探索不同屋顶利用模式对公共建筑碳减排的影响——基于区域视角的分析

《Sustainable Cities and Society》：Exploring the Carbon Reduction Effects of Different Rooftop Utilization Modes for Public Buildings - A Regional Perspective

　　

王鹏|杨一豪|刘佳文|闵向宇|黄磊|王嘉明

江苏大学土木工程与力学学院，镇江，212013，中国

摘要

公共建筑是城市能源消耗和碳排放的主要来源。作为建筑物中可控且暴露程度较高的部分，屋顶在城市碳减排策略中发挥着关键作用。以南京为例，本研究系统评估了三种屋顶利用方式——光伏（PV）屋顶、绿色屋顶和光伏-绿色（PV-绿色）屋顶——在三种代表性公共建筑类型（医院、办公楼和教育建筑）中的碳减排潜力。通过整合屋顶空间识别、参数化建筑能耗模拟和多路径碳减排核算，开发了一个城市规模的评估框架。结果表明，光伏-绿色屋顶在整体碳减排效益方面显著优于单一功能屋顶。这种优势主要归因于光伏系统通过清洁电力替代贡献了大部分碳减排量，而绿色屋顶通过提高能源节约和生态碳封存提供了重要的补充效果。随着建筑高度的增加，单位屋顶面积的碳减排效率呈整体下降趋势，这表明应优先对低至中层公共建筑进行屋顶改造。虽然医院在每栋建筑的节能效率方面表现最高，但由于其庞大的建筑存量，办公楼在区域碳减排潜力中占据最大份额。

引言

建筑行业对全球碳减排工作至关重要。在快速城市化的地区，建筑运营能源消耗及其相关的碳排放已成为实现城市碳中和的主要障碍。在城市建筑中，如办公楼、医院和教育建筑等，由于运行时间长、能源使用强度高以及管理系统相对标准化，它们成为城市规模碳减排改造的优先目标（Habib等人，2025年；Jia等人，2024年；Susca，2019年）。随着城市土地资源的日益有限和对现有建筑改造需求的增长，屋顶利用技术已成为公共建筑低碳转型的关键途径。这些技术在实践中已经相当成熟，且可以在不干扰室内功能的情况下实施，因此受到了广泛关注（Bijarniya等人，2020年）。作为直接暴露在室外环境中的界面，屋顶在城市规模的能源转型中具有巨大潜力（Habib等人，2025年）。在各种屋顶策略中，屋顶光伏系统已被广泛研究，并被证明可以通过使用现场可再生能源发电来替代化石燃料发电，从而有效减少运营碳排放（Mu等人，2025年；Yao等人，2025年）。同时，绿色屋顶因其能够减少建筑冷却能耗、缓解城市热岛效应以及提供多种生态系统服务（包括雨水管理和生态碳封存）而受到关注（Getter等人，2009年；Jamei等人，2023年；Jia等人，2024年）。近年来，光伏-绿色屋顶成为研究的热点领域。现有研究表明，光伏-绿色屋顶在能源调节和碳减排方面具有潜在的协同效应（Abdalazeem等人，2022年；Chen、Zhang等人，2024年）。

与此同时，越来越多的研究从多目标优化的角度探讨了建筑集成光伏（BIPV）系统。这些研究旨在同时优化电力生成、建筑能耗和室内环境性能。例如，已经开发了自适应BIPV遮阳系统，以共同改善光伏输出、建筑电力需求和日光照明性能指标，如空间日光自主性（sDA）和日光眩光概率（DGP）（Miraba等人，2025年）。此外，综合评论总结了BIPV技术的发展和应用，强调了其在能源生产和建筑集成中的多功能作用（Biyik等人，2017年）。多目标优化也被应用于住宅建筑，以平衡年度电力消耗和光伏发电，并评估光伏遮阳系统的最佳倾斜角度对建筑能耗和经济性能的影响（Zhao & Gou，2025年）。此外，基于NSGA-II的方法已被广泛用于优化遮阳几何形状，包括日光响应百叶窗，以提高能源效率和视觉舒适度（Nazari等人，2025年）。类似的优化策略也被扩展到垂直和水平遮阳系统，以同时增加光伏发电量并减少建筑能耗（Zhao & Gou，2025年）。除了单独的系统外，一些研究还考察了不同气候条件下绿色屋顶和光伏-绿色屋顶系统的综合性能，重点关注它们对能耗和室内热舒适度的影响（Berardi等人，2014年）。

尽管先前的研究展示了复合屋顶的潜力，但大多数研究仅限于特定案例。因此，不同建筑类型和城市规模之间的系统比较仍然不足。除此之外，现有文献还存在其他几个局限性：

首先，大多数研究集中在单个建筑或小样本案例上，限制了其发现的城市规模直接适用性（Conroy等人，2013年）。其次，不同的屋顶利用方式通常在独立的研究中单独评估，而在统一的建模框架内对光伏屋顶、绿色屋顶及其复合配置进行系统比较仍然很少，尤其是在公共建筑方面（Guo等人，2020年；D. Yan等人，2017年）。此外，先前的研究表明，建筑高度及其相关的屋顶微气候变化会显著影响屋顶技术的适用性和碳减排性能；然而，这一因素尚未充分纳入城市规模的碳减排评估中（Darmawan等人，2017年；Lomas等人，2022年）。此外，现有的城市规模屋顶潜力研究往往侧重于单一的碳减排途径，如光伏发电或建筑节能，而综合考虑多种途径（包括运营节能、可再生能源替代和植物基碳封存）的全面评估仍然有限（Brito等人，2017年；D’Oca等人，2018年）。这些差距阻碍了对公共建筑屋顶实际碳减排潜力的系统理解（Jahanfar等人，2018年；Zheng & Weng，2020年；?i?ak等人，2025年）。

为了解决这些问题，本研究开发了一个综合研究框架，从区域角度评估公共建筑中的屋顶基碳减排。该框架首先使用ArcGIS中的规则基础网格采样和视觉解释来识别可用的屋顶空间。此步骤还提取了关键的空间属性，包括建筑高度和屋顶面积分布。然后，利用参数化建模技术构建不同高度级别的办公楼、医院和教育建筑的代表性建筑模型。最后，该框架通过整合三种途径来量化碳减排效益：建筑节能、光伏电力替代和基于植物光合作用的碳封存。然后将这些结果外推到城市规模。

章节片段

方法

我们的研究框架如图1所示，包括四个主要步骤。首先，我们使用BIGEMAP的卫星遥感图像和建筑轮廓的矢量数据，结合随机采样和视觉解释，识别了南京的公共建筑。随后，我们量化了这些公共建筑的可用屋顶面积及其相应的高度信息，从而创建了一个公共建筑屋顶空间数据集。其次，利用这一数据...

公共建筑中的供暖和制冷能耗碳排放

办公楼是南京公共建筑碳排放的主要来源之一。图8展示了南京三种代表性公共建筑类型（办公楼、医院和教育建筑）在制冷和供暖过程中的碳排放分布，清楚地表明了这一趋势。办公楼占总碳排放的62.2%，远高于医院和教育建筑（18.9%）的比例

结论与未来工作

本研究以南京为例，这是一个位于炎热夏季和寒冷冬季气候区的代表性城市，系统评估了公共建筑屋顶在三种利用方式下的碳减排潜力：光伏屋顶、绿色屋顶和光伏-绿色屋顶。通过整合屋顶可用性识别、典型公共建筑的能耗模拟、光伏发电潜力评估以及植物光合作用碳封存建模，得出了一个全面且可扩展的...

CrediT作者贡献声明

王鹏：调查、数据分析、方法论、软件开发、可视化、资金获取。杨一豪：数据整理、验证、初稿撰写。刘佳文：监督、审稿和编辑。闵向宇：监督、资源协调。黄磊：项目管理。王嘉明：概念构思、调查。

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

王鹏：可视化、软件开发、方法论、调查、资金获取、数据分析。杨一豪：初稿撰写、验证、数据整理。刘佳文：审稿与编辑、监督。闵向宇：监督、资源协调。黄磊：项目管理。王嘉明：调查、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金[项目编号42477499, 51908249]、中国国家重点研发计划[项目编号2023YFE0121500, 2023YFC3205703]、江苏省自然科学基金[项目编号BK20231327]、江苏省青兰项目以及江苏大学高层次人才引进科研基金[项目编号18JDG038]的支持。