《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A review on passive/active technologies towards plus energy building in high density urban area
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崔亨元（Hyung Won Choi）| 郑大英（Dae Young Jung）| 金成坤（Seonggon Kim）| 库在荣（Ja Ryong Koo）| 许延淑（Yeonsook Heo）| 宋秀元（Su Won Song）| 康永泰（Yong Tae Kang）韩国大学机
崔亨元（Hyung Won Choi）| 郑大英（Dae Young Jung）| 金成坤（Seonggon Kim）| 库在荣（Ja Ryong Koo）| 许延淑（Yeonsook Heo）| 宋秀元（Su Won Song）| 康永泰（Yong Tae Kang）
韩国大学机械工程学院，首尔城北区Anam-ro 145号，02841
摘要
广泛的零能耗建筑（ZEB）政策对于减少建筑能耗和碳排放至关重要。零能耗建筑的实现定义为能源独立比率（EIR）超过20%，这需要在密集的城市环境和极端季节性气候条件下，优化被动设计、主动系统以及现场可再生能源生产的组合。然而，对60个经过认证的零能耗建筑的频率分析显示，能源存储的部署有限，且对光伏（PV）的依赖性很强，这导致了在确保多样化可再生能源来源方面的脆弱性。本综述强调了零能耗建筑在大都市地区的空间悖论：高能源需求与现场可再生能源的严重空间限制之间存在冲突。本文强调了严格定义建筑范围内的能源边界的必要性，以解决这些限制。为应对这些普遍的城市挑战，本文介绍了“Plus Energy Building Innovative Technology”（PEBIT）战略框架。该框架为建筑范围内的能源流动设定了严格的边界，并目标实现“Plus Energy Building”（PEB）状态——即仅使用现场资源产生的能源超过其消耗的能源，净EIR达到120%。这是通过三个核心技术领域实现的：通过被动设计大幅降低能耗、利用主动系统进行高效能源转换和存储，以及通过综合优化平台支持多样化可再生能源生产。通过韩国的代表性案例，本文验证了PEBIT综合方法的必要性，并提出了面向全球高密度城市地区的先进PEB和负碳能源系统的路线图。
引言
全球建筑物消耗大量能源，并显著增加了温室气体排放，推动了研究和政策努力，以促进更可持续和节能的建筑。零能耗建筑（ZEB）是应对这些环境挑战的最有前景的策略之一。ZEB通常被定义为通过效率提升大幅降低能源需求的建筑，剩余的能源需求通过现场或附近的可再生能源生成来满足[1]、[2]、[3]。
在全球范围内，由于强有力的政府政策框架支持，ZEB的采用速度加快。ZEB的水平通常分为四个阶段：ZEB Ready、nZEB（接近零能耗建筑）、NZEB（净零能耗建筑）和Plus Energy Building（PEB）。不同国家对ZEB的定义基于特定的技术和市场接受条件而有所不同。表1总结了各国对ZEB的定义以及代表性ZEB项目的成就。ZEB Ready被定义为低能耗建筑，有意排除可再生能源的整合，日本和美国采用了这一定义。nZEB考虑了经济现实，仅针对特定用途实现接近零能耗。德国、英国和韩国采用了这种方法。NZEB要求大幅减少建筑总能耗，并通过可再生能源生成在整个年度内保持净零能耗平衡。荷兰、比利时和意大利采用了这一定义。最后，PEB目前正在法国进行试点，标志着最雄心勃勃的阶段，即建筑物通过可再生能源产生的能源超过其年度能耗。
最近的报告强调了欧洲（如德国、挪威和瑞典）ZEB的成熟度，过去五年内这些国家的ZEB认证项目数量有所增加[4]。特别是挪威，计划从2030年起实施全面的零碳政策，禁止建筑运营以及整个建筑过程（包括材料生产、运输和处置）的碳排放[5]。一个值得注意的挪威例子是“Powerhouse Kj?rbo”，这是一栋在其生命周期内实现正能量平衡的翻新办公楼[6]。该项目在所有阶段最小化碳排放的重点为全球人口密集城市地区的绿色改造计划提供了关键见解。许多国家通过引入ZEB认证系统取得了实质性进展。然而，这些地区现有的定义和标准往往相对狭窄。在许多密集的城市环境中，当前的认证系统（如韩国的认证系统）根据能源独立比率（EIR）对建筑物进行分类——即可再生能源生成与年度建筑能耗的比率。它们只需要达到20%的EIR（5级）即可获得认证[7]。目前仅关注EIR是不够的，因为它忽略了扩大ZEB标准的重要性，需要涵盖完整的碳生命周期，并目标实现负碳排放建筑。此外，仅基于可再生能源生产的EIR方法对于高人口和建筑密度的可持续城市发展是不充分的；它迫切需要考虑在密集城市区域内实际可获得的能源来源边界。
这些挑战源于人口密集城市环境中的固有空间悖论。虽然高能耗需要大面积的可再生能源生产场地，但这些城市却面临高土地价值、空间利用最大化以及屋顶/立面可用性极度有限的问题。这使得难以获得大规模可再生能源安装所需的大面积场地。因此，近期文献强调了在城市地区考虑建筑边界定义的重要性[8]、[9]。在制定有效的ZEB实施指南和政策时，这些考虑变得至关重要[10]。根据可再生能源生成的位置，ZEB可以分为四种类型：A、B、C和D[11]，如图1所示。这种分类强调了可再生能源是在现场生成还是在场外生成。A型ZEB严格在建筑范围内生成可再生能源（例如，屋顶或立面集成系统），而B型利用现场边界内的所有可再生能源（例如，停车场遮阳棚光伏（PV）、地面安装的阵列、场地内的地热钻孔场）。相比之下，C型和D型依赖于场外的可再生能源。由于城市空间的限制，政策必须继续大力鼓励A型（建筑范围）和B型（现场）ZEB项目的发展。这种关注确保了当地能源需求和供应的紧密整合，最大化了即时能源独立性，并减少了对外部电网的依赖。这就是为什么仅使用EIR作为主要的ZEB认证指标在城市环境中存在可行性问题的原因。因此，需要采取更全面和综合的方法，而不仅仅是关注可再生能源的生成量。此外，城市地区的可再生能源生产严重依赖光伏，而能源存储的应用仍然不足，这对于弥合供需差距至关重要。这种方法必须明确考虑空间限制，并整合多种技术的应用，不仅确保ZEB在密集城市环境中的可行性，还要推动向PEB的最终目标过渡。
因此，本文具体回顾了适用于密集城市环境的被动和主动技术解决方案。韩国以其复杂的气候条件和高建筑密度而成为说明大都市环境中ZEB未来方向的理想代表样本。基于对经过认证的ZEB中技术部署频率的普查分析，本研究定量评估了目前实践中被动、主动、可再生和存储技术的组合方式。通过这种实证评估，识别了现有ZEB实施中的结构不平衡和部署差距。基于这些发现，本文进一步探讨了超越传统零能耗性能、迈向PEB所需的战略方向。
为了解决频率分析揭示的局限性，本研究引入了“Plus Energy Building Innovative Technology”（PEBIT）框架。PEBIT的战略愿景是通过多学科策略实现≥120%的净能源平衡，超越传统ZEB的性能。PEBIT研究重点关注城市PEB所需的三个核心领域：（i）高效的可再生能源生产和转换（例如，建筑集成光伏/建筑集成PVT、燃料电池/电解）；（ii）高密度热能存储（例如，吸附热电池）；（iii）被动和主动核心技术的最佳整合。最终，本文对城市ZEB案例的深入分析为理解当前ZEB实践提供了分析基础，并提出了在高密度城市环境中发展PEB的策略，特别是在空间受限的大都市环境中。
章节片段
城市地区零能耗建筑的进展
在密集城市环境中实现ZEB需要一种综合的能源设计方法，如图2概念性所示。这种方法结合了关键的技术元素：预被动和被动设计、主动设计、可再生能源系统以及建筑能源管理系统（BEMS）。例如，被动设计包括先进的绝缘材料[12]，而主动系统则利用高效的热泵、通风和空调（HVAC）系统等智能技术
实现PEB的策略
在第2节中基于部署情况的评估基础上，当前城市ZEB实施存在结构不平衡，本节概述了在密集城市边界限制下迈向PEB所需的战略方向。前述分析表明，对屋顶光伏和被动围护结构的依赖性强，而能源存储和跨技术协调的整合相对有限。这些发现表明，逐步改进
结论
本综述分析了在高密度城市地区实现ZEB和迈向PEB的过程中，被动和主动技术的当前状态、技术实施频率及其固有局限性。具体而言，韩国作为一个代表性案例进行了分析，该地区以极端的城市密度和明显的季节性气候变化为特征。因此，本研究中的实证发现和部署分析主要基于
作者贡献
崔亨元（H.W. Choi）和郑大英（D.Y. Jung）进行了调查、实验和理论分析，并撰写了手稿。金成坤（S. Kim）和库在荣（J. R. Koo）负责数据整理、实验和理论分析以及手稿撰写。许延淑（Y. Heo）和宋秀元（S. Song）进行了理论分析并参与了讨论。康永泰（Y.T. Kang）监督了概念化、方法论以及手稿的审查和编辑。
资金支持
本研究得到了韩国政府资助的MSIT下属的韩国国家研究基金会（NRF）（编号：NRF-2020R1A5A1018153）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
