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从发电玻璃到“气候调节器”，BIPV系统如何实现冬暖夏凉？
发布时间：
2026-04-14 00:00
从发电玻璃到“气候调节器”，BIPV系统如何实现冬暖夏凉？
作为兼具发电与建筑围护双重功能的技术，建筑一体化光伏（BIPV）的隔热与保温性能是其影响建筑能耗与城市微气候的关键物理属性。《通过全市范围建筑光伏一体化部署缓解城市气候-能源反馈循环》一文，从BIPV固有的围护结构功能出发，特别关注其作为建筑外皮的隔热与保温性能对建筑热工过程的影响。
传统研究多聚焦于BIPV的发电能力，然而其作为建筑表皮材料，通过改变建筑外表面的热工特性（如太阳辐射吸收、热传导与热惯性），直接影响建筑室内冷热负荷与外墙外表面温度，进而潜在地参与并调节建筑与城市气候之间的能量交换。这一物理过程是理解BIPV能否介入并打破“热岛-能耗”恶性循环的关键起点。
研究结合香港城市建筑地理数据库，量化分析了不同BIPV覆盖率情景下其对建筑能耗、城市微气候及整体能源平衡的综合影响。结果表明，BIPV不仅能够直接发电并降低建筑制冷需求，还可通过昼夜不对称的温度调节机制缓解热岛效应，进而在城市尺度实现最高达10.1%的净节能效益。
研究详细内容如下：
一、研究背景
随着城市化加剧，城市热岛效应与建筑制冷能耗之间形成自我强化的恶性循环，传统缓策略往往孤立处理能源、建筑与热环境问题，难以系统性破解这一困局。建筑一体化光伏系统作为兼具发电与围护功能的技术，其大规模部署对城市微气候与建筑能耗的综合影响尚不明确，尤其在城市尺度上的净效应仍缺乏量化评估，因此本研究旨在揭示BIPV是否能在发电的同时打破“热岛—能耗”反馈循环。
二、研究方法
研究构建了一个跨尺度两阶段模拟框架：首先通过耦合建筑能量模型与单层城市冠层模型生成城市化气象年数据，动态捕捉BIPV对街谷微气候的影响；其次基于香港118,521栋建筑的三维地理数据库，利用地理赋能的建筑能耗模型进行逐栋能耗模拟，并结合低覆盖率（仅替换窗户）与高覆盖率（立面覆盖90%）两种情景，系统量化BIPV的直接能源效应、间接气候影响及发电贡献，结果通过数字孪生平台实现可视化与政策支持。
图1. BIPV 的影响及所采用的方法
三、主要结论
1. 外立面更换带来的直接建筑节能效益
BIPV直接替换建筑外墙材料所产生的能源影响，呈现出高度复杂且取决于部署规模与建筑类型的依赖性。在低覆盖率情景下，BIPV主要替代普通窗户，其遮阳与隔热效果能显著降低制冷能耗，全市平均制冷节能量达501.7 GWh，尤其在白天负荷高的零售和学校建筑中效益最大，窗墙比较高、基线性能较好的办公楼能在高覆盖下保持净节能。
这也表明，BIPV的直接节能效果并非线性，优化部署必须优先考虑建筑功能、现有围护结构属性及覆盖率。
图2. 光伏建筑一体化（BIPV）幕墙改造后的建筑能耗性能
2、光伏建筑一体化对城市微气候的影响
BIPV显著改变街谷热环境，呈现白天升温、夜间降温的独特模式（图3A）。白天因光伏表面吸热升温，最高升温达+1.9°C；夜间则因其热惯性低，降温幅度可达-2.5°C（图3B）。这种效应受街道朝向、季节与城市形态显著影响：东西向街谷冬季升温显著，南北向则夏季更明显（图4）。高覆盖率下，夜间降温效应成为主导，有效缓解热岛。
图3. 光伏建筑一体化部署对不同气候区气候的影响
图 4. 夏季微气候对光伏一体化部署的影响及潜在机制
3、BIPV带来的气候驱动型能源变化
微气候改变进一步反馈至建筑能耗。在高覆盖率情景下，夜间降温显著降低夏季制冷需求，部分抵消了白天升温的不利影响（图5D–F）。全市尺度上，微气候调节贡献了约0.6% 的节能效果，尤其在密集高密度区域表现显著。
图5. 气候驱动的光伏建筑一体化部署能源变化
4、整体能源平衡：城市尺度净节能达10.1%
综合考虑发电、直接与间接节能，低覆盖率情景实现净节能4.7%，高覆盖率情景提升至10.1%。BIPV发电呈现双峰特征（早10–11点、下午2–3点），与城市用电高峰更匹配，有助于电网调峰（图6C）。建筑立面覆盖率与节能效果呈强正相关，表明高立面面积比的建筑更易实现近零能耗（图6F）。
图6. 光伏建筑一体化部署的能源消耗和节能情况
本研究首次在城市尺度上揭示BIPV可作为“可配置的气候—能源调节器”，不仅能够生产可再生能源，还能通过昼夜不对称的温度调控机制缓解热岛效应并降低建筑能耗；基于此提出了朝向优化、建筑类型筛选、高效产品推广与跨尺度协同规划等实施策略，为全球制冷主导型高密度城市提供了从技术评估到政策设计的系统性框架，推动BIPV从单一发电设备转变为支撑碳中和与气候韧性城市建设的核心干预手段。
来源：城市建筑热科学设计实验室
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