摘要
随着全球气候变化加剧与对可再生能源需求的增长，光伏发电作为清洁且可再生的能源，已成为城市实现碳中和的关键手段。相较于集中式系统，分布式光伏系统具备安装便捷、充分利用城市建筑和空间资源的优势。然而，现有研究对不同密度区域，尤其是中高密度街区复杂城市形态对光伏潜力的影响缺乏深入探讨。
作者以墨尔本为例，首先从全市选取六个代表性街区，涵盖高、中、低不同建筑高度和密度进行分析。结果显示，低密度街区由于遮挡较少，更易实现净零能耗，而中高密度街区的形态影响更为复杂。
随后，本文聚焦墨尔本CBD区域的中高密度街区，深入分析其城市形态、光伏潜力及净零能耗潜力。研究发现，立面光伏潜力的提升是推动总体光伏潜力增长的关键因素；分散布局的“细长”与“扁平”建筑形态，结合高低错落的高度分布，有助于净零能耗潜力的提升。
最后，研究采用多目标遗传优化方法，对中高密度街区的城市形态和净零能耗潜力进行优化。优化策略主要集中在分散高层建筑布局，并将建筑形态趋向“细长”与“扁平”。帕累托前沿解显示，“角升中央谷”形态原型在维持现有容积率的前提下，能够显著提升总体光伏潜力，并有效降低整体能耗。
本文通过多维度、多层次的分析方法，提出了一套针对净零能耗潜力的城市形态建模、仿真、优化与评估的综合流程，为城市设计和实现净零能耗街区提供了有策略与启示。
关键词：净零能耗；光伏潜力；城市形态；多目标优化；中高密度街区
随着全球环境问题的日益严峻，低碳发展已成为各国城市规划的核心议题。在此背景下，光伏发电技术作为一种绿色能源解决方案，得到了广泛关注和应用。特别是在城市地区，如何通过合理的城市设计和规划，最大限度地提升光伏系统的发电效率，成为城市实现可持续发展的重要课题。
近年来，分布式光伏系统因其灵活便捷的安装特点，逐渐取代集中式光伏系统在城市中的应用，成为推动城市绿色能源转型的关键手段。然而，尽管已有研究探索了分布式光伏在城市中的潜力，中高密度街区复杂的城市形态对净零能耗潜力的具体影响仍不明晰。复杂形态的详细的探讨为研究和实践带来了挑战，也突显了在城市设计中需要深入探索光伏系统与城市形态之间的相互作用。
本研究通过对典型城市区域的分析，旨在明确不同密度街区中的光伏潜力影响因素。并通过多目标优化与分析，提出有效的设计策略，以支持城市设计实现高效的光伏利用和可持续的能耗管理。
（1）城市形态建模、仿真、优化与评估的综合流程
（2）城市街区净零能耗潜力的初步分析
（3）中高密度街区实现净零能耗的主要城市形态因素
（4）多目标遗传优化
本研究通过多维度多层次的方法对中高面密度街区的净零能耗潜力与城市形态特征进行了分析。研究发现：1.低密度社区更容易实现净零能耗。2.总体光伏潜力的变化主要由立面光伏潜力所驱动；“细长”、“扁平”的建筑形式，点状分散式的高层建筑布局有利于净零能耗潜力的提升。3.“高角中心谷”的整体形态是230*230M街区尺度下，以提高整体发电潜力、降低整体能耗、控制容积率不变作为多目标中的最优形态。4.墨尔本地区降低街区北侧东西向板式建筑有利于通过减少建筑遮挡提高整体发电潜力。南北向板式建筑高度的提高有利于增加建筑立面总体辐照量，进而增加整体发电潜力。本文为城市设计人员提供了改善街区整体净零能耗潜力的启示与方法。
作者
Xiaotian Geng, Dong Xie, Zhonghua Gou*
School of Urban Design, Wuhan University, Wuhan, China
该论文第一作者是武汉大学建筑系硕士生耿晓天，通讯作者为武汉大学建筑系教授苟中华，其他作者包括硕士生谢东。
Geng X, Xie D, Gou Z. (2024). Optimizing urban block morphologies for net-zero energy cities: Exploring photovoltaic potential and urban design prototype. Building Simulation, 17: 607-624.
https://doi.org/10.1007/s12273-024-1104-y
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迈向净零能耗城市：基于城市形态优化的光伏潜力探索与街区设计原型
期刊介绍
Building Simulation 2008年创刊，是世界上第一本有关建筑模拟领域最新研究成果的英文学术期刊，跨多种学科领域，涉及建筑技术、土木工程、建筑学、环境工程、能源及动力工程等，致力于为中外同行提供一个高水平的学术交流平台。被SCI、EI Compendex、Scopus、CSCD等数据库收录。2024年SCI影响因子6.1，在JCR两个学科领域均位于Q1区；位于中科院期刊分区，工程技术类1区。
