基本信息

标题

Mapping Europe’s rooftop photovoltaic potential with a building-level database
基于建筑级数据库的欧洲屋顶光伏潜力评估

发表时间

2026-01-12

作者

Georgia Kakoulaki1, Robert Kenny1, Taylor Nigel1, Ana Maria Gracia-Amillo2, Szabo Sandor1, Ana M. Martínez1, Christian Thielc1, Arnulf Jäger-Waldau®1

作者机构

1 欧洲委员会联合研究中心 (JRC)，意大利伊斯普拉
2 国家可再生能源中心 (CENER)，西班牙萨里格伦

期刊

Nature Energy

DOI

10.1038/s41560-025-01947-x

摘要

社区需要利用屋顶光伏（PV）的潜力来提供清洁能源，并使个人成为能源转型的重要组成部分。气候变化和将能源系统转变为可持续、基于可再生能源的需求是全球太阳能光伏发电能力快速增长的关键驱动因素。截至2024年底，全球累计光伏容量超过2.2 TWp，相当于全球人均0.270 kWp，欧盟人均0.760 kWp。进步的净零能源转型情景预测，到2050年，光伏发电容量可能增加到全球80 TWp，欧盟5.6 TWp。这可能导致到2050年全球人均安装8 kWp光伏，欧洲人均12.5 kWp。截至目前，只有大约10%的欧洲建筑屋顶配备了光伏，突显了尚未开发的巨大潜力。

导读

该研究基于欧盟271万栋建筑的精细化数据库，评估了屋顶光伏潜力，发现其技术容量可达2.3太瓦，年发电量约2750太瓦时，可满足2050年40%的电力需求，且非住宅建筑贡献超半数潜力，为能源转型提供关键支撑。

引言

研究背景

欧洲建筑部门是能源消耗和温室气体排放的主要来源，分别占42%和36%。为实现欧盟到2050年气候中和的目标，需要对现有建筑进行大规模改造，而屋顶光伏（PV）技术的集成被视为提高建筑能效与可再生能源使用的重要手段。此外，建筑能耗的电气化趋势（如热泵和电动车充电）进一步推动了在建筑内或附近部署光伏系统的必要性。

科学问题与动机

尽管全球光伏装机容量快速增长，但截至2024年，仅有约10%的欧洲建筑屋顶安装了光伏系统，显示出巨大的未开发潜力。屋顶光伏不仅有助于减少二氧化碳排放、降低能源费用，还能提升建筑价值。因此，加速屋顶光伏的部署成为政策制定者的优先事项。

现有研究不足

目前，针对欧盟范围内所有建筑屋顶光伏潜力的精确评估仍面临数据缺乏的问题。例如，OpenStreetMap仅覆盖约6%的建筑信息，且无法提供足够的细节以支持大规模分析。此外，现有研究多基于国家层面的宏观评估，缺乏建筑级别的详细数据，导致对屋顶几何形状、坡度或朝向等关键因素的考虑不足。

研究目标与创新

本研究更新了开放获取的数字建筑存量模型R2025（DBSM R2025），提供了涵盖整个欧盟的高分辨率建筑级数据库。通过该工具，研究量化了住宅与非住宅建筑的屋顶光伏潜力，显示总技术潜力可达2.3 TWp，年发电量为2,750 TWh。这一成果为利益相关者识别最佳光伏安装地点、支持场景分析和可行性研究提供了重要依据，并强调了屋顶光伏在实现欧盟可再生能源目标中的关键作用。

方法

数据来源与类型

欧洲数字建筑存量模型R2025（DBSM R2025）是一个公开的、矢量格式的建筑级地理空间数据库，覆盖欧盟27国共2.71亿栋建筑，总建筑基底面积约为37,370 km²；数据融合权威地籍数据（占55%）、OpenStreetMap（2024年4月提取）和Microsoft Buildings（2024年5月提取），经拓扑与几何清洗后形成无缝产品；每栋建筑标注功能用途（住宅/非住宅）、建造年代（10年分段）、高度、楼面面积及数据源；最小基底面积为5 m²；屋顶类型无直接观测数据，故未纳入建模。

核心方法或技术

采用固定倾角20°、正南朝向的自由支架式光伏系统配置，符合IEC 61853标准；住宅建筑（RBs）按25%、非住宅建筑（NRBs）按40%的屋顶基底面积设定光伏可用率；模块效率统一设为22%；年发电量（kWh/kWp/yr）通过欧洲委员会联合研究中心（JRC）开发的免费工具PVGIS计算，输入点位空间分辨率为5 km，提供长期逐小时太阳辐照度时序数据；所有参数设定均以保守性为原则，兼顾大陆尺度评估的一致性与实用性。

研究过程或实验步骤

首先基于DBSM R2025提取每栋建筑的基底面积与功能分类；其次按建筑类型分别应用25%（RBs）或40%（NRBs）的屋顶可用率系数，得到光伏安装面积；再结合PVGIS在各建筑地理坐标处输出的年单位装机发电量，计算单体建筑光伏潜力；最后按国家、区域（NUTS3）及功能类型逐级聚合；为验证假设鲁棒性，在12个代表欧洲气候带的地点开展敏感性分析，系统改变倾角（0°–90°，步长5°）与方位角（−180°–180°，步长10°），量化方向与倾角偏差对发电量的影响。

方法创新点或亮点

构建并公开发布首个覆盖全欧盟、高分辨率（建筑级）、开源可复现的数字建筑存量模型DBSM R2025，首次实现建筑属性（功能、年代、高度、紧凑度等）与光伏潜力的统一矢量集成；相较以往研究（如Molnár等），显著提升输入数据权威性（主用官方地籍数据）、空间分辨率（5 km辐照 vs 100 km）及输出颗粒度（建筑级 vs 国家级）；配套全流程开源代码，支持用户自定义技术参数与情景分析。

结果

欧盟建筑级屋顶光伏总技术潜力达2.3 TWp

基于欧洲数字建筑存量模型R2025（DBSM R2025）对2.71亿栋欧盟建筑的评估显示，当前光伏组件效率下屋顶光伏总技术装机潜力为2,340 GWp（即2.3 TWp），其中住宅建筑（RBs）贡献1,822 GWp，非住宅建筑（NRBs）贡献519 GWp；对应年发电量为2,750 TWh，占2050年100%可再生能源情景下欧盟电力需求的约40%；该数值显著高于多数既有研究，主因采用更新的建筑级数据、更高模块效率（22% vs 18%）及更优屋顶可用面积系数。

非住宅建筑在2030年目标中起主导作用

截至2030年，楼面面积超2,000 m²的非住宅建筑可提供355 GWp装机容量，占RePowerEU 2030目标所需新增容量的主体；全欧盟范围内，非住宅建筑屋顶光伏潜力可覆盖各国2030年国家能源与气候计划（NECPs）目标的50%以上，多个成员国覆盖率超95%；按人均计，非住宅建筑屋顶光伏潜力平均达1,267 Wp，多数国家仅凭此类建筑即可满足其2030年目标。

屋顶光伏潜力存在显著国家与区域差异

德国与法国屋顶光伏年发电潜力最高（分别为394 TWh与432 TWh），可分别满足其当前电力需求的80%以上；希腊（78 TWh vs 50 TWh）、匈牙利（58 TWh vs 42 TWh）和罗马尼亚（101 TWh vs 44 TWh）等国潜力已超当前消费；但塞浦路斯、芬兰和瑞典因太阳辐照较低，潜力相对受限；空间分布上，西班牙南部单位面积年发电量常超37.8 TWh/km²，而北部常低于0.18 TWh/km²，凸显亚国家尺度资源差异对部署策略的关键影响。

结论

欧盟屋顶光伏潜力的全面评估

本研究利用更新版的欧洲数字建筑存量模型（DBSM R2025），首次在建筑级别上对欧盟271百万栋建筑的屋顶光伏潜力进行了详细评估。结果表明，当前技术条件下，欧盟屋顶光伏总潜力可达2.3 TWp，年发电量为2,750 TWh，相当于2050年100%可再生情景下约40%的电力需求。这一评估不仅提供了高分辨率的数据支持，还通过开放获取的方式为政策制定者、投资者和研究人员提供了实用工具，有助于推动更分散的能源系统发展。

非住宅建筑的关键贡献

非住宅建筑在屋顶光伏部署中占据重要地位，尤其在建筑面积超过2,000平方米的大型建筑中，其光伏潜力尤为突出。研究表明，仅非住宅建筑即可满足2030年RePowerEU目标中的大部分新增光伏容量需求。此外，非住宅建筑通常具有更少的行政障碍和更长期的投资视角，这使其成为短期内优先推广光伏安装的理想选择，从而加速实现欧盟的可再生能源目标。

屋顶光伏的社会与技术意义

屋顶光伏不仅有助于减少碳排放，还能增强公民参与能源转型的公平性。住宅建筑占建筑总量的87%-97%，而较大的非住宅建筑则提供了额外的机会。结合储能技术和智能能源管理系统，屋顶光伏可以优化自用比例并缓解电网压力。此外，开放获取的DBSM R2025数据集和代码为未来研究提供了可靠的基础，支持能源混合优化、电网影响评估以及基于证据的政策制定。

局限性与展望

尽管本研究提供了保守但实用的评估基准，但仍存在一些局限性。例如，假设所有屋顶均为南向且倾角为20°，可能低估了实际潜力；同时，缺乏详细的屋顶类型数据也限制了精确建模。未来的研究可通过结合更高分辨率的建筑数据和逐小时光伏发电估算，进一步探索需求侧管理和储能的灵活性，以更好地支持社区层面的能源规划。

主要图表

图 1. DBSM 数据融合与建筑属性。a，DBSM 2025 版本（R2025）数据融合过程的示意图，展示了从多个数据源整合建筑级属性的情况。b，在社区和建筑层级上的 DBSM 三维表示。c，以马耳他为例展示国家层级上的 DBSM R2025 示例。d，马耳他局部视图，展示邻里层级上的屋顶光伏潜力发电量示例。e–h，DBSM R2025 中每栋建筑包含以下信息：数据来源（EUBUCCO（EUB）、OSM 或微软建筑（MSB））（e）；建筑年代（按十年为周期）（f）；功能用途（住宅或非住宅）（g）；以及建筑高度（h），通过全球人类居住层30和城市图谱31进行标准化处理。i，建筑面积。

图 2. 欧盟屋顶面积可用性与屋顶光伏潜力。a，堆叠柱状图显示欧盟成员国中住宅建筑与非住宅建筑的屋顶面积百分比分布（使用 ISO 3166-1 alpha-2 编码；参见 https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Tutorial:Country_codes_and_protocol_order 获取国家缩写）。b，条形图展示欧盟住宅与非住宅建筑的总屋顶面积及可用于光伏安装的屋顶面积，分别假设住宅与非住宅建筑总面积的 25% 和 40% 可用于光伏安装。c，按 EPBD 分类划分的欧盟不同建筑面积类别（0 m²–250 m²、250 m²–1,000 m²、1,000 m²–2,000 m² 和大于 2,000 m²）的住宅与非住宅建筑聚合技术装机容量（GWp）。柱状图标签表示对应的潜在年发电量（TWh）。

图 3. 欧盟非住宅建筑的屋顶光伏潜力。a，NUTS3 区域层级上建筑面积超过 250 m² 的非住宅建筑潜在屋顶光伏发电量（TWh km⁻²）的分级统计地图。b，按建筑面积类别（0 m²–250 m²、250 m²–1,000 m²、1,000 m²–2,000 m² 和大于 2,000 m²）划分的非住宅建筑屋顶光伏技术容量潜力（GWp）热力图，遵循 EPBD 分类。国家按 2,000 m² 建筑面积类别的屋顶光伏容量从高到低排序。

图 4. 散点图展示每个成员国潜在屋顶光伏发电量与当前最终电力消费之比，横轴为屋顶技术装机容量（GWp）。气泡大小代表各国总潜在年发电量（TWh yr⁻¹），气泡颜色表示来自住宅建筑的光伏潜力占比。

图 5. 屋顶光伏发电量与能源需求之间的盈余或赤字。该地图展示了欧盟范围内 1 km × 1 km 分辨率下潜在屋顶光伏发电量与各部门能源需求之间的空间平衡估计。部门能源需求包括商业与公共服务、家庭、农业与林业以及渔业，源自能源地图集数据集。正值区域表示本地光伏电力盈余（蓝色），负值区域表示相对于需求的赤字（红色）。

图 6. 屋顶光伏潜力及其对欧盟短期和中期政策目标的贡献。比较欧盟住宅与非住宅建筑的屋顶光伏技术潜力与 RePowerEU 2030 目标以及两个 2050 年完全脱碳情景下的预测光伏装机容量：清洁能源技术观测站（CETO）的政策导向能源与气候变化影响评估工具（POTEnCIA）和 100% 可再生能源（RES）情景。图中突出显示了屋顶光伏对实现欧盟可再生能源与脱碳目标的贡献程度。柱状图标签表示对应的潜在年发电量（TWh）。

图 7. 欧盟各成员国 2030 年和 2050 年光伏技术装机容量及预测。展示各成员国人均太阳能光伏装机容量，比较 2024 年现状（灰色圆点）与国家能源与气候计划（NECPs）中预测的 2030 年水平（方形标记）。方块颜色表示仅使用非住宅建筑可实现的电力需求覆盖率。三角形代表来自 DBSM R2025 的住宅与非住宅建筑合计的人均总技术屋顶光伏潜力。三角形颜色表示 2050 年达到 12.5 kWp 人均屋顶光伏目标的潜在覆盖率份额。