《ENERGY AND BUILDINGS》：Rooftop photovoltaics in urban microscale LES modeling: Implementation and validation
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屋顶光伏（Rooftop Photovoltaic, PV）系统会改变城市表面属性，进而影响屋顶温度、热通量及室内外气温，但其对城市大气的影响尚无一致结论，亟需更系统的建模方法。研究人员在微尺度大涡模拟（Large-Eddy Simulation, LES）模
屋顶光伏（Rooftop Photovoltaic, PV）系统会改变城市表面属性，进而影响屋顶温度、热通量及室内外气温，但其对城市大气的影响尚无一致结论，亟需更系统的建模方法。研究人员在微尺度大涡模拟（Large-Eddy Simulation, LES）模型PALM中构建了建筑应用型光伏（Building-Applied PV, BAPV）的精细化能量平衡参数化方案，该方案考虑了PV与屋顶间的空气间隙，可表征热辐射相互作用、通风过程及PV材料属性。在离线能量平衡模式（无大气模块）下，基于为期五个月的实测数据验证显示，该方案精度优异（R2=0.93），80%的模拟PV温度与观测值偏差在±4 K以内。针对高密度城市区域（局部气候区（Local Climate Zone, LCZ）02）的首次建筑解析LES模拟表明，全覆盖PV部署相较于黑屋顶（+0.74 K）、砾石屋顶（+0.45 K）和陶土屋顶（+0.32 K）可降低近地表气温的24小时平均值，而与红屋顶差异可忽略（-0.01 K）。夜间效应更为复杂：PV屋顶在傍晚降温更快，但因空气间隙内通风不足及长波辐射滞留，可能在黎明前略微升温。白屋顶始终比PV低约-1.09 K。该研究首次将屋顶PV集成到2 km×2 km域内解析单体建筑的微尺度LES中，强调了精细能量平衡与微尺度流动在评估PV影响及指导城市能源规划中的作用。
《ENERGY AND BUILDINGS》发表的这项研究聚焦于城市屋顶光伏（PV）对微气候影响的量化难题。现有研究结论存在显著冲突，主要源于两类模型的局限：建筑尺度能量平衡模型虽能精确模拟PV模块温度，却无法表征大气反馈；而中尺度大气模型虽能捕捉城市尺度的温度变化趋势，却难以解析单体建筑周边的湍流结构与辐射相互作用。这种对物理过程的简化导致无法准确评估PV部署的净气候效应，尤其在高密度城市中，缺乏经过严格观测验证的高分辨率模拟工具成为核心瓶颈。为此，研究人员将基于UCRC-Solar模型的建筑应用型光伏（BAPV）参数化方案集成到湍流解析模型PALM中，首次实现了在2 km×2 km计算域内对单体建筑几何结构、屋顶空气间隙及PV-大气双向耦合作用的显式模拟，并通过长期观测数据验证了模型的可靠性，进而量化了PV覆盖对不同屋顶类型下城市能量平衡及近地表气温的影响。
研究人员采用三个关键技术方法开展工作。首先，基于德国布伦瑞克市为期五个月（2019年6月至11月）的屋顶PV实测数据集，在离线模式下对BAPV参数化方案进行了严格验证，输入变量包括30分钟平均的气温、短波与长波辐射及风速。其次，开展了敏感性分析，评估了空气间隙通风强度等经验参数及PV转换效率、发射率、热容等物理属性的不确定性对模拟结果的影响。最后，利用局部气候区（LCZ）向导工具构建了半理想化的高密度城市（LCZ 02）与中等密度城市（LCZ 05）三维模型，在热浪情景下进行了全耦合大涡模拟（LES），对比分析了100%屋顶PV覆盖与黑屋顶、砾石屋顶、陶土屋顶、红屋顶及白屋顶等多种情景下的地表能量通量及近地表气温响应。
研究结果部分通过以下四个章节展开。在“验证结果”中，模拟与观测的PV温度线性回归斜率达0.97，R2为0.93，均方根误差为4.00 K，80.3%的数据点偏差在±4.03 K以内，证明了参数化方案的高精度。在“PV参数化敏感性”中，模型对空气间隙通风经验参数表现出较强鲁棒性，关键物理属性如PV发射率和转换效率对表面温度及感热通量的影响远大于热容变化，后者主要导致日变化相位的偏移而非幅度的改变。在“首次全尺度LES模拟”中，研究发现PV覆盖相较于低反照率屋顶（如黑屋顶、砾石屋顶）可降低日间近地表气温，但在夜间早期降温较快，晚期因长波辐射捕获效应略有升温；PV屋顶的感热通量释放模式与传统屋顶存在显著差异，且其产生的废热通量约占日间总感热输出的22.5%。在“PV功率输出与效率”中，水平安装的PV模块使下方屋顶表面温度的日振幅从47.8 K衰减至26.9 K，起到了显著的隔热作用；模拟环境下PV转换效率在19.53%至22.46%间波动，峰值功率受入射短波辐射控制，温度引起的效率损失为次要因素。
讨论与结论部分指出，该研究开发的BAPV参数化方案有效克服了传统“有效反照率”方法的物理缺陷，首次在微尺度LES框架内揭示了PV-屋顶-大气的复杂热相互作用机制。研究表明，在全域覆盖情景下，PV相较于红屋顶对近地表气温的24小时平均影响可忽略，但相较于深色屋顶具有显著的降温效益，而白屋顶的降温效果优于PV。这一成果强调了在城市气候适应策略中，需综合考虑PV的能源收益与微气候效应，而非单一依赖反照率指标。该模型为评估高密度城区的分布式能源部署提供了高精度的数值模拟工具，对指导可持续城市规划具有重要科学意义。
