《BUILDING AND ENVIRONMENT》：A review of hybrid nature-based solutions integrating bio-PCM for thermal comfort and energy efficiency in buildings
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绿色建筑技术整合与性能优化研究。生物相变材料（bio-PCM）与建筑绿化（BIG）协同可显著降低能耗（20-30%）、调节室内温度（4-6℃）及固碳（375gC/m2）。研究揭示湿热交互作用、防水性能及消防合规是整合关键制约因素，热带气候效益尤为突出。
作者：Ankita Yonzan、Zheng Li、Qingwen Zhang、Guoqing Song、Diwas Bajracharya
中国教育部结构动态行为与控制重点实验室，哈尔滨工业大学，哈尔滨 150090，中国
摘要
建筑物消耗了大量能源，并产生了大量的碳排放，其中热舒适性需求在建筑物的运行中起着主导作用，加剧了城市升温现象。将绿色植被集成到建筑物中（Building-Integrated Greenery，简称BIG）作为一种基于自然的解决方案（Nature-based Solution，简称NbS），可以通过遮阳、蒸腾作用、土壤热阻和碳封存等方式减少热量吸收和冷却负荷。此外，生物相变材料（bio-PCMs）可以通过储存和释放热量来进一步稳定室内温度，从而维持热舒适性。尽管这两种技术都能提高能源效率并减少碳排放，但关于它们协同作用的相关研究还缺乏深入探讨。本文综合分析了这两种策略在能源效率和脱碳方面的潜力，以整合它们的各自优势。研究结果表明，应用生物相变材料可以节省20-30%的整栋建筑物的能源消耗；而绿色植被集成技术则可根据气候和配置条件将室内温度调节4-6°C。此外，在许多热带微气候条件下，绿色植被集成技术还能实现相当的冷却节能效果，从而减轻城市热岛效应。绿色墙体每年可减少约17%的二氧化碳排放量，而绿色屋顶在两年内可实现每平方米375克的碳封存量。生物相变材料的性能取决于气候条件、与绿色植被的适宜熔化/固化过程以及它们之间的湿热相互作用。在屋顶应用中，生物相变材料的性能通常优于墙体；而对于高层建筑而言，绿色植被集成技术更具优势，因此需要采用不同的集成方式。生物相变材料与绿色植被集成技术的可行性受到材料耐湿性、生物相变材料的防漏性能、雨水管理以及是否符合建筑规范等因素的影响。虽然生命周期评估显示这两种技术能够共同减少能源消耗和碳排放，但需要进行协调一致的湿热性能研究和防火测试，以确保其在实际应用中的可靠性和安全性。
引言
建筑物中使用的主要材料（如水泥和钢材）分别贡献了全球温室气体（GHG）排放量的约8%和7%，对全球变暖和气候变化产生了重大影响[1,2]。除了建筑运行所需的能源外，这些材料的高能耗生产过程也导致了约18%的全球排放量。总体而言，建筑物占全球温室气体排放总量的37%，而建筑材料本身消耗了全球能源使用量的34%[3,4]。随着城市化进程的加速，人口增长使得能源需求不断上升，预计到2050年能源消耗将增加50%[5]。目前城市地区的能源消耗占比高达60%[6]，其中医院、科技中心和商业建筑耗能最多。建筑物的运行能源主要用于满足热舒适性需求（如暖通空调系统）、日常服务（如热水器、照明）和厨房设备等。碳排放和建筑材料本身所含的碳也加剧了温室气体排放，进一步加速了全球变暖。因此，全球变暖引发的气候变化加剧了人们的热不适感，其中约50%的建筑物能源被用于暖通空调系统[7]。与先进技术相比，基于自然的解决方案（NbS）可以在减少热舒适性能源需求的同时，帮助恢复受气候变化影响的环境。
NbS（基于自然的解决方案）提供了多种途径来减轻城市热岛效应（UHI）、降低气候风险、提升人类福祉和生活质量，通过可持续管理生态系统提供新鲜空气、生物多样性、清洁水源和节能建筑[8,9]。NbS将可持续发展目标（SDGs）视为重要指标，强调人类与自然的和谐共生，是对气候变化的响应。联合国提出的某些SDGs目标（如健康、卫生、可负担的能源、可持续基础设施、气候行动等）有助于为社会经济发展奠定基础，同时保持环境可持续性[10]。随着发达国家寻求减少建筑能源消耗和碳排放，本地资源驱动的NbS技术（如绿色植被集成技术Building-Integrated Greenery/Vegetation，简称BIG/BIV）和环保型生物相变材料（bio-PCM）已成为节能设计的关键技术[11]。绿色植被集成技术还能通过碳封存和减少二氧化碳排放来逆转气候变化的影响。
BIG/BIV作为NbS技术，不仅有助于生态保护和生物多样性，还能实现能源效率和脱碳的双重效益。绿色屋顶和绿色墙体等技术可以减少城市热岛效应，提升热舒适性、改善空气质量、辅助雨水管理并提高室内环境质量（IEQ）[12]。生物相变材料是一种可持续的有机相变材料，由天然、节能的生物原料和可生物降解废弃物制成，能够被动储存热量以减少温室气体排放，从而实现可持续发展目标[13,14]。通过结合生物相变材料和绿色植被集成技术，可以形成高效的脱碳解决方案，使建筑物成为服务和能源消耗方面的积极因素。由于生物相变材料与绿色植被集成技术是一个相对较新的概念，目前相关研究较少，例如将生物相变材料应用于绿色屋顶的研究[15]。因此，有必要开展前瞻性研究，明确这两种技术对建筑环境、能源效率和脱碳的综合影响，并确保其符合生态保护和可持续发展目标及室内环境质量要求。
如果不在整体框架内进行管理，仅关注能源方面的干预措施可能会无意中损害室内环境质量（IEQ）[16]。将NbS技术与建筑性能和决策约束联系起来的证据有助于指导建筑的可建造性、维护和政策措施[17]。关于建筑材料、技术以及它们对当地气候影响的参数信息，可以为设计师提供指导，帮助他们成功实现生物相变材料和绿色植被集成系统的协同应用。然而，现有文献大多分别评估生物相变材料和绿色植被集成技术的效果，在影响评估、实施和长期维护方面存在知识空白[17]。在发展中国家，随着建筑能源需求的增长，相关法规的覆盖范围和执行情况仍不均衡，因此早期阶段的低碳设计选择至关重要，以避免未来出现不良后果[18,19]。
本文旨在综合分析绿色植被集成技术和生物相变材料的相关知识，探讨基于气候条件、热性能、能源消耗和碳排放的兼容性，以实现有效集成。同时，本文还探讨了将生物相变材料集成到绿色植被集成技术中的不同方法，以减少碳排放和能源消耗，并保护当地生态环境。此外，本文还概述了选择适用于不同绿色植被集成系统的生物相变材料的关键参数。本研究重点关注生物相变材料与绿色植被集成技术在影响生态系统和建筑使用者福祉方面的潜在作用，特别是对能源效率和脱碳的影响。本文的创新之处在于将生物相变材料与绿色植被集成技术视为一个统一的NbS解决方案，并整合了跨气候条件的证据，明确了部署中的关键限制因素（如材料耐湿性、防漏性能和建筑规范合规性）。
材料与方法
为了进行这项范围评估，我们遵循了JBI团队提供的指导原则和系统评价与元分析的优先报告项目（PRISMA）的标准[20]。整体框架如图2所示，包括一个系统的范围评估流程，涵盖了所有能够确保评估结果可信性的相关研究。
网络分析
网络分析结果显示，该研究网络结构清晰，包含288个节点，节点密度为0.03，模块化系数Q值为0.56。从网络分析中可以提取出三个主要主题：城市绿色基础设施（UGI）与生物多样性的关联；缓解气候变化效应（如城市热岛效应UHI）；以及通过调整建筑围护结构的热物理性能来实现气候与舒适性的平衡。
局部气候条件的影响
在热带气候条件下，集成生物相变材料的建筑物具有更好的热性能，年能源消耗减少了25%。生物相变材料在夜间温度下降时吸收热量并释放出来，从而更稳定室内温度。这种潜热储存功能在炎热干燥的气候条件下尤为有用，能够提升热舒适性并降低冷却需求。大多数关于生物相变材料的研究集中在热带和地中海地区。
总结与建议
本文综合研究表明，将生物相变材料与绿色植被集成技术相结合可以有效降低冷却和加热负荷，稳定室内温度，并支持建筑和城市的脱碳目标。源自脂肪酸、废油和动物脂肪的生物相变材料能够在舒适温度范围内储存热量；而绿色植被则提供遮阳、蒸腾作用和碳封存功能。在176项相关研究中，生物相变材料和绿色植被集成技术均有助于减少热负荷和碳排放。
作者贡献声明
Ankita Yonzan：撰写初稿、数据可视化、方法论设计、数据分析、概念构建。
Zheng Li：审稿与编辑、项目监督、资金筹措、概念构思。
Qingwen Zhang：项目监督、资金筹措。
Guoqing Song：审稿与编辑、资金筹措。
Diwas Bajracharya：数据可视化、数据分析。
