《Green Technologies and Sustainability》：Passive design strategies and innovative materials for Net-Zero Energy Buildings
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这是一篇遵循PRISMA 2020规范的、聚焦“围护结构优先”理念的系统综述。文章系统梳理了面向净零能耗建筑（NZEB）和近零能耗建筑（nZEB）的被动式策略与创新围护结构材料（如相变材料PCM），创造性地构建了“气候-策略矩阵”与“实施限制图”，为在不同气候区、不同建筑类型中因地制宜地选择并高效集成被动式技术，以降低稳态与瞬态负荷并最终实现净零目标，提供了循证决策支持。
面向净零能耗建筑的被动式设计策略与创新材料
摘要
建筑是全球终端能源消耗与CO2排放的主要贡献者，降低其热负荷是实现净零能耗建筑（NZEB）和近零能耗建筑（nZEB）的前提。本篇系统综述基于PRISMA 2020指南，旨在综合分析“围护结构优先”被动策略与先进围护结构概念的相关证据，重点关注四大方向：建筑朝向与形体优化、太阳能控制（遮阳与采光）、高性能保温与气密性、以及以相变材料（PCMs）为代表的潜热/储热措施。通过对2012年至2023年间发表的60篇同行评议期刊论文进行整合分析，综述超越了通用被动设计原则的复述，贡献在于：1) 建立了一套透明的编码方案，将策略与气候背景关联；2) 提供了一个总结报告效应方向及证据一致性的“气候-策略矩阵”；3) 绘制了一张基于证据的、涵盖成本、可建造性、维护和验证差距等内容的“实施限制图”，以支持实际决策。综述证据表明，性能收益的大小和可靠性高度依赖于气候和基线条件，因此，文中结论均以明确背景（气候、建筑类型、基线、指标）呈现，而非作为普适效应。论文最后提出了一个与证据基础一致的、保守的实施顺序：优先采用可减少稳态负荷的围护结构措施，然后管理瞬态负荷（在适用情况下采用热质/PCMs），最后集成可再生能源与控制系统。
1. 引言
快速的工业化、城市化及生活水平提高显著增加了全球能源需求，其中建筑部门是最大的能源消耗者之一。全球范围内，建筑约占终端能源使用的~40%以及CO2排放的30%–36%。改善建筑能源性能可大幅减少年能耗及全球变暖潜能。尽管许多国家已实施标准与认证体系以推广节能设计，但仅有很小比例的建筑符合高效率标准，对现有存量进行改造对于实现排放目标至关重要。净零能耗建筑通过结合高效率与可再生能源系统，平衡年度能耗与产能，来应对这些挑战。虽然主动系统发挥作用，但利用建筑形态、围护结构和材料来减少负荷的被动策略是基础。其中，保温隔热仍是减少冷热负荷、提高舒适度、降低温室气体排放最有效的方法之一。PCMs则通过以高能量密度储存潜热并释放以稳定室内温度，提供了补充效益。其有效性取决于合适的相变温度、布置以及与保温的整合，混合PCM-保温解决方案的表现通常优于单一技术。
1.1. 背景：能源需求与建筑
建筑是主要的能源消耗体，特别是高层办公楼。运行能耗（主要用于供暖、制冷、照明和生活热水）占其40-50年生命周期能源使用的52%–82%。降低供暖和制冷负荷至关重要，因为这允许缩小能源系统规模、降低成本并提高效率。全球空间制冷需求预计在2020年至205年间增长两倍。虽然优化朝向、高性能窗户和先进围护系统等策略可带来显著节能，但没有单一的解决方案适用于所有气候。建筑围护结构是性能的关键决定因素，控制着室内外之间的热量与空气交换。优化围护结构热阻（通过材料选择、保温层位置和厚度，并结合气候调整）可在维持舒适度的同时显著降低运行需求。
1.2. 净零能耗建筑（NZEBs）
NZEB理念将减少能源需求与现场可再生能源发电相结合，目标实现年度净零能耗。尽管各地定义因气候、能源、政策等因素而异，但都强调在利用可再生能源满足剩余需求前，首先通过效率手段最小化消耗。政策采纳正在扩大，例如，欧盟的《建筑能效指令》要求自2020年起所有新建建筑达到近零能耗建筑标准。设计NZEBs需要一个整体的方法，考虑系统交互、居住者舒适度和气候适应性。策略范围从气密性构造和高性能玻璃到集成太阳能光热/光伏系统及现场储能。被动措施在减少基准负荷、从而改善可再生能源集成的可行性和经济性方面尤其有价值。
1.3. 综述目标与结构
本综述旨在填补NZEB围护结构文献中的一个已识别空白：许多先前综述罗列了个别被动措施，但未能在气候背景、基线假设与指标、以及实际交付限制之间提供透明的联系。为此，综述围绕三个研究问题展开：1) 哪些“围护结构优先”被动策略和创新围护结构材料方法最常被评估用于NZEB/nZEB性能？2) 报告的性能效应方向如何随气候背景、建筑类型和评估方法变化？3) 在证据基础中，哪些交付限制性约束（成本、可建造性、维护、验证与控制）反复出现，它们在不同策略类别间有何不同？综述方法遵循PRISMA 2020指南，确保了方法学的透明度、可重复性和完整性。最终分析纳入了60项研究，建立了数据集概览，并对研究质量进行了评估。
2. 被动式设计策略
被动设计策略通过优化场地条件、气候与建筑形态的互动，在不依赖机械系统的情况下，为减少建筑能耗提供了巨大潜力。对于NZEBs，优化被动输入对于在集成可再生能源发电之前最小化基准能源负荷至关重要。在众多组件中，建筑围护结构在能源性能中起着关键作用。高性能围护结构设计必须在热阻、建造成本、结构稳定性和材料重量之间取得平衡。现代技术使得能够将被动措施与储能、自然通风和智能太阳能控制集成于先进的围护结构中。被动策略可能仍面临负荷需求不匹配的问题，这可以通过结合热储能系统（如储能墙或太阳能加热的特朗伯墙）来缓解。虽然仅靠被动设计可能无法完全满足NZEB目标，但它显著降低了能源需求，使得更小、更具成本效益的可再生能源系统成为可能。
2.1. 建筑朝向与建筑形态
建筑朝向强烈影响太阳得热、遮阳潜力和自然通风。正确的朝向可以最大化冬季太阳照射以减少供暖需求，并最小化夏季得热以减少制冷负荷。建筑形态，包括庭院几何形状，会影响遮阳、风模式和日光分布。内部配置，如将供暖/制冷房间分组并设置阳光间，可以进一步提高性能。外立面必须被设计为积极的环境调节器，而不仅仅是外部表皮。双层表皮立面、表面材料选择、颜色和纹理都会影响热性能。设计良好的立面能平衡透明度与不透明度，集成遮阳，管理眩光，并调节季节性太阳得热。
2.2. 自然通风与风致冷却
自然通风减少了对机械制冷的依赖，改善了室内空气质量，并增强了热舒适性。其有效性取决于建筑布局、窗户位置、开口大小以及允许在无人居住期间进行空气流通的安全通风解决方案。在炎热季节，设计良好的交叉通风或烟囱通风可以显著降低制冷负荷。限制包括建筑进深限制（单侧通风约13.5米）以及需要将日光导向设计与通风策略相结合。材料的隔热性能也会影响表现，高蓄热体在配合有效气流时可以缓和温度波动。
2.3. 遮阳与日光管理
遮阳装置，如挑檐、百叶、雨棚、金属幕和垂直鳍片，可以减少直射太阳得热，控制眩光，并增强日光渗透。水平元素也可以作为导光板，将日光重新导向室内更深处。玻璃类型和窗墙比影响日光可用性和热传递。先进的玻璃系统（双层/三层玻璃、低辐射涂层）在保持透明度的同时，最大限度地减少了不必要的得热。战略性采光减少了对人工照明的依赖，从而降低了能源使用和内部得热。在密集的城市环境中，当直接日光获取有限时，通过采光井或凹槽的反射光至关重要。
2.4. 热质与特朗伯墙
热质通过在白天吸热并在夜间（冬季）释放或延迟（夏季）释热，来调节室内温度波动。特朗伯墙是朝南的高蓄热墙体，通过玻璃和空气间隙与外部隔开，可储存太阳能热量并释放用于空间供暖。其优点包括简单、运行成本低和改善热舒适性，但缺点包括热阻有限和效率问题。通过复合墙、增加太阳吸收的翅片以及与半透明立面或建筑一体化光伏的集成，可以提升其性能。此类改进可以提高太阳能利用效率并更好地调节室内条件。
2.5. 集成式被动方法
最佳结果通常来自于集成多种被动策略，例如优化朝向与遮阳、高性能立面、自然通风和热储存的结合。这些组合能够应对季节性变化，减少对主动系统的依赖，并在围护结构性能、居住者舒适度和可再生能源集成之间创造协同效应。总而言之，针对气候、建筑类型和功能需求量身定制的被动设计策略是NZEB性能的基础。通过优化建筑朝向、形态、通风、遮阳和热质，并整合先进的围护结构设计，可以显著降低运行能耗需求，提高舒适度，并实现可再生能源系统的经济部署。
3. 保温隔热与相变材料
增强建筑围护结构，特别是墙体的热惰性，是NZEB被动式设计的基石。高性能保温和PCMs是减少冷热负荷、稳定室内温度和提高能源效率的两种最有效策略。
3.1. 高性能保温材料
保温材料旨在减少通过建筑围护结构的热传递，提高热阻并降低传热系数。其选择取决于市场可用性、区域气候和建筑特定要求。应用方法多样，但通常针对外墙和屋顶，因为它们表面积大，对热传递贡献显著。整合保温可以改善温度调节，减少HVAC需求，并增强热舒适性。保温的最佳厚度取决于气候，超过成本最优厚度后，增量收益递减，而内含能源和碳影响可能不成比例地增加。新兴材料如气凝胶提供了比传统产品高得多的热性能，但需要考虑加工和成本。保温层在墙体组件中的位置和数量也会影响性能，需要在运行节约与环境影响之间取得平衡。环境生命周期考量至关重要，因为保温可能对隐含碳有显著贡献。在许多情况下，运行节约超过制造足迹，但需要平衡的方法以避免过度使用保温。
3.2. 相变材料
PCMs通过相变过程中的潜热储存和释放热能，提供高能量密度和接近等温的行为。它们在对缺乏热质的轻质结构中特别有效，减少了增加材料质量的需求，同时调节室内温度波动。PCMs可按成分分为有机、无机和共晶混合物。关键性能因素包括相变温度、潜热容量、导热系数、比热和在围护结构中的位置。最优位置各不相同：一些研究建议在供暖为主的气候中将其放置在热源附近，其他则建议为制冷放置在外侧。集成可以通过直接包含、浸渍、定形稳定或微/宏观封装实现。封装解决了泄漏问题，但可能增加成本和复杂性。增强技术包括掺入纳米材料以提高导热性，以及优化PCM胶囊的几何形状以加速传热。PCM性能对昼夜温差和房间朝向敏感，因此需要将其适用性视为特定于气候和基线的，而非普遍有益。
3.3. 保温与PCMs的组合使用
将PCMs与保温结合使用通常优于单独使用任何一种技术。保温最大限度地减少了稳态损失，而PCMs则管理瞬态负荷和峰值转移。这种互补性可以减少HVAC系统规模，延长舒适时间，并提高可再生能源利用率。运行节能与隐含环境成本之间的平衡应指导系统设计。
3.4. 气候-策略互动分析
“气候-策略矩阵”综合了特定被动和混合设计措施与主要气候条件之间的相互作用，揭示了明显的、依赖于背景的模式。在干热气候中，高日照和大的昼夜温差使得朝向、遮阳和热质非常有效，夜间通风可实现热量排出。PCMs和双层皮立面也能显著缓冲白天的得热。保温有益，但必须与散热需求平衡以避免过热。在湿热气候中，遮阳显示出强烈的积极效果，特别是与反射玻璃结合时，而自然通风常受高湿度水平限制。由于昼夜温差减小，热质效果较差，而TSC系统可能因供暖需求低和潜在的湿度控制问题而表现不佳。在温带气候中，所有策略都表现出广泛的适用性，朝向、保温、气密性和遮阳表现持续良好。在寒冷气候中，气密性和保温至关重要，而PCMs可用于管理太阳能得热并减少过热风险。通风策略需要仔细控制，以避免不必要的热损失。双层皮立面、建筑一体化光伏和特朗伯墙在特定气候下表现出潜力，但需要权衡复杂性、成本和维护需求。总而言之，被动式设计策略的有效性并非普适，而是强烈依赖于气候背景、基线建筑特征和所采用的性能指标。本综述提供的“气候-策略矩阵”和“实施限制图”为设计师、从业者和政策制定者提供了循证指导，以优化NZEBs的被动式围护结构解决方案选择，最终推动建筑环境向可持续和碳中和的未来转型。
