香港理工大学与北京大学团队：结合3D建筑和多源时空数据集的建筑一体化光伏潜力全球估算

香港理工大学严晋跃教授团队联合东京大学、北京大学深圳研究生院等机构在Cell Press细胞出版社交叉学科期刊Nexus发表题为“Global Estimation of Building-Integrated Facade and Rooftop Photovoltaic Potential by Integrating 3D Building Footprint and Spatio-Temporal Datasets” 的文章。论文针对建筑一体化光伏（BIPV）在高密度城市环境中的潜力评估问题，整合三维建筑足迹和多源气象时空数据，通过先进的阴影模拟技术捕捉城市环境中的动态阴影效应，实现对建筑立面和屋顶光伏潜力的精确估算，为城市规划和可再生能源利用提供了重要支持。

研究背景

为应对气候挑战，《巴黎协定》设定了将全球变暖控制在2摄氏度以内的目标。国际能源署预测，到2030年，全球可再生能源装机容量将增长2.7倍，但仍低于三倍增长目标。在此背景下，分布式可再生能源系统受到更多关注，城市光伏系统的部署和安装量不断增加。传统的建筑附着式光伏（BAPV）正逐步向建筑一体化光伏（BIPV）发展。2022年，BIPV市场价值为198.2亿美元，预计到2030年将达到898亿美元，增长453%。在人口密集的城市中，建筑物立面的可用表面积往往超过屋顶面积，立面光伏板为有限屋顶空间的建筑提供了替代方案。全面评估立面和屋顶的光伏潜力，对于指导城市设计、支持碳中和路径决策和促进可持续发展至关重要。

 

评估城市光伏潜力面临诸多挑战，包括复杂多样的建筑景观、时间变化、地理位置、太阳辐射和阴影效应等因素。常用方法依赖遥感技术和GIS数据，识别适合安装光伏模块的区域并分析太阳辐射。更先进的研究引入了分类建筑特征、天际线分析和激光雷达技术，用于精确计算太阳辐射和详细估算光伏产量。然而，这些方法在分析由城市3D建筑结构引起的阴影效应方面存在局限性，难以全面评估光伏潜力。

 

近年来，GIS应用的进步降低了获取大规模详细城市建筑足迹数据的难度。利用高分辨率3D建筑足迹数据结合全球气象数据库，为全面评估BIPV潜力提供了机会。本研究提出了一种综合解决方案，整合多源3D城市建筑足迹数据，利用先进的阴影模拟技术，从单个建筑到全球层面估算光伏潜力。基于该方案，本研究在全球120个城市开展了分析，展示了立面光伏的巨大能源潜力。此外，本研究开发了一个名为pybdshadow的开源工具包，便于集成到现有地理空间分析工作流程中。这一解决方案为推动城市实现碳中和目标提供了重要支持。

 

核心内容

1. 基于阴影投射的太阳辐射估算

如图1所示，本研究提出了一种基于三维城市建筑足迹数据的阴影模拟技术，用于评估建筑一体化光伏（BIPV）的潜力。通过考虑太阳高度角和方位角，计算建筑物在特定时间和地点的阴影投射，并将其分解为屋顶和立面的阴影分析。利用几何投影公式，精确计算阴影在目标表面上的投影点，并通过时间间隔的动态分析，获取建筑物表面的太阳辐射数据。该方法能够高效模拟城市阴影分布，支持从单体建筑到城市尺度的光伏潜力评估，为BIPV系统的设计和优化提供了技术基础。

 

图1 三维建筑环境中的太阳辐射计算

 

 

2. 全球尺度建筑一体化立面和屋顶光伏潜力估算框架

如图2所示，本研究提出了一个全球尺度的建筑一体化立面和屋顶光伏潜力估算框架，通过整合全球三维建筑足迹数据与气象数据（包括太阳辐射、温度和风速），结合阴影模拟技术，计算建筑立面和屋顶的太阳辐照度。利用光伏模块参数和天气数据，估算每个建筑表面的光伏输出。该框架支持从单体建筑到城市街区乃至全球城市尺度的光伏潜力评估，为优化光伏系统布局和配置提供了技术基础，助力可持续城市发展。

 

图2 全球尺度建筑一体化立面和屋顶光伏潜力估算框架

 

3. 单体建筑光伏潜力验证与分析

本研究通过对比实测光伏输出数据，对单体建筑的光伏潜力进行了验证与分析。研究以香港科技大学校园内的60个屋顶光伏电站为案例，利用开源数据集中的实测光伏发电数据和现场天气数据，结合腾讯地图提供的建筑足迹数据，计算了建筑立面和屋顶的阴影投射及光伏潜力。通过对比模型估算结果与实测数据，验证了模型在阴影模拟和光伏输出估算中的准确性。结果如图3所示，模型能够较好地反映不同季节和天气条件下的光伏输出变化，为优化建筑光伏系统配置提供了可靠的技术支持。

 

图3 通过与实测光伏输出数据对比，验证和分析建筑级光伏潜力

 

 

4. 城市街区光伏潜力分析

进一步研究了香港四个不同类型城市街区（高层、中层、低层及混合型建筑）的光伏潜力，分析了其三维空间形态对建筑一体化光伏（BIPV）发电效率的影响，结果如图4所示。通过计算全年每日的光伏输出，发现高层建筑由于阴影覆盖率高，其屋顶光伏潜力仅为低层建筑的83.16%，而建筑立面光伏潜力受城市形态变化的影响相对较小，主要受建筑朝向和空间布局的影响。研究还表明，朝向赤道的立面光伏潜力显著高于非赤道朝向，优化城市建筑形态和立面光伏布局可显著提升整体光伏潜力，为城市可再生能源生产提供更全面的策略。

 

图4 四种三维城市空间形态的BIPV潜力

 

5. 全球120个城市核心区域BIPV潜力比较分析

本研究选取全球120个城市（每个大洲20个）的核心区域，评估了其建筑一体化光伏潜力，重点分析了纬度、建筑形态和城市规模对光伏发电效率的影响。研究发现，低纬度地区的屋顶光伏潜力显著高于高纬度地区，而立面光伏潜力在40度纬度范围内分布较为均匀。尽管屋顶光伏系统在大多数地区表现更优，但在建筑立面面积较大的城市中，立面光伏潜力平均为屋顶的68.2%，部分城市甚至超过屋顶潜力。研究还表明，亚洲和北美城市由于经济快速发展和高层建筑密集，光伏应用潜力巨大，而非洲、南美和大洋洲城市虽然单位面积潜力高，但单体建筑潜力较低。这些发现为不同地区的光伏技术推广和城市规划提供了重要依据。

 

图5 全球120个城市中心区域BIPV的比较分析

论文结论

本研究提出了一种估算城市三维形态中建筑立面和屋顶光伏潜力的方法，通过整合建筑足迹模型与多源气象数据，模拟三维建筑上的阴影投射，实现从单体建筑到全球尺度的BIPV系统能源产出评估。研究覆盖120个城市，分析了特定建筑、建筑街区及1平方公里区域的光伏潜力，揭示了立面光伏潜力平均约为屋顶光伏的68.2%，部分城市区域甚至超过1.5倍。这些发现突显了建筑立面在光伏安装方面的巨大潜力，为未来研究立面集成光伏系统的经济可行性和市场潜力提供了技术基础。研究还表明，立面光伏输出受城市形态和建筑朝向影响显著，这为城市规划者、建筑师和政策制定者提供了重要参考。未来研究可进一步整合微观气候数据和详细三维模型，探索BIPV系统的实施潜力、经济可行性和环境效益，为可持续城市发展提供全面框架。

研究团队介绍

 

共同第一作者为北京大学深圳研究生院博士后余庆博士和东京大学在读研究生董克川，香港理工大学团队研究助理教授郭直灵博士和严晋跃教授、北京大学深圳研究生院张浩然研究员是本文共同通讯作者。

 

国际城市能源研究中心（UEX）致力于解决城市能源及相关环境问题，加速城市实现碳中和目标。本研究中心的研究范围涵盖城市能源科学与技术、能源与新型城市交通运输方式，以及能源与人工智能和数据科学等跨学科交叉领域。