基本信息

标题

Building façade photovoltaics enhance global climate resilience
建筑立面光伏提升全球气候适应力

发表时间

2026-03-27

作者

Hou Jiang1, Ling Yao1,2, Jun Qin3, Wenli Zhao4, Tang Liu1, Rui Zhu5,6, Fangyu Ding1, Jia Wang7, Xingxing Zhang1, Fan Zhang8, Ning Lu3, Fenzhen Su1,2 & Chenghu Zhou1

作者机构

1 国家资源与环境信息系统重点实验室，中国科学院地理科学与自然资源研究所，北京，中国

2 中国科学院大学资源与环境学院，北京，中国

3 云南师范大学地理学院，昆明，中国

4 哥伦比亚大学地球与环境工程系，纽约，美国

5 南京师范大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室，南京，中国

6 新加坡科技研究局高性能计算研究所，新加坡共和国

7 北京林业大学精准林业北京市重点实验室，北京，中国

8 北京大学遥感与地理信息系统研究所，地球与空间科学学院，北京，中国

……

期刊

Nature Climate Change

DOI

10.1038/s41558-026-02606-z

摘要

气候变化正加剧全球能源需求并扩大极端高温暴露风险。建筑立面集成光伏系统（FIPV）为可再生能源供电提供了尚未充分开发的机遇，同时提升城市气候韧性。本研究基于全球建筑数据集、气候预测及立面尺度模拟的综合分析表明，可部署式 FIPV 系统年发电量可达732.5±4.5太瓦时（理论范围8.9-7,671.3太瓦时，保守至乐观假设下）。尽管 FIPV 部署成本高于传统光伏系统，但超过80%的城市区域因发电与制冷负荷的协同效应可实现全生命周期成本节约。若采用渐进式S型曲线推广路径并在2050年达到上限潜力， FIPV 可累计减少高达37.7吉吨二氧化碳排放，相当于现行国家政策下避免升温0.0519±0.0111°C。这些结果表明 FIPV 可作为补充分量与适应策略，凸显了制定针对性政策以解决气候韧性城市转型中区域与经济差异的必要性。

导读

引言

研究背景

全球气温持续上升，城市面临由大规模变暖和局部城市热岛效应驱动的复合气候风险。城市地区尤其脆弱，因其高能耗、密集的建筑环境和不透水表面的集中。城市热岛效应不仅加剧了室外热不适和空气污染，还推高了室内制冷需求，给电力系统带来巨大压力。在许多地区，这种能源消耗、排放与城市变暖之间的反馈循环削弱了可持续发展和气候公平的进展。

科学问题与动机

建筑集成可再生能源系统因其减少碳排放和改善城市建筑能源性能的能力而受到越来越多的关注。其中，建筑立面集成光伏（FIPV）系统通过将垂直建筑表面转化为清洁能源发电机，既可抵消电网电力消耗，又能降低室内制冷负荷，从而减少建筑运营排放。当大规模部署时，这些减排量可以显著缓解全球变暖，同时推进城市脱碳和增强气候韧性。

现有研究不足

尽管当前的研究展示了FIPV的前景，但关键的知识空白仍然存在。准确评估需要关于三维建筑几何、材料属性和周围遮荫环境的高分辨率数据，而这些数据在大尺度上往往稀疏或不一致。此外，在密集城市中，太阳能获取受到相互遮挡的限制，使得性能建模更加复杂。这些挑战阻碍了对FIPV潜力及其协同效益的系统性评估。

研究目标与创新

本研究利用卫星衍生的建筑足迹、网格化高度估计和未来气候预测来解决与城市形态和气候输入相关的数据限制。通过整合3D辐射建模、建筑能源模拟和电力调度分析，更好地捕捉现实世界的FIPV性能和负载交互。研究结果表明，FIPV具有增强城市气候韧性的潜力，并为气候响应型城市设计和能源规划提供了可行见解，将其定位为低碳、耐热且经济包容城市的可扩展解决方案。

方法

数据来源与类型

研究整合了Bing Maps全球建筑足迹、Shi等人提供的东亚建筑数据集和He等人构建的全球城市扩展数据集，涵盖超过12亿栋建筑。结合SSP1-2.6情景下的CMIP6气象数据（包括近地面气温、短波辐射、风速和相对湿度），分辨率为0.25°×0.25°。建筑高度和年份属性用于结构与时间特征分析。此外，Overture Maps兴趣点数据排除了受保护或特殊用途建筑。

核心方法或技术

采用三维辐射建模与建筑能耗模拟相结合的方法，通过多情景框架（保守、基准、乐观）评估FIPV潜力。PV系统分为不透明墙板和半透明窗板两类，基于标准测试条件调整U值、功率转换效率等参数。发电量估算利用改进的屋顶-立面框架，考虑遮挡效应和各向异性漫射模型。经济可行性分析包括LCOE计算、支出变化及内部收益率（IRR）。碳减排效益通过建筑物直接替代电网供电和剩余电力出口间接减少排放量化。

研究过程或实验步骤

首先对建筑进行过滤，排除极端遮挡或特殊用途建筑；随后按情景假设分阶段部署FIPV系统，优先选择高收益低障碍建筑。每栋建筑的垂直表面均匀分布传感器点以计算辐照度，并使用最大遮挡角校正直接辐照度。逐小时电力生成基于标准PV性能模型估算。同时设计两种代表性建筑围护结构原型，比较FIPV集成前后的用电需求差异。所有模拟均在0.05°×0.05°网格单元上运行，驱动数据与FIPV生成模型一致。

方法创新点或亮点

首次提出“建筑立面光伏-能耗协同优化”框架，实现从被动遮阳到主动发电的功能跃迁，并引入动态遮挡修正机制与多源数据融合策略，显著提升模拟精度。

结果

全球FIPV发电潜力

研究显示，在全球范围内，可部署的FIPV系统每年可产生732.5 ± 4.5 TWh的电力。根据保守至乐观假设，理论范围为8.9–7,671.3 TWh。尽管FIPV部署成本高于传统光伏，但超过80%的城市地区在其生命周期内因发电和制冷负荷减少而节省开支。

FIPV驱动的电力节约

在基础情景中，FIPV集成使全球年度电力节约达到295.6 ± 12.1 TWh。在乐观条件下，这一数字可升至824.5 ± 33.7 TWh/年，而在保守假设下则降至10.9 ± 0.5 TWh/年。这些节能效益在全球变暖情况下预计会适度增加。

FIPV经济可行性

当前条件下，全球FIPV系统的LCOE范围从0.069到0.316美元/kWh，中位数为0.147美元/kWh。仅26%的全球基础情景FIPV潜力落在公用事业规模范围内。然而，在许多高收入国家，FIPV接近电网平价，包括中国和美国等主要潜在市场。

结论

建筑立面光伏系统可显著提升城市气候适应力

研究表明，全球范围内部署建筑立面集成光伏（FIPV）系统每年可产生732.5 ± 4.5 TWh的电力，并减少建筑物8.1%的用电需求。通过结合发电与冷却负载降低，超过80%的城市区域在其生命周期内实现支出节省。在逐步采用的情况下，到2050年FIPV可累计减少高达37.7 GtCO2的排放量，相当于避免升温0.0519 ± 0.0111°C。这表明FIPV是一种有效的缓解-适应策略，有助于增强城市的能源韧性。

FIPV经济可行性依赖于政策支持和技术优化

尽管当前FIPV系统的平准化电力成本高于传统光伏，但通过提高自消费率、本地微电网整合以及适当的政策激励，如税收抵免或补贴贷款，可以显著改善其经济性。内部收益率分析显示，在西欧、南亚和巴西等热点地区，FIPV投资回报率超过15%，这些区域应优先推广FIPV技术。此外，储能配置和模块效率提升也能进一步优化经济效益。

FIPV对碳减排和升温控制具有双重贡献

FIPV通过直接替代建筑部门的电网供电和间接出口多余电力至电网来减少碳排放。若按S型扩散路径达到基础情景饱和度，到2050年FIPV在全球范围内可累计减少6.78 GtCO2的排放，其中建筑部门占4.71 Gt，电力部门占2.07 Gt。根据瞬态气候响应模型估算，这种减排效果可避免约0.052°C的升温，为延缓危险临界点提供宝贵时间窗口。

局限性与展望

现有研究基于多种假设，包括技术扩散速度、未来气候政策及电网整合情况，因此定量结果需谨慎解读。实际应用中，FIPV部署还需考虑建筑改造的社会文化约束、融资限制以及局部微气候影响。未来工作应结合高分辨率城市气候建模与建筑尺度能源模拟，以评估这些权衡并指导气候友好型FIPV设计。

主要图表

图 1. 全球FIPV部署的发电潜力。 a，保守、基准和乐观情景下的全球FIPV潜力，其变化定义在建筑、立面和光伏系统层面（补充表2）。保守和基准柱上方的正值表示若系统级参数（浅色）或系统与立面级参数（深色）提升至下一更乐观情景水平所能实现的额外发电潜力。 b，在SSP1–2.6气候预测下，2020–2050年基准情景全球FIPV潜力的演变。线性趋势采用普通最小二乘回归估计。斜率的统计显著性通过双侧t检验评估。 c，遵循S形扩散路径的动态FIPV发电。 d，基准情景下0.25°×0.25°分辨率的最大FIPV潜力空间分布。白色区域表示无合适建筑的地区。 e,f，基准情景下单位面积FIPV发电量的纬向（e）和经向（f）变化，以0.25°间隔平均。 g，全球及欧盟（EU）前十国家年度基准情景FIPV发电潜力。 h，各情景下FIPV发电量与电力需求比值的分布（颜色对应a图所示）。

图 2. FIPV应用带来的全球节电效益。 a，基准情景下0.25°×0.25°网格单元潜在节电量的空间分布（补充表2），假设采用集中式或燃气供暖；白色区域表示无合适FIPV部署建筑的地区。 b，乐观、基准和保守情景下的全球总节电量；基准情景包含两项估算：一项假设集中式或燃气供暖，另一项反映若在冬季平均气温低于0 °C地区使用电加热时节电量的减少（方法部分）。 c，在SSP1–2.6情景下2020–2050年潜在节电量的预测演变。线性趋势采用普通最小二乘回归估计。斜率的统计显著性通过双侧t检验评估。 d，全球前十国家及欧盟前十国家的年度节电量。 e,f，节电比例的纬向（e）和经向（f）变化。 g，按柯本–盖革气候区划分的平均节电比例。气候缩写遵循柯本–盖革分类法（补充图8a）。

图 3. 基准情景下FIPV部署的经济可行性。 a，平准化度电成本（LCOE）。 b，按LCOE递增排序的累计发电潜力。 c，LCOE与现行零售电价的比较；当LCOE < 零售电价时即实现电网平价。 d，因FIPV部署导致的25年电费支出变化。 e，各国电费支出变化与零售电价之间的关系。 f，在电费支出呈正向变化地区的内部收益率（IRR）。 g，在国家层面IRR与零售电价的相关性。在a、d和f中，插图使用小提琴图和箱线图展示网格单元值的分布。中心线表示中位数；箱体表示四分位距（25th–75th百分位）；须线表示剔除异常值后的最小值和最大值。所有分析均在0.05°×0.05°网格单元级别（n = 47,175）进行，将每个单元视为聚合FIPV发电与电力需求的本地微电网。在c、e和g中，国家级平均值按世界银行收入分类分组（补充图8b）。

图 4. 全球FIPV部署的碳减排与升温缓解潜力。 a，2026–2050年基准扩散路径（补充图13a）和电网脱碳的既定政策情景（STEPS）（补充图13b）下各国累计碳减排潜力；实心色块表示通过替代建筑用电产生的减排，圆圈大小表示通过向电网输送盈余电力所能实现的最大额外减排（假设零弃光）。 b，在三种气候政策情景（STEPS、SDS和NZE）和三种FIPV扩散路径（保守、基准和乐观）下的全球碳减排潜力。 c，在三种气候政策情景下基准扩散路径的年度碳减排轨迹。 d，基于CMIP6多模型均值推导的区域瞬态气候响应（TCRE）空间格局。 e，在三种气候政策情景下基准扩散路径的FIPV部署所实现的全球升温缓解；实线和虚线代表九个地球系统模型（ESMs）（n = 9）的CMIP6模型集合均值，阴影带表示四分位距（25th–75th百分位）。

扩展数据图 1. FIPV发电满足建筑电力需求的空间与时间特征。 a，乐观情景下0.25°×0.25°分辨率的最大FIPV潜力空间分布。插图显示动态扩散（类似图1c）、气候影响（类似图1b）以及前十国家的年度潜力。插图时间序列中的线性趋势采用普通最小二乘回归估计。回归斜率的统计显著性通过双侧t检验评估。 b，同a，但为保守情景。 c，在SSP1–2.6情景下2020–2050年全球FIPV潜力的预测线性趋势。在网格单元级别（n = 47,175）采用双侧普通最小二乘回归评估统计显著性。标示p < 0.05的网格单元。 d，基准情景和SSP1–2.6气候预测下2046–2050年与2020–2024年平均FIPV潜力的绝对变化。 e–f，基准情景下建模建筑的年度电力需求（e）及FIPV潜力与电力需求比值（f）的空间特征。

扩展数据图 2. 不同FIPV部署与供暖假设下的节电效益。 a–b，乐观（a）和保守（b）情景下（见补充表2）的潜在节电量，假设采用集中式或燃气供暖。 c–d，基准情景下若在冬季平均气温低于0 °C地区采用电加热时的潜在节电量（c）及供暖需求增加量（d）。各面板呈现0.25°×0.25°网格单元的空间分布、SSP1–2.6气候预测下2020–2050年的时序趋势以及前十国家的年度总量。插图时间序列中的线性趋势采用普通最小二乘回归估计。回归斜率的统计显著性通过双侧t检验评估。

扩展数据图 3. 储能对FIPV部署经济可行性的影响。 a，无储能情况下0.05°×0.05°网格单元级别的FIPV发电自消纳率。插图使用小提琴图和箱线图展示网格单元值（n = 47,175）的分布。中心线表示中位数；箱体表示四分位距（25th–75th百分位）；须线表示剔除异常值后的最小值和最大值。 b–d，参考储能配置（每千瓦光伏容量配备600 W（7.2 kWh）电池容量）下的自消纳率（b）、电费支出变化（c）及内部收益率（d）。 e–g，自消纳率（e）、电费支出变化（f）及内部收益率（g）对储能配置的敏感性；标签表示各配置下的中位数值。所有分析均基于基准情景。

扩展数据图 4. 电网集成对FIPV部署经济可行性的影响。 a，单体建筑级别（即无本地电网集成）的FIPV发电自消纳率。 b，在三个代表性气候区，单体建筑级别与网格单元内电网集成后的自消纳率对比。 c–d，单体建筑级别的累计电费支出变化（c）及内部收益率（d）。在a、c和d中，插图使用小提琴图和箱线图展示网格单元值（n = 47,175）的分布。中心线表示中位数；箱体表示四分位距（25th–75th百分位）；须线表示剔除异常值后的最小值和最大值。与图3相比，这些结果突显了本地电网聚合在提高自消纳率和经济表现方面的益处。所有分析均基于基准情景。

扩展数据图 5. 乐观与保守扩散路径下FIPV部署的碳减排与升温缓解效益。 a，基于电网脱碳的既定政策情景（STEPS），乐观扩散路径下2026–2050年各国累计碳减排潜力（类似图4a）。 b，在乐观扩散路径及三种气候政策情景（STEPS、可持续发展情景（SDS）和净零排放（NZE））下的年度碳减排轨迹（类似图4c）。 c，在乐观扩散路径及三种气候政策情景下FIPV部署实现的全球升温缓解（类似图4e）。实线和虚线代表九个地球系统模型（ESMs）（n = 9）的CMIP6模型集合均值，阴影带表示四分位距（25th–75th百分位）。 d–f，同a–c，但为保守扩散路径。

扩展数据图 6. FIPV驱动的减排量与国家能源系统特征之间的关系。 a，建筑相关减排量与国家电网排放因子之间的关系。 b，最大电力部门减排量与国家电网中太阳能和风能渗透率之间的关系。圆圈大小表示基准扩散路径及电网脱碳的既定政策情景（STEPS）下的总减排量。各国按基本经济状况分组（见补充图8c）。