射和自然采光条件，但也可能增加能源负荷（Nasrollahi & Rostami，2023；Tian & Xu，2021；Yang等，2010）。与此同时，建筑围护结构的高太阳辐射为通过建筑一体化光伏系统（BIPV）进行主动能源生产提供了机会，这一领域在过去十年中受到了广泛关注（Bazán等，2018；Huang等，2024；Zomer等，2020）。BIPV系统不仅能够抵消运营能源负荷和温室气体排放（GHG），还推动了向净零能源建筑（nZEB）和净零能源城市（nZEC）的转型（欧盟委员会，2022；Karlessi等，2017）。

这在密集城市环境中尤为重要，因为可用屋顶空间有限，而集成式BIPV系统在不破坏现有城市肌理的前提下，提供了一条最大化现场可再生能源生产的可行途径（Díez-Mediavilla等，2019；J. Zhang等，2019）。此类考量日益得到新兴技术指导的支持，例如ASHRAE城市光伏系统性能准则（ASHRAE，2023）。

已有多项研究考察了建筑、社区和城市尺度的太阳能潜力与城市形态之间的关系（Chen等，2023；Lee等，2016；Saretta等，2019）。城市建筑能源建模（UBEM）进一步实现了多栋建筑能源需求和光伏发电的综合评估（Boccalatte等，2020），而城市尺度的BIPV研究则强调了周围形态和遮挡对能源需求及太阳能采集潜力的影响（Medioni等，2024；Shirazi等，2019）。

然而，大多数研究基于简化的城市条件通用模型（Asfour & Alshawaf，2015；Duran等，2022；Liu等，2023；J. Zhang等，2019）。尽管近期研究在推进社区尺度BIPV评估和集成城市能源建模方面取得了进展，但在将UBEM与基于全生命周期的BIPV评估结合现行规划法规和城市密度化战略，以评估地中海气候条件下的可再生能源性能和经济可行性方面的研究仍然有限（Attia等，2017；Díez-Mediavilla等，2019；Jandl等，2025；Natanian等，2019；Zhao等，2023）。

本研究通过引入一种新型参数化工作流程，评估地中海气候条件下城市几何形态、太阳能可用性和能效之间的关系，明确纳入了气候、形态和地方监管框架（见第2节）（Negendahl，2016；Touloupaki & Theodosiou，2017；Zhao等，2023b）。研究进一步考察了建筑密度和形态的变化如何影响太阳能采集潜力和净能源性能，以及在何种条件下立面和屋顶集成式BIPV系统可以支持净零能源发展（Jandl等，2025；Plan Provisions Local，2016；Sun等，2021；Tian & Xu，2021）。

本研究在特拉维夫一个代表性城市街区内的四栋住宅建筑中评估BIPV潜力，涉及两种容积率（FAR）方案，分别代表中密度和高密度开发。方法论由两个连续阶段组成。第一阶段探索在地方规划约束下建筑高度、朝向和立面太阳辐射的参数化变化。第二阶段利用一套全面的绩效指标（KPI），涵盖可再生能源发电、全生命周期能源性能、净能源补偿和经济可行性，在四种评估方案中评估BIPV表现。

第二阶段采用建筑城市分析（BUA）平台，这是一个定制的Grasshopper插件，集成了独立的Python功能，将UBEM、太阳辐射模拟、BIPV评估和全生命周期分析整合在一个统一的决策支持框架中（Medioni等，2024）。研究评估了两个能源投资回报（EROI）阈值（EROI = 1.1和1.5），以比较以数量为导向和以质量为导向的BIPV部署策略及其对全生命周期能源性能和经济可行性的影响。

通过将此工作流程应用于特拉维夫一个代表性城市街区，本研究展示了在地中海气候的地方规划条件下，城市形态、规划密度和BIPV部署策略如何共同影响可再生能源潜力和净能源性能。本研究不仅产生纯理论的优化结果，还为建筑师、规划师和政策制定者提供了一种可转移的方法论，用于评估地中海及类似气候背景下城市密度化对BIPV部署的影响。

在以色列，更新的国家规划框架日益推动紧凑型高密度开发和垂直建设，在现有城市区域内实施（特拉维夫-雅法市政厅，2017）。更高密度的开发被广泛认可为创建更具韧性、可持续和高性能城市的策略，在容纳城市增长的同时保护地面公共空间（Chokhachian等，2020；Guo等，2017；Hang等，2012；Saroglou等，2017；Wang等，2025）。通过垂直建设，更多土地可用于开放空间、公共设施和生态廊道，从而促进城市韧性和生活质量（Dmitrovi?等，2025；Ehab等，2025）。

在这一规划背景下，在战略城市位置进行垂直开发也被倡导为提高土地利用效率和扩展公共开放空间的手段。然而，城市密度增加也影响日照条件、微气候条件和建筑能源性能，使城市形态与环境性能之间的关系成为关键设计考量（Emmanuel & Steemers，2018；Ng，2010；Oh & Kim，2019；Pont等，2021；Teller，2021）。因此，本研究考察了特拉维夫一个代表性市中心街区，评估不同基于容积率的开发方案如何在符合现行规划法规的同时支持气候适应性和近零能源城市发展（Plan Provisions Local，2016）。

## 整合规划与监管框架

以色列的城市发展受到国家法律框架和地方总体规划的共同影响。其中最重要的是国家总体规划（NOP），设定了全国土地利用和开发指南；"Pinui-Binui"（疏散与建设）城市更新计划；以及Plan 5000（TAMA/5000），即特拉维夫-雅法总体规划，描绘了该市2025年战略愿景。这些框架共同强烈影响城市形态，支持……

## 方法论

开发了一种参数化工作流程，用于评估特拉维夫在监管和气候条件下的建筑体量替代方案。该工作流程通过建筑高度、朝向和空间排列的变化，探索两种容积率方案所允许的设计空间，同时遵守规划约束条件。方法论包含两个阶段：第一阶段识别具有较高立面太阳辐射的配置方案，第二阶段评估其BIPV潜力，使用经济性能指标和……

## BIPV绩效指标方案结果

本节展示了四种BIPV评估方案（表5）的净能源补偿（NEC）和隐含碳排放密度（HED）结果，基于先前选定的40种建筑围护结构太阳辐射最大化的设计配置（见第3节）。结果揭示了在两种容积率框架下，建筑形态和经济参数如何影响净零能源性能的推进。为支持对这些定量差异的解读，图11展示了代表性……

## 讨论

四种评估方案展示了经济假设和隐含碳阈值如何影响项目接近净零能源性能的程度。虽然引入经济假设旨在反映现实中的立面替换条件，但本文并不旨在得出普遍性的经济结论或投资建议。相反，经济指标在此处被用作设计筛选工具，以评估BIPV集成何时在形态上可行……

## 结论

本研究通过引入一种参数化工作流程，将城市形态、立面太阳辐射和立面一体化BIPV部署在现行规划约束下联系起来，解决了地中海炎热城市城市密度化和能源自给的双重挑战。通过纳入地方容积率法规和特定城市背景，该方法为建筑师、规划师和政策制定者提供了一种实用的早期决策支持框架。

结果表明……

## 作者贡献

概念化：S. Saroglou, A. Yezioro
方法论：S. Saroglou, E. Medioni, K. Gautam
软件：E. Medioni
调查：S. Saroglou
形式分析：S. Saroglou
撰写——初稿：S. Saroglou
撰写——审阅与编辑：全体作者
监督：A. Yezioro, S. Spatari

## 资助

本研究由以色列理工学院（Technion – Israel Institute of Technology）大理工大学能源计划（GTEP）通过GTEP杰出博士后研究员能源资助计划支持。

## 未引用参考文献

Lee等，2018, MetSolar 2022, 以色列标准学会（SII）2017, Corti等，2020

## CRediT作者贡献声明

Soultana (Tanya) Saroglou：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，概念化。Elie Medioni：软件，方法论。Kushagra Gautam：撰写——审阅与编辑，方法论。Sabrina Spatari：撰写——审阅与编辑，监督。Abraham Yezioro：撰写——审阅与编辑，监督。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

作者感谢大理工大学能源计划（GTEP）和以色列理工学院（Technion – Israel Institute of Technology）的支持。

Soultana (Tanya) Saroglou | Elie Medioni | Kushagra Gautam | Sabrina Spatari | Abraham Yezioro