随着全球变暖和城市化的持续进展，城市微气候正在发生深刻变化[1]。根据世界气象组织的数据，2024年全球平均气温首次超过了工业化前水平1.5℃[2]。热事件的频率和强度增加，引发了对环境可持续性、能源安全、公共卫生和碳减排的担忧[3],[4],[5]。提高建筑围护结构的性能（这直接影响室内热环境[6]）被广泛认为是缓解热相关压力和提高城市宜居性的实际策略[7],[8]。作为建筑规模的绿色技术，三种基于围护结构的技术——包括垂直绿化系统（VGS，涵盖绿色墙面和屋顶）、冷却材料（CM，也称为反射材料）和建筑集成光伏（BIPV）——在空间有限的密集城市环境中受到了越来越多的关注。这些技术可以通过不同的机制减少辐射热吸收并提高能源效率。VGS和CM通过降低表面温度来冷却周围环境，而BIPV则通过现场发电有助于减少碳排放。然而，每种技术都有其局限性：VGS和CM的性能受朝向[9]和植物种类[10]以及材料老化[11]等因素的影响；而BIPV对城市微气候的影响仍有争议，因为面板周围的热量积累可能会削弱其遮阳效果[12]。这些技术在降低室外空气温度、建筑表面温度和室内热环境方面的效果可能存在差异。
垂直绿化系统通过在建筑墙面和屋顶种植植被来改善城市环境，带来高效土地利用、降噪、生物多样性提升和建筑美学改善等好处[13],[14]。通过蒸腾作用和遮阳作用，植被有助于散热并降低热量吸收[15],[16]。实地测量和模拟研究表明，在应用垂直绿化系统的区域，行人层面的空气温度可降低0.3至2.1℃[17],[18]。Kontoleon和Eumorfopolou[19]发现，25厘米厚、覆盖率为100%的植被层在炎热季节可节省18.17%的能源。同样，郑等人[20]在南京大学仙林校区的案例研究中观察到，绿色屋顶可减少0.56 kWh/m2的冷却负荷和46,000公斤的碳排放。然而，VGS的降温效果很大程度上取决于植物种类[21]，因此选择适应气候的植被以确保最佳效果至关重要。
冷却材料具有高太阳反射率和低热发射率的特点，其优势在于无需结构改造且不消耗水资源[22]。Farhan等人[23]报告称，在马来西亚的住宅应用中，这种材料可使屋顶温度降低16℃，年节能效果达13.14%。虽然冷却材料在降低建筑表面温度和改变周边微气候方面具有潜力，但长期暴露于湿度、紫外线辐射和城市空气污染物等环境因素下会导致表面老化、开裂和分层，从而降低其性能[24],[25]。例如，新开发的初始反照率为0.78的冷却材料在厦门和成都分别减少了24.2%和26.3%的能源消耗。然而，在自然老化30个月后，反照率分别降至0.45和0.56，节能效果降至15.4%和10.5%[26]。人们正努力开发具有更长耐久性的高性能反射材料，通过基材集成设计（如混凝土/瓷砖基系统）、耐候涂层和混合复合材料策略，实验室和短期至中期的现场研究显示反射率保留率提高了20%至80%[27],[28],[29]。然而，其长期有效性仍需进一步研究，同时美学、经济和政策限制也限制了其大规模应用。此外，大规模采用对缓解城市热岛效应的影响仍需进一步验证。
建筑集成光伏系统通过现场可再生能源发电帮助减少与能源相关的热量排放，是预计将持续发展的新兴可再生能源技术之一[30]。先前的研究表明，BIPV系统可以通过遮阳、改变对流流动和能量转换来影响室内外热环境[31]，但光伏板与周围环境之间的热相互作用非常复杂。光伏板通常具有较高的太阳吸收率，可能导致表面过热，从而增加向周围环境的长波辐射，可能加剧局部升温并增加额外的冷却能耗[32]。关于BIPV是带来净降温还是升温的效果，不同研究结果不一[33]。在通风不良的紧凑城市区域，BIPV的安装可能会加剧室内外热应力，特别是当表面热量积累超过局部散热能力时[33],[34]。Taha估计，一个效率为30%的战略性部署的BIPV系统可将城市热岛效应缓解约0.15℃[35]，但这一结论受到质疑，因为传统光伏系统的效率通常只有15%至20%[36]。此外，长期热暴露会加速材料老化，缩短BIPV模块的使用寿命，现场调查显示由于环境压力和其他老化因素，其效率每年下降0.5%至1.0%[37],[38]。这种老化不仅可能降低能源效益，还可能放大热效应，使BIPV系统的长期热环境影响从中性或有益变为不利。关于BIPV系统与其周围环境之间的动态反馈的全面研究仍然有限[33]。
尽管对这些技术进行了大量研究，但大多数研究仅关注单一技术或技术组合[39],[40],[41],[42],[43]，主要是在屋顶层面（如绿色屋顶与冷却屋顶或绿色屋顶与光伏屋顶之间的比较），而很少有研究同时考虑所有三种技术[44],[45],[46]。这些研究主要关注表面温度或建筑能源性能，对社区微气候的关注较少，且使用一致的室外和室内热指标进行评估的案例也有限。实际上，由于立面和屋顶表面的有限可用性，不同围护结构技术之间存在竞争。因此，需要在一致的边界条件下进行比较评估研究，但目前这类研究仍较少。此外，由于这三种新兴建筑规模绿色技术的成熟度和应用程度不同[42],[47]，对其降温效果、性能限制和潜在互补性的比较评估具有重要意义。
因此，本研究旨在使用多种热指标（包括室外温度、室内冷却负荷和碳排放）在一致的建模框架下评估VGS、CM和BIPV的降温效果。这有助于更全面地比较这三种技术的热响应。分析涵盖了每种技术的多种实际场景，以反映现实世界的变异性，考虑了VGS的植被配置、CM的材料老化阶段以及热量积累对BIPV性能的影响等因素。第2节概述了使用计算流体动力学（CFD）和能量模拟（ES）的评估框架，以及模型设置和验证方法。在中国宁波的炎热夏季气候条件下进行了案例研究，采用了通用的城市街区配置。第3节探讨了在不同参数设置下每种技术的性能。本研究不仅评估了它们的降温效果，还探讨了提高韧性和指导城市更新的潜力，旨在为特定环境下的技术选择提供科学依据，并为未来的建筑和城市绿色技术设计提供参考。
