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68.2% vs 100.7%：被低估的建筑立面，正在改写城市光伏的格局
发布时间：
2026-05-23 00:00
68.2% vs 100.7%：被低估的建筑立面，正在改写城市光伏的格局
在全球应对气候变化的紧迫进程中，建筑光伏被寄予厚望。然而，当讨论城市太阳能时，我们的目光几乎本能地投向屋顶——那些城市天际线上最显眼的水平面。这种思维定式导致一个显而易见却长期被忽视的问题：在高层建筑林立的现代都市，垂直的建筑立面是否同样具备可观的太阳能收集潜力？最近，一篇发表于Nexus的研究《整合3D建筑足迹与时空数据集的建筑集成立面和屋顶光伏潜力全球评估》带来了一个令人惊讶的发现：建筑立面接收的太阳辐射量平均可达屋顶的100.7%，即使在考虑了转换效率差异后，立面光伏发电潜力仍平均达到屋顶的68.2%。更令人震撼的是，在像香港、新加坡、深圳这样的高密度城市，立面光伏潜力甚至可以达到屋顶的两倍以上！这项由多国研究者合作完成的大规模研究，对全球120个城市的建筑光伏潜力进行了系统评估，首次用数据证实了建筑立面作为太阳能收集器的巨大潜力。今天，就让我们一起解读这项研究，看看未来的城市建筑将如何从单纯的能源消费者，转变为自给自足的能源生产者。一、研究背景：为何要关注建筑光伏？在全球气候变化的紧迫挑战下，《巴黎协定》设定了将全球变暖限制在2°C以内的关键目标。国际能源署发布的《2024年可再生能源报告》指出，尽管全球可再生能力预计到2030年将增长2.7倍，但仍未达到预期目标。在此背景下，分布式可再生能源系统正受到越来越多的关注。建筑集成光伏作为其中的重要一环，其市场价值从2022年的198.2亿美元预计将增长至2030年的898亿美元，增幅高达453%。然而，现有研究大多聚焦于屋顶光伏，对建筑立面光伏潜力的评估严重不足。特别是在高层建筑密集的高密度城市，立面表面积往往超过屋顶，却长期被忽视。与此同时，评估城市光伏潜力面临诸多技术挑战：复杂的建筑形态、动态的阴影遮挡、不同地理位置的气候差异……以往的方法难以有效分析城市3D建筑结构产生的遮阳效应，更无法进行全球尺度的系统评估。正是为了填补这一研究空白，研究团队开发了基于3D建筑足迹和气象数据的综合评估方法，对全球120个城市的建筑光伏潜力进行了迄今为止最系统的量化分析。
图1 三维建筑环境中太阳辐射的计算（A）墙体与其在地面上以太阳位置投影的几何关系。（B）建筑A在建筑B屋顶投下阴影的几何关系。（C）墙B如何投射阴影给墙A。（D）如何通过叠加建筑阴影来表示和估算建筑屋顶和立面在一定时间内的详细太阳照射时间，这将在每栋建筑上生成多个较小的多边形。（E）示例显示某一城市街区在特定时间下地基、立面和屋顶阴影的估计结果。（F和G）2022年1月1日该街区的日太阳日照时间，无论是屋顶还是三维视图，（F）以1×1米网格渲染，（G）则通过叠加多边形渲染。（H）截至2022年1月1日，中国深圳23,904栋建筑的太阳日照时间示例。
图2 全球尺度BIPV立面与屋顶光伏潜力估算框架二、论文核心发现1. 建筑立面：被忽视的太阳能宝藏研究团队选取了全球120个城市（每个大洲20个）的中心区域（1×1公里），利用3D建筑足迹数据和气象数据，模拟计算了建筑屋顶和立面的光伏潜力。结果令人震惊：
- 辐射接收量：建筑立面接收的总太阳辐射平均达到屋顶的100.7%。这意味着，如果不考虑光伏材料和设计的差异，建筑立面本身就具有与屋顶相当的能量收集潜力。
- 发电潜力：考虑立面光伏因安装角度、通风条件等因素导致转换效率较低（约为屋顶系统的68%）后，立面光伏潜力平均仍达屋顶的68.2%。这一数据揭示了一个长期被忽视的事实：立面光伏不仅是屋顶光伏的补充，而是可以贡献相当可观发电量的重要组成部分。
- 超越案例：在35.9%的分析区域中，立面接收的辐射量超过屋顶；17.5%的样本建筑，立面光伏潜力甚至高于屋顶。这表明在某些特定条件下，立面可能比屋顶更适合光伏发电。
图3 通过与实测光伏输出数据进行建筑级PV潜力的验证与分析（A）通过建筑占地估计的卫星图像与同一时间戳下的阴影投射进行比较。（B）将屋顶日测量的光伏输出与两栋选定建筑SQ1和UG3的估算光伏潜力进行比较。（C）两栋建筑的卫星图像和建筑占地数据。（D） 2023-12-11 不同时间投射在案件区域的阴影，白天 SQ1 楼顶未被阴影遮挡，而相邻建筑的阴影在约 17：30 时阻挡了 UG3 楼顶。（E）将测量到的屋顶PV输出与SQ1和UG3建筑的估计屋顶PV潜力进行比较;置信区间基于每个季节的每日产出曲线得出。2. 城市形态的深刻影响研究在香港选择了四种不同类型的城市街区（高层、中层、低层和混合型），每个街区500×500米，进行全年逐时模拟：
- 阴影覆盖差异：低层建筑白天阴影覆盖率仅2.07%，而高层建筑高达39.61%。这意味着高层建筑的大部分屋顶在一天中的相当长时间内处于阴影中。
- 发电效率差异：高层建筑屋顶光伏潜力（771.8 W/m²）仅为低层建筑（928.0 W/m²）的83.16%，这一16.84%的差距主要归因于阴影遮挡的增加。
- 朝向决定性作用：朝向赤道的立面比非赤道朝向立面光伏潜力平均高出15.17%，在某些城市形态下差异可达17.35%。这一发现对建筑设计和城市规划具有直接指导意义。
- 面积优势：在高层、中层和混合型建筑区域，立面提供了巨大的额外表面积，使这些区域的整体光伏潜力远超低层区域。例如，尽管高层建筑单位面积效率较低，但其巨大的立面表面积使其总发电量依然可观。
图4 香港四种三维城市空间形态的BIPV潜力（A）四类城市街区，每个类别具有独特的三维空间配置，并附有其在建筑屋顶和立面上的PV潜力估算。（B和C）详细解析影响这些多样城市街区立面和屋顶的阴影覆盖率。（D和E）估算屋顶和立面集成光伏潜力，以及建筑间阴影投射。在（E）中，实线表示面向赤道的立面，虚线表示不朝赤道的立面（F）四个街区每平方米的光伏潜力比较。（G）假设所有可用立面和屋顶表面均均配备光伏面板，四个街区每栋建筑每日平均光伏发电量的比较分析。3. 全球城市的差异化图景研究覆盖全球120个城市（每个大洲20个），在1×1公里的核心区域进行模拟，揭示了光伏潜力的地理分布规律：
- 纬度影响：70%的屋顶光伏潜力最高的城市集中在10°-20°纬度带；该纬度带内约73%的城市位列全球屋顶光伏潜力前25%。这一发现强化了纬度与太阳能资源之间的强相关性。
- 立面分布特性：与屋顶不同，立面光伏潜力在40°纬度范围内分布更均匀。这是因为随着纬度增加，太阳高度角降低，阳光与立面的夹角变小，提高了垂直表面的捕获效率，部分抵消了总辐射减少的影响。
- 城市特色：华盛顿（2,097 kWh/建筑）、斯德哥尔摩（1,426 kWh/建筑）、圣地亚哥（2,464 kWh/建筑）等城市，虽单位面积效率中等，但因建筑形态优势整体潜力可观。这说明建筑特征和城市形态是光伏潜力的关键决定因素。
- 亚洲亮点：香港、新加坡、深圳的立面光伏潜力分别达到屋顶的216.8%、201.7%和200.4%。这些高密度亚洲城市的经验表明，在屋顶空间有限的情况下，立面光伏可以成为主要的太阳能收集方式。
- 大洲对比：亚洲和北美城市因快速城市化，高层建筑众多，光伏应用潜力巨大；南美、大洋洲和非洲城市单位面积效率高，但建筑规模和密度限制了总量；欧洲城市受气候影响差异显著，需因地制宜制定策略。
图5 120个全球城市中心城市BIPV的比较分析（A）120座城市屋顶和立面的阵列辐照度估计平面（POA），每个图示用颜色表示屋顶PV，用标记尺寸表示立面集成PV。（B）每栋建筑的平均日光伏潜力（kWh）。（C）单位面积的每日PV潜力。（D）一张散点图，展示了跨大洲120个城市的光伏潜力。三、对城市发展的启示1. 重新定义城市太阳能战略长期以来，城市太阳能规划过度聚焦于屋顶空间。这项研究提醒我们，立面光伏应与屋顶光伏同等重视。在高密度城市，立面甚至可能成为更重要的太阳能收集表面。城市能源规划应制定“屋顶+立面”的双轨战略，最大化有限城市空间内的能源产出。2. 建筑设计范式转变建筑不再只是能源消费者，更应成为能源生产者。这一理念应贯穿设计全过程：
- 朝向优化：在街区规划和建筑布局阶段，充分考虑赤道朝向立面的曝光机会
- 形态设计：避免过度自遮挡，通过错落有致的布局平衡建筑密度与太阳能获取
- 立面整合：将光伏组件作为建筑材料而非附加装置，实现美学与功能的统一
3. 城市更新与既有建筑改造新机遇对于已建成的城市区域，立面光伏提供了屋顶之外的巨大改造空间。特别是对于高层建筑，立面面积往往是屋顶的数倍甚至数十倍。在建筑节能改造中同步加装立面光伏，可以大幅提升建筑的能源自给率，同时改善立面热工性能。4. 碳中和路径补充研究数据显示，立面光伏可以显著增加城市可再生能源供给。对于17.5%的建筑，立面发电已超过屋顶；而在35.9%的区域，立面接收的辐射已超过屋顶。这意味着，在追求碳中和的道路上，忽视立面光伏就等于放弃了近40%的潜在太阳能资源。5. 政策与激励机制的调整现有光伏激励政策多针对屋顶系统。建议政策制定者：
- 将立面光伏纳入可再生能源补贴范围
- 在绿色建筑评价标准中增加立面光伏贡献权重
- 鼓励研发高效、美观的立面光伏产品
- 支持BIPV技术在不同气候区的示范应用
6. 跨学科合作的必要性研究强调，充分发挥BIPV潜力需要城市规划、建筑设计、能源工程、材料科学和政策研究等多学科协同。只有整合各方专业知识，才能开发出适合不同城市特点的综合解决方案。
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