综述：驾驶员、技术演进与系统研究框架：关于碳减排改造技术的综述及现有建筑改造路径的探索 马晓轩、 郭青海、 连刚、 沈巧辉

《Buildings》：Drivers, Technology Evolution and Systematic Research Framework: A Review on Carbon Reduction Retrofit Technologies and Exploration of Pathways for Existing Buildings Xiaoxuan Ma, Qinghai Guo, Gang Lian and Qiaohui Shen

　　摘要 作为能源消耗和温室气体排放的主要来源，对现有建筑进行低碳改造有助于缓解气候压力并提高环境韧性，这是实现可持续发展目标的有效且可行的方法。然而，大多数现有的城市更新研究主要集中在分析影响因素、碳减排潜力、碳减排措施以及碳减排的成本效益上。目前缺乏对碳减排和改造相关理论与技术研究的系统综述和综合分析。我们采用遵循PRISMA协议的系统文献回顾方法，对244篇经过同行评审的文章进行了标题/摘要层面的筛选，并对符合PICOS标准的77项研究进行了深入分析。本综述总结了过去五十年来现有建筑低碳改造技术的发展历程，指出气候变化压力、政策法规、利益相关者需求和技术创新是推动现有建筑脱碳的主要驱动力。这些驱动力还受到技术能力、改造市场以及建筑自身特性的影响，它们既推动了建筑的脱碳，也促进了包括气候缓解在内的更广泛的可持续发展目标（SDGs）的实现。本文重点关注建筑脱碳的驱动因素、技术发展以及改造带来的效益，并提出了一个基于清单的技术路径框架，以指导脱碳和改造实践。我们识别出建筑脱碳和改造中的关键问题，并制定了该框架，旨在为研究人员、政策制定者和管理者提供技术指导。

1. 引言
随着全球气候变化的加剧，建筑行业已成为全球三大温室气体排放源之一，占全球能源消耗的40%和大约三分之一的碳排放[1]。迫切需要为建筑行业寻找一条可持续发展的路径[2]。在这种背景下，许多国家已将大规模建筑改造视为实现碳峰值和碳中和目标的关键策略[3]。节能建筑设计以及对现有建筑的改造在提高能源效率、实现净零排放和应对气候变化方面发挥着重要作用[4]。与新建建筑相比，可持续改造现有建筑在提高能源效率、成本效益以及改善室内环境质量方面已经证明了其重要性[5]。
受这些需求的推动，现有文献在三个领域取得了显著进展：在评估层面，生命周期评估（LCA）作为一种量化建筑和区域碳足迹的方法得到了发展[6]；在技术层面，研究开发了能源系统改造、建筑围护结构升级和材料创新作为核心干预措施[7,8]；在方法论层面，开发了遗传算法、粒子群优化和蚁群优化等多目标优化算法，以平衡能源、成本和碳目标[9]。这些进展共同加深了人们对各项改造措施和评估工具的理解。
尽管取得了这些进展，文献中仍存在一些不足。首先，现有的综述仅提供了改造技术的静态快照，而没有纵向描述这些技术在过去五十年的演变过程及其变化原因。其次，建筑脱碳背后的驱动力——气候压力、政策、利益相关者需求和技术创新——通常被孤立分析。第三，目前还没有一个综合框架将这些驱动力、技术选择和改造效益联系起来，以指导研究人员和实践者做出基于证据的决策。为了解决上述问题，本综述采用了一个跨越五十年的演变视角，揭示了技术转型是如何受到不同驱动力配置影响的。此外，本文还绘制了气候、政策、利益相关者和技术驱动因素之间的相互作用路径，并提出了一个将理论发现与实际改造路径相结合的综合框架。具体来说，本综述做出了三项贡献：（1）提供技术演变的纵向分析；（2）揭示作为耦合系统的驱动因素相互作用；（3）提供一个将驱动因素、技术和效益联系起来的可操作框架。
本文的其余部分组织如下：第2节描述了本研究采用的系统文献回顾方法。第3节介绍了脱碳技术的进展，包括改造技术的演变和应用。第4节分析了现有建筑脱碳的驱动因素。第5节指出了该领域中的关键科学问题，第6节提出了一个全面的技术路径框架。第7节总结了研究结果并提出了未来研究的方向。

2. 研究方法
本综述采用了系统文献回顾（SLR）方法[10]，对建筑改造中的碳减排策略现有研究进行了全面分析。SLR方法被公认为在特定领域内映射和评估研究的有效方法[11]，有助于识别关键主题趋势，解决现有研究空白，并为未来研究提供有价值的指导，从而支持该领域的理论和概念进步[12]。
SLR方法的实施遵循了严格的流程，包括以下步骤：研究问题定义、制定专门的搜索字符串、根据明确的纳入/排除标准进行文献检索和筛选，以及最终选择文章进行内容分析（图1）。为了确保研究选择的客观性和公平性，建立了一套明确的纳入和排除标准。此外，作者通过定期审查并对既定的方法论指南进行基准测试，不断验证筛选过程。这一严谨的程序确保了最相关文献的识别，同时严格遵循预定义的标准，有效防止了偏见和错误[13,14,15]。
图1. PRISMA（系统综述和元分析的优先报告项目）文献筛选流程图。搜索从关键词“exist*building*”开始，这是文献中讨论现有建筑改造时最常用的术语。随后，排除了“retrofit”及其常用同义词，如“Regeneration”、“Renewal”、“Redevelopment”、“Renovation”、“Reconstruction”、“Revamp”、“Refurbishment”和“building*reconstruction”。由于本综述主要研究现有建筑脱碳的理论、方法和技术，因此选择了“low*carbon”作为第三个搜索词，同时排除了“CO2 emission*”、“greenhouse gas*”、“grg”、“net*zero”、“peak carbon”、“carbon peak”、“circular econom*”、“climat* chang*”、“green”、“environmental challeng*”和“carbon*neutral”等同义词。
相关文章通过Web of Science (WoS)和Scopus数据库使用关键词“exist*building*”、“retrofit”和“low*carbon”进行检索[13,15,16]。由于本综述主要研究现有建筑脱碳的理论、方法和技术，因此选择了“low*carbon”作为第三个搜索词。我们还使用了“CO2 emission*”、“greenhouse gas*”、“grg”、“net*zero”、“peak carbon”、“carbon peak”、“circular econom*”、“climat* chang*”、“green”、“environmental challeng*”和“carbon*neutral”等同义词[15]。
文献筛选分为三个阶段：在第一阶段，根据标题、摘要或包含与现有建筑脱碳相关术语的关键词选择文章。范围进一步缩小到环境生态学、工程学、建筑科学与技术、城市研究、建筑学、社会科学和商业经济学等领域。WoS核心集合检索出1446篇论文，Scopus数据库返回411篇论文。去除重复项后，共获得1508篇论文。在第二阶段，对这些1508篇论文的标题和摘要进行了审查。在此过程中，首先排除了与建筑领域无关的论文（例如关于动物和植物种群或社区演变的论文）。最终，有244篇论文符合要求。第三阶段根据PICOS（参与者、干预措施、比较对象、结果、研究设计）框架仔细阅读全文以最终确认。
整个过程可以总结如下：（1）问题定义；（2）制定纳入和排除标准；（3）文献筛选（标题/摘要筛选和全文筛选）；（4）记录和管理；（5）质量评估；（6）透明度和可重复性（PRISMA流程图）。
纳入标准包括：关注现有建筑改造的研究、关注建筑低碳改造的驱动因素和障碍的研究，或关注改造中低碳技术的研究[16,17]。
排除标准包括：建筑行业背景下的概念性文章和文献综述、侧重于政策层面的研究，以及关注其他低碳转型案例的研究[17,18]。
应用上述系统文献回顾方法，我们识别出77篇相关文章。对这些文章的分析揭示了脱碳改造技术的清晰演变轨迹（表A1和表A2）。下面，我们首先介绍这一技术进步（第3节），然后分析其背后的驱动力（第4节），识别剩余的科学问题（第5节），最后提出一个综合框架（第6节）。

3. 脱碳技术的进展
建筑领域的脱碳技术进展呈现出多样化趋势，涉及建筑能源系统的改进、外部围护结构的改造、建筑材料的改进以及软件模拟的应用（表A1）。当前研究重点关注建筑能源系统的改造，并使用软件模拟（包括LCA、能源模拟和热舒适度模拟，例如EnergyPlus、DesignBuilder）来分析改造效果[19,20,21,22]。新兴技术也被应用于建筑脱碳，包括基于无人机的航空摄影、机器人自动化施工和3D打印技术，以实现零浪费建筑[8,23]。

3.1. 脱碳改造技术
现有建筑的脱碳改造技术经历了目标导向和需求驱动的演变过程，从单一技术应用转向系统集成，从传统方法转向智能解决方案。脱碳改造技术的发展历史可以分为四个阶段：（1）初始发展阶段（20世纪末至2005年），以应用传统节能技术进行基本能源消耗控制为主；（2）系统集成阶段（2005–2010年），探索多种技术的组合应用以实现协同的能源效率提升；（3）智能阶段（2010–2020年），引入人工智能等新技术进行精准能源管理；（4）低碳转型阶段（2020年至今），强调数字和智能技术的深度集成以实现全生命周期碳减排。每个阶段都具有独特的技术特征和创新突破，反映了建筑行业从被动节能向主动脱碳的逐步转变，以应对气候变化和可持续性挑战（图2）。
图2. 建筑改造技术的发展时间线[24,25,26,27,28,29,30,31]。
初始发展阶段（20世纪末至2005年）侧重于能源消耗控制和基本碳排放减少，在全球气候意识初步形成但系统化脱碳需求有限的情况下进行。这一阶段的特点是分散的、特定场景的技术应用，整体影响有限。应用的技术相对成熟、成本低廉且易于实施，包括单一节能技术、建筑围护结构的基本改造以及供暖、通风和照明系统的简单升级。这些技术的应用实现了约15–25%的运营能源减少。重要突破包括高效隔热材料（如膨胀聚苯乙烯和挤出聚苯乙烯）和太阳能热水器，这是将可再生能源首次尝试整合到建筑改造中的尝试。
系统集成阶段（2005–2010年）标志着研究和应用重点的转变，认识到单一技术在实现显著节能和碳减排方面存在局限性。研究前沿集中在优化集成能源系统、探索建筑中的可再生能源应用以及建立综合评估系统上，为后续的智能升级奠定了基础。例如，被动能源效率技术开始被整合到建筑设计中以优化能源性能[32]。可再生能源技术（如光伏系统）也开始被整合到建筑系统中，以减少对传统能源的依赖[33]。这一阶段实现了从单一技术应用向系统技术匹配的转变，能源节省率达到30–40%。
智能阶段（2010–2020年）的特点是数字和智能技术的应用。智能控制技术和新的节能材料被广泛用于建筑设计优化和能源管理，显著提高了建筑能源效率[34]。此外，3D打印技术在建筑组件方面的突破使得快速生产和个性化定制成为可能，同时减少了材料浪费和固有碳排放，将脱碳范围扩展到施工阶段。建筑施工中的机器人技术也提高了效率和质量，降低了劳动力成本和环境影响[35]。核心研究问题集中在优化材料性能、提高能源效率的系统运行策略，以及利用新兴技术（如BIM和物联网）来实现智能控制算法[20]。这些技术主要应用于两个领域：大型商业和公共建筑的智能改造，以及建筑构件的快速定制生产。它们共同推动了从系统性能源效率向智能精准管理的转变，在综合被动和主动措施的基础上，额外实现了5-15%的能源节约。

低碳转型阶段（2020年至今）的特点是数字化的广泛使用，主要通过软件模拟和分析来推动脱碳工作，这一进程得益于人工智能、大数据和云计算的进步[36]。例如，人工智能算法用于预测和优化建筑能耗，实现精确的能源调度和管理[29]；大数据分析有助于识别节能潜力和改进措施[37]；数字孪生技术则能够动态监测建筑物的整个生命周期。这些技术的应用为建筑脱碳和改造提供了更高效、更精确的解决方案。当前的研究前沿集中在利用大数据和人工智能来核算碳排放，并探索有助于建筑物实现零碳目标的技术创新[38]。与之前的阶段相比，这一阶段的技术更加系统化、智能化，并且更加注重碳减排，将重点从提高能源效率转向可量化的整个生命周期碳减排[38]。这一阶段代表了系统性低碳转型的成熟阶段，其综合运营和内含碳减排潜力可达50-70%。

3.2. 脱碳改造技术的应用
3.2.1. 能源系统改造
自2020年以来，建筑物的冷却能耗迅速增加，这促使人们需要通过能源系统改造来减少冷却需求并优化供暖和电力供应系统（图3）。例如，结合使用多种节能改造措施可以最小化一次能源消耗、运行成本和二氧化碳当量排放，在社区层面实现能源节约和减排[39]。在炎热夏季和寒冷冬季地区，采用节能技术（如315毫米挤塑聚苯乙烯（XPS）保温材料和低辐射玻璃）的最佳组合，可以在提高室内热舒适度的同时降低建筑能耗和温室气体排放[9]。图3. 建筑能源系统改造示意图。相关方需要了解现有建筑状况并建模能源需求，以实现建筑建设和运营的温室气体减排[40]。一个系统优化的整栋建筑改造规划模型可以直观显示改造后的能源效率[41]。住宅和非住宅建筑社区中的光伏系统可以实现每年139%的净正能量平衡、33.2%的自给率和76.7%的自用率，以及24,416.7公斤的二氧化碳减排[33]。循环经济原则——优化资源利用、减少浪费以及提升环境和能源效益——可以显著促进能源系统改造的可持续发展[42]。例如，北京一所幼儿园采用高效和光伏热技术进行的零碳改造使经济效益提高了24%，并实现了78.7%的减排[30]。

3.2.2. 外围结构改造
老旧建筑通常具有更高的能耗和运营成本，同时室内舒适度较低（表1）。改造外围结构和供暖系统往往是改造现有建筑的首选方法，因为这是提高其能源效率的最有效途径之一[43]。保温材料、窗户玻璃类型、供暖系统和门材是改造老旧建筑的关键方面[44]。多项研究一致表明，外围结构改造可以实现35-45%的能源节约[7,8]。减少碳排放的关键因素包括使用木材和大麻等生物基材料，这些材料最多可贡献35%的碳封存[45]，而优化的层叠策略则能经济有效地降低热传导率[23]。除了节能之外，外围结构改造还能在建筑物的整个生命周期内显著降低成本，其效果优于拆除和新建[8]。改造措施的效果因建筑规模而异：高效暖通空调（HVAC）系统和较小的窗户在大型建筑中效益更显著，而低成本的外墙材料在小型结构中效果更明显[46]。总体而言，这些干预措施可将供暖需求降低约38%，整体能耗降低31%[47]。优化建筑外围结构可以显著提高能源效率，减少与供暖和制冷相关的碳排放。未来的改造策略应侧重于社区或区域层面，以协作方式提高建筑能源效率，促进可持续社区的发展。

表1. 用于减少碳排放的建筑外围结构改造的相关方面和技术。

3.2.3. 建筑材料的改进
虽然已经出台了绿色建筑政策以减少二氧化碳排放，但这些政策通常仅适用于新建建筑。越来越多的证据表明，材料选择对整个生命周期的碳排放有显著影响（表2），改进建筑材料在改造现有建筑以达到高能源性能水平方面发挥着关键作用[48,54]。例如，最佳组合——如EPS或PU保温材料与通风层用于不透明部分，以及低辐射玻璃与铝/木框架用于透明部分——可以将外墙的U值从1.2降至0.23 W/m2·K，实现经济高效的保温[23]。全生命周期评估进一步显示，修复项目中的69%的内含碳来自材料预制阶段，另有20%来自使用中的材料更换[22]。选择合适的建筑材料可将非工作一次能源消耗减少40%[48]。这证实了建筑材料改进在减少建筑行业碳排放方面的重要性。生物基和生物基础设施材料有助于实现“建筑作为碳汇”的目标，提供与全球脱碳需求相一致的可衡量气候变化缓解效益[50]。

表2. 建筑材料的改进可以有效减少建筑的碳排放和环境影响。尽管上述单个材料类别的改进对减少碳排放有显著贡献，但在现有建筑中实现深度脱碳很少依赖于单一干预措施。实际上，最佳效果是通过材料创新与互补措施（如能源系统升级（例如高效热泵、光伏板）和外围结构改造（例如先进保温材料、高性能玻璃）的协同整合来实现的。例如，将生物基保温材料与太阳能辅助供暖系统结合使用，可以显著降低内含碳和运行碳的排放，其综合效果远超各自单独贡献的总和。

3.2.4. 软件模拟分析
建筑软件模拟长期以来一直有效揭示了气候因素对建筑设计和整体能耗的影响[36]。近年来，人工智能（AI）和机器学习的整合显著扩展了这些分析工具的功能。AI算法能够更准确地预测能耗模式，通过多目标遗传算法优化改造策略，并通过数字孪生实现实时性能监控[58,59,60,61]。如表3和表4所示，虽然传统的BIM、EnergyPlus和LCA工具仍然是基础，但新兴的AI驱动方法（如人工神经网络、强化学习）越来越多地被采用，以增强建筑改造中的决策和运营效率。

表3. 用于建筑改造分析的软件工具。
表4. 用于改造优化的计算方法和算法。
总体而言，模拟工具一致显示，改造措施在内含碳方面优于新建建筑，基于AI的方法进一步提升了优化效率。例如，集成BIM-LCA方法表明，新建建筑的內含碳排放是改造建筑的五到六倍[21]。高分辨率的建筑库存模型（BSMs）和建筑能源模型（BEMs）提供了更高的空间精度，有助于制定碳中和政策[38]。总之，描述现有建筑动态能源相关特性的计算建模已成为碳减排改造的主要方法[22]。

3.2.5. 综合技术部署的好处
实施脱碳改造技术能够产生重大的环境、经济和社会效益。与其选择单一措施，不如通过协调整合互补干预措施（如能源系统改造、外围结构改进、材料改进和基于AI的模拟工具）来获得最佳效果[66]。
从环境效益来看，包括太阳能光伏系统在内的集成清洁能源技术可实现30-50%的碳排放减少[33]。绿色屋顶可以缓解城市热岛效应，同时降低建筑物的热负荷[52]。木材和大麻等低碳材料最多可贡献35%的碳封存[50]。计算模拟进一步实现了最佳技术组合和准确的能源预测，减少了行业能耗[67]。
从经济效益来看，在住房库存改造中优先考虑社会经济热点区域对于最大化改造住宅建筑的财务回报至关重要[68]。能源系统改造可以降低建筑整个服务周期内的运营支出[66]。与拆除和新建相比，外围结构改造可节省35-45%的成本[8]。创新建筑材料可将材料成本降低20-30%，缩短施工时间30-50%，并降低维护费用15-25%[8]。大规模改进还能产生规模经济[69]。
从社会效益来看，改造成果为建筑管理者提供了基于证据的翻新路径[70]，提高了居民的生活质量[71]，并改善了室内环境舒适度[9]。生物基和创新材料的进步加速了碳封存建筑结构的发展，这些建筑通常被称为“碳汇建筑”，展示了建筑作为气候缓解资产的社会价值[50]。数字技术和计算模拟为基于证据的碳中和政策制定提供了信息支持，建立了建筑环境脱碳的激励机制，并加速了建筑行业的数字化转型[38]。
总之，能源系统改造、外围结构改进、材料改进和基于AI的模拟工具的综合部署带来了显著的协同效益。从环境角度来看，这些策略实现了30-50%的碳排放减少，同时缓解了城市热岛效应。从经济角度来看，它们降低了生命周期成本，外围结构改造节省了35-45%的成本。从社会角度来看，它们提高了居住者的舒适度，提升了建筑美观性，并支持数据驱动的政策制定。这种多维度的协同效应强调了从单一技术解决方案转向整体改造策略的重要性。除了这些直接效益外，脱碳改造还促进了多个可持续发展目标的实现，包括SDG 7（负担得起的清洁能源）、SDG 13（气候行动）、SDG 3（良好的健康与福祉）和SDG 12（负责任的消费和生产），并共同推进了SDG 11（可持续城市和社区）。

4. 现有建筑脱碳的驱动力
第3节中描述的技术变革并非自发发生。从20世纪70年代的基本节能措施到今天的全生命周期碳管理，每个阶段都受到外部因素的推动，如气候压力、政策和经济激励。理解这些驱动力对于解释技术为何如此发展以及预测未来趋势至关重要。因此，下一节将分析建筑脱碳背后的关键驱动力。通过对筛选文献的详细分析，可以得出结论：建筑脱碳是由四个主要驱动力推动的：气候变化和环境要求、政策和监管框架、利益相关者参与以及技术进步（表A2）。这些驱动因素包括减排目标、能源效率标准、居住者福利要求以及政府的可持续性承诺（图4）。这些因素通过包括可再生能源系统、碳中和材料和节能技术在内的创新解决方案得以实现。

图4. 建筑脱碳改造的驱动力。

4.1. 气候变化和环境压力作为驱动力
现有建筑的脱碳受到多种因素的影响，其中气候变化和环境压力是主要催化剂（图4和表A2）。建筑物通过两个主要途径产生温室气体排放：建筑运营阶段和建筑施工阶段[48,54]。多项研究一致指出，建筑运营是环境退化的主要贡献者，运营排放占生命周期排放的60-80%[72]，而材料内含的碳占初始阶段排放的69%[22]。在施工阶段，运营能耗和建筑材料生产过程中的内含碳都会产生大量排放（例如，初始材料占69%，使用中的材料更换占20%，运营能耗和寿命结束时的处理占11%）。除了运营排放外，建筑行业还严重依赖自然资源和多种能源输入[46,73]，传统的供暖系统直接使用化石燃料，加剧了大气中的温室气体负荷[74]。先进的清洁技术可以战略性地实施以提高能源效率[75]。特别是对替代能源技术（尤其是太阳能光伏系统和风能基础设施）的投资，可以将建筑行业的初级能源需求减少91%，并将现有建筑的温室气体排放减少95%[51]。同样，以生物质为燃料的区域供暖系统（DHS）在总二氧化碳排放量上实现了92.69%的减少，当建筑物达到近零能耗建筑（NZEB）标准时，二氧化碳排放量降至每平方米1.57公斤[76]。当代的城市化模式越来越多地表现为老旧建筑物的增加，这些建筑物的环境性能不佳，生态足迹较大[19]。因此，不断加剧的环境压力要求采取全面的建筑脱碳策略，以尽量减少对环境的不利影响，提高空气质量，减轻城市热岛效应，增强气候适应能力，并优化资源利用效率[9,20,52]。

4.2. 政策和法规作为驱动力
随着《巴黎协定》的批准，世界各国实施了针对气候变化缓解和适应策略的全面措施，特别关注温室气体减排目标和加强社区气候适应能力的框架[77,78]。从法规合规的角度来看，立法框架对碳排放设定了量化限制，规定了废物管理协议，并规范了资源消耗的阈值[79,80]。研究表明，基于证据的政策能有效促进技术进步，在技术创新和政策实施之间建立了双向反馈机制[81]。全球范围内越来越多地实施管理建筑能源性能的法规框架，以加快清洁能源转型[82]。欧盟的《建筑能源性能指令》使合规建筑的二氧化碳排放量和不可再生能源消耗量减少了65%以上，同时整体能源需求减少了50%以上[83]。长期改造策略、近零能耗建筑标准、能源性能证书和建筑技术系统评估协议提高了整个欧盟的建筑效率指标[84]。更新的建筑规范、财政激励措施、严格的能源效率标准以及现代化的法规构成了推进大规模建筑改造和最大化现有建筑减排潜力的综合政策生态系统[81,83]。这些多方面的政策和监管机制包括财政激励、基于性能的建筑规范、认证系统以及多种互补工具，如图4所示。战略性政策干预是推动建筑业可持续发展模式的基本决定因素[77]。政府的环境政策在建立标准化协议和指导原则方面发挥着关键作用，有助于减少对环境的不利影响，并促进生态负责任的做法[47,79]。监管政策鼓励采用和优化清洁能源系统、高效的生产方法以及先进的碳排放监测技术，从而加速实现可持续发展目标[85]。政策激励的有效性相对独立于具体情境；然而，过于积极的激励措施可能会产生意外的负面后果，而适当调整的抑制措施在特定应用中往往表现出更好的效果[86]。因此，实施一系列积极的激励措施和消极的抑制措施相结合的方法是加速现有建筑脱碳的最佳途径[86]。更广泛地说，有效的政策框架通常结合了三种互补的工具类型，包括设定最低要求的监管工具（如建筑能源规范和性能标准）、创造财务动力的经济工具（如补贴、税收激励和碳定价），以及提高市场透明度的信息工具（例如能源证书和技术指南）[79]。

4.3. 利益相关者的利益作为驱动力
在建筑行业中实现可持续发展需要建筑生命周期内各个利益相关者的积极参与[87,88]。这些群体包括建筑所有者、使用者、承包商、政府机构和环保组织。业主对减少碳排放的改造措施持积极态度，他们的态度受到个人偏好、地区气候因素和供应链可靠性因素的影响[87]。全面的改造计划提供了双重优势，即符合个人需求的视觉规划框架和定制的干预策略，从而缓解财务限制并优化资源分配[41]。另一方面，政府机构和业主对改造后的投资回报表示担忧，因为资本密集型干预需要大量的初始投资且回报周期较长[89]。在欧洲，政府建立了公私合作伙伴关系框架，通过调动私营部门资源来推动绿色改造计划[86]。然而，私营部门实体由于初始成本过高、认为经济效益不足以及资金回收时间较长，常常对实施此类措施持犹豫态度。因此，优先考虑能源效率优化并重新定向现有投资可能比增加对分布式清洁能源技术的资本分配更为有效[90]。如图4所示，通过多种机制可以调动利益相关者的参与。Wilberforce等人证明，在特定地区对现有建筑进行改造可以减少35%的能源需求和二氧化碳排放，其投资回报是温带地区的两倍[91]。如3.2.4节所述，通过全面情景分析研究了六种不同的改造和重建路径[21]，发现重建相关的排放量是改造方案的五到六倍。近零能耗建筑改造计划大大推进了脱碳目标，但同时也增加了项目复杂性并提高了相关成本，因此需要强大的多利益相关者协作框架[92]。BIM和互补的数字技术有助于在设计和改造规划阶段扩大利益相关者的参与度，从而优化更新方案参数[93]。然而，当前的研究表明，缺乏有效协调这些复杂利益相关者互动的成熟、经验证的框架。

4.4. 技术创新作为驱动力
技术创新涵盖多个维度。如图4所示，技术创新包括数字化转型和绿色技术的进步。通过逐步发展，先进的解决方案为减少碳排放提供了创新方法。例如，可再生能源系统、碳中性材料、预制建筑和碳捕获技术[19,20,21,22]。例如，通过战略性地优化集成节能配置，可以将建筑能源需求减少50.2-60.2%，同时将室内热不适期减少3.52-11.09%[94]，相关的碳排放减少潜力估计为50-125千吨[95]。实施综合干预措施可以将年度供暖能耗减少86%。这些干预措施包括热围护结构改进、高效能源系统安装、更清洁的能源集成以及使用者行为优化[74]。虽然碳排放减少措施在运营阶段表现出最大效果，但研究重点越来越多地放在施工阶段的碳减排上，通过精益建设等方法论优化框架[96]。现有建筑通常存在隔热不足和室内环境控制有限的问题，导致能源消耗增加；因此，提高建筑能源性能的技术干预是实现效率目标的关键途径[9,80]。在中国，钢铁和混凝土是主要的建筑材料，约占建筑组件碳排放的60%[97]。将光伏面板系统与低排放材料（如低碳混凝土和工程木材）结合使用，可以减少生命周期碳排放，累计能源需求和全球变暖潜力分别减少约30%[55]。更换窗户可以节省10-20克二氧化碳/千瓦时的能源[98]。当生物基结构绝缘材料与化石燃料供暖系统同时使用时，可以显著减少排放。这种综合方法是全面建筑改造的特别有效解决方案[99]。技术创新是建筑脱碳的基本决定因素，具体建筑特性显著影响适当的干预路径。对于新建建筑，创新举措集中在通过智能管理系统和高效率设备优化能源系统[51,100]；对于历史建筑和老旧建筑，重点在于先进的外部绝缘系统和高性能窗户组件[101]。地区气候差异显著影响可再生能源的利用潜力。因此，创新策略必须根据当地条件进行调整，以优化适合当地气候的技术，包括太阳能、风能和地热系统[102]。在技术基础设施有限的地区，技术创新的传播和实施面临重大障碍。发展中国家和经济落后地区在先进窗户系统和光伏技术等关键领域经常表现出能力限制[103]。建筑废物回收的效果也受到当地固体废物管理基础设施成熟度的限制[104]。因此，需要强大的监管框架和创新解决方案来促进废物回收，并在不同社会经济背景下提高技术适应性[105,106]。

这四种驱动力虽然单独呈现，但实际上是一个相互关联的系统。政策和监管框架通常是应对日益加剧的气候变化压力的结果，它们设定了减排目标，进而塑造市场条件，并使利益相关者的利益与脱碳目标保持一致。技术创新既受到这些政策干预的推动，也由这些干预加速。相反，利益相关者对节能建筑的需求可以刺激政策发展，并创造技术创新的市场需求。这种动态互动表明，有效的脱碳策略不仅需要单独考虑每个驱动因素，还需要考虑它们之间的协同作用。在市场条件、建筑特性和地区因素的影响下，这些驱动因素也引发了当前研究尚未解决的持续科学挑战。虽然这些驱动因素推动了行动，但同时也暴露了知识、技术和实施方面的差距。这些问题是第5节的重点。

5. 关键科学问题
尽管上述驱动因素共同推动了脱碳研究和实践，但它们之间的相互作用以及技术、市场和政策方面的因素导致了一系列未解决的科学问题，这些问题又限制了改造的实际效果。为了解决这些问题，本节将系统地回顾现有研究的局限性，明确区分已经解决的问题和仍需未来有针对性研究的挑战。文献分析显示，在现有建筑脱碳的技术方法、评估方法和政策机制方面取得了显著进展，如表5所示。在技术层面，进展包括建筑能源系统改造路径（可再生能源集成和效率优化）[33,76]、围护结构改造方法[23,44]，以及结合可持续性指标和性能参数的建筑材料框架[45,50]。在评估方法方面，进展包括生命周期评估框架[6]、能源消耗和碳排放的定量建模[21]，以及考虑多种价值维度和长期指标的成本/效益分析[43]。在政策机制方面，进展包括政府政策框架[84]和结合财政工具、监管减免和市场机制的多层次激励结构[86]。

尽管取得了进展，但在现有建筑脱碳方面仍存在许多挑战（表6）。技术集成和优化、如何实现多种脱碳技术的最佳组合[9]，以及新兴技术（如人工智能、物联网）与传统转型技术的深度融合[56]仍然是紧迫的问题。在效益评估方面，目前没有准确评估改造社会效益的方法[68]，评估建筑改造效果的标准也尚未统一[107]。如何在实施机制中建立多利益相关者协同效应[107]，以及如何解决融资转型的挑战[81]也是当前需要关注的研究方向。此外，在系统集成方面，单个建筑和区域能源系统的协同优化[67]，以及建筑改造和城市更新的整合推广[3]仍需进一步探索。

6. 脱碳和改造现有建筑的路径
基于前一节确定的关键科学问题，现在需要一个综合框架。这样的框架不应仅仅列出改造技术，而必须以结构化和可操作的方式明确连接驱动力、影响因素、技术干预和效益结果。因此，本节提出了一种基于清单的技术路径框架，以系统地解决上述挑战并指导未来的脱碳改造实践（图5）。一个关于现有建筑脱碳的综合性概念模型。该框架包含了四个主要的技术领域，这些领域是通过系统整合现有建筑脱碳研究得出的：能源系统改造（可再生能源整合和效率优化）、建筑围护结构改进（提高热阻、减少空气渗透和太阳得热管理）、材料性能提升（如基于生物的复合材料和碳捕获混凝土等低碳替代品）以及计算模拟方法（用于可视化的BIM和用于影响量化的LCA）。这些领域的有效性取决于三个相互关联的影响因素组，即技术能力因素、市场相关因素和建筑特征因素，如表7所示。为了应用该框架，从业者需要遵循四步流程。首先，评估当地驱动因素，包括气候压力、政策环境、利益相关者的期望和可用技术；其次，根据建筑特性和区域经济参数从四个领域中选择适当的技术干预措施；第三，使用BIM、LCA和基于AI的算法等计算模拟工具进行迭代和优化，以平衡各种目标之间的权衡；最后，量化预期的环境效益（例如减少30-50%的碳排放）、经济效益（例如通过围护结构改造节省35-45%的成本）和社会效益（例如提高舒适度和数据驱动的决策制定）。这种逐步的方法有助于基于证据的决策制定，实现环境、经济和社会目标的平衡。最终，该框架明确了驱动因素、影响因素、关键科学问题、技术实践和多维效益之间的相互关系。在第5节中确定的关键科学问题，在实际限制和技术实施之间起到了关键的桥梁作用，既是未来创新的核心瓶颈，也是优先事项。通过实施这一分析性框架，研究人员和从业者可以系统地识别并解决建筑改造过程中的关键挑战，从而推进现有建筑群的可持续改造实践。

7. 结论

通过对244篇文章的标题/摘要进行系统筛选，并对符合PICOS标准纳入标准的77项研究进行深入综合，本综述总结了过去五十年中现有建筑脱碳技术的演变和应用情况，确定了四个相互关联的驱动因素（气候压力、政策和法规、利益相关者的利益以及技术创新），并提出了一种整合这些主题的技术路径框架。此外，本研究还指出了文献中的研究空白，并提出了未来研究的可行方向。本综述对现有建筑脱碳技术的研究与发展具有重要意义。首先，它表明脱碳技术的发展取决于驱动条件的作用。从分散的节能措施到全生命周期碳管理的进步，是由政策标准、经济压力和技术能力共同塑造的。仅技术准备度的提高并不能触发阶段转变；当缺乏驱动条件时，即使技术上可行的解决方案也无法得到大规模应用。其次，这些驱动因素之间存在相互作用。气候压力、政策限制、市场需求和技术突破形成了一个耦合系统。这四个驱动因素共同构成了一个耦合系统：政策通常会对气候压力作出反应，进而刺激创新并协调利益相关者的激励措施。单一驱动因素（无论是技术推动还是监管控制）的效果远不如多个驱动因素同时作用时的效果显著；任何一个驱动因素的缺失都可能导致系统失败。最后，本综述提出的技术路径框架填补了一个具体的结构空白。现有的框架仅列出了技术选项，但没有明确指出何时应用、为何应用或为谁应用这些技术。所提出的框架通过明确连接驱动因素、影响因素、技术干预措施和效益结果，并将未解决的科学问题直接映射到框架的节点上来，解决了这一问题。此外，本综述还为利益相关者提供了实用指导。政策制定者应设计综合性的政策包，结合监管要求、经济激励和信息工具。建筑业主和设施管理者可以利用本综述中提供的选择标准，来确定适合其建筑类型和预算的改造方案。研究人员应优先考虑将人工智能与物联网相结合，以及建筑和区域能源系统的协同优化，因为这将确保建筑行业的可持续发展。