一、前言

2020年9月22日，中國在第七十五屆聯(lián)合國大會上正式提出力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和目標。從此，“雙碳”目標成為我國的國策，對于我國促進綠色低碳發(fā)展具有重要意義。

根據(jù)國際能源署2023年發(fā)布的關(guān)于2022年全球建筑業(yè)用能和碳排放核算結(jié)果，建筑運行和建造相關(guān)的用能占全球能耗34%，其中有30%是由建筑運行導致的；建筑運行和建造相關(guān)的碳排放占全球碳排放的37%，其中27%是由建筑運行導致的[1]。2024年版的《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告》給出的中國的建筑碳排放也占了全社會碳排放的32% [2]。而這些建筑業(yè)碳排放主要是由建筑運行與建造過程中的能源消耗導致的。中國的全年建筑能耗從2010年的6.25億噸標準煤發(fā)展到2022年的11.2億噸標煤，而美國每年的建筑能耗則在這期間從14.38億噸標煤降低到11.7億噸標煤，因此美國的人均建筑能耗從約為中國的8倍降低到約5倍，單位建筑面積能耗從約為中國的4倍降低到約2.4倍。其他西方國家盡管無論是人均建筑能耗還是單位建筑面積能耗仍然數(shù)倍于中國，但與中國的差距在這10年間也在縮小。這是由于西方國家已經(jīng)越過了碳達峰的頂點，而中國卻要在2030年才迎來碳達峰。此外，中國從碳達峰到碳中和的時間窗口遠比發(fā)達國家要短，因此如何在未來數(shù)年間避免中國建筑能耗與碳排放大幅度增長趕上西方國家，導致難以實現(xiàn)2060年碳中和目標是一個重大的挑戰(zhàn)。由于建筑碳排放在全社會碳排放中占比接近1/3，建筑行業(yè)有義務(wù)為國家實現(xiàn)碳中和的目標發(fā)揮重要的作用，這也是我國綠色建筑領(lǐng)域發(fā)展新動向。

降低建筑的碳排放的前提是不能降低室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。由于我國還是一個發(fā)展中國家，各地的經(jīng)濟發(fā)展水平不平衡，很多發(fā)展相對落后地區(qū)的建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量還遠達不到舒適要求。因此，在未來數(shù)十年間，我們還應(yīng)該不斷全面地提高我國的室內(nèi)環(huán)境舒適與健康水平。另外，我國目前快速增長的芯片、鋰電池、光伏、液晶、制藥等先進制造業(yè)需要在保障高精度的生產(chǎn)環(huán)境（超凈、恒溫恒濕、低濕）的同時，還要降低碳排放。以鋰電池生產(chǎn)過程為例，全年用于控制室內(nèi)環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)與冷水機組的耗電量超過廠房總電耗的60%，成為節(jié)能降碳的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，建筑領(lǐng)域的碳中和任務(wù)面臨著“既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”的巨大挑戰(zhàn)。

建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的途徑主要有兩條，一是建筑供能側(cè)的改革，二是建筑用能側(cè)的改革。這兩方面的改革都會導致暖通空調(diào)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)革新，帶來新的發(fā)展機遇。

二、建筑供能側(cè)的節(jié)能降碳途徑

實現(xiàn)建筑領(lǐng)域碳中和目標的大背景是國家電網(wǎng)實現(xiàn)電力零碳化，即發(fā)展以風電和光電為主、水電與核電為輔、調(diào)峰火電為補充的電力供應(yīng)。在這種大前提下，建筑供能實現(xiàn)全電氣化與零碳能源化。建筑園區(qū)要發(fā)展充分利用屋頂?shù)墓夥l(fā)電等分布式可再生能源，挖掘建筑區(qū)域的廣義儲能資源，建立直流微網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)友好的柔性用能的“光儲直柔”建筑能源系統(tǒng)，以支撐新型的零碳電力系統(tǒng)。

建筑供能實現(xiàn)全面電氣化意味著建筑的供暖、供冷、生活熱水、炊事等全部不再使用化石能源，如燃煤、燃氣的直接燃燒獲得。除了炊事將由電炊具全部替代燃氣直接燃燒以外，供暖、供冷與生活熱水將首選利用各種低品位零碳能源來供給。在無法獲得低品位零碳能源的條件下，通過電力驅(qū)動的熱泵來獲得供暖、供冷與生活熱水所需要的冷熱量。

建筑供冷供暖所需要的冷熱源溫度與環(huán)境溫度相差在30℃以內(nèi)，生活熱水需要的溫度也不會超過60℃，因此所需要的都是低品位能源，可以利用較低溫度的工業(yè)與生活的余熱廢熱、太陽能、地熱能來獲得，甚至可以直接利用較低的室外空氣濕球溫度、有效天空溫度、地下水、深層湖水或海水等自然冷源來獲得。

（一）建筑供暖的減碳途徑

目前我國建筑能耗中占比最大部分的是供暖能耗，其中僅北方城市集中供暖的能耗就占了約1/4，此外公共建筑、農(nóng)村住宅以及非集中供暖地區(qū)居住建筑的供暖能耗也有很大的比例。這部分能耗盡管占比很大，但其所需要的低品位熱源則是在地球上取之不盡用之不竭的，即前文所提到過的太陽能、地熱能以及余熱廢熱，其利用的最大障礙是如何能夠有效獲得與輸送。

地球內(nèi)部是一個大熱源，地熱水的利用已經(jīng)有很久的歷史。但地熱水的獲得存在較多制約條件，因此其利用受到限制。近年來，一種新興的地熱能源——干熱巖——得到了重視與開發(fā)。干熱巖是指地層深處數(shù)千米普遍存在的沒有水或蒸汽的、致密不滲透的熱巖體，主要由火成巖和變質(zhì)巖組成。其溫度可達180～400℃，其熱量被取出后可用于發(fā)電和供暖。如果利用干熱巖熱量來進行供暖，則不需要那么高的水溫。如果獲得的熱水溫度能夠達到50～70℃就可以直接用于集中供暖系統(tǒng)。如果取出的熱水溫度達不到直接供暖的要求，則可以通過熱泵將取出的熱量品位進行一定程度的提升即可使用。因此，干熱巖供熱系統(tǒng)的取熱方式與用于發(fā)電的取熱方式有很大的不同，在換熱孔中埋入套管來使循環(huán)水與巖石進行換熱即可。

目前，干熱巖供暖系統(tǒng)在我國的陜西省、甘肅省、山西省、北京市等地已經(jīng)有實際工程應(yīng)用，供暖面積已達3000萬平方米，未來有望有更大的發(fā)展。

對于利用熱電聯(lián)產(chǎn)的余熱進行集中供熱的系統(tǒng)，利用吸收式換熱器替代傳統(tǒng)的一次網(wǎng)和二次網(wǎng)之間的水-水換熱器，可以顯著降低一次網(wǎng)的回水溫度，增加一次網(wǎng)的供回水溫差，這樣就能夠使電廠余熱的有效利用量擴大70%以上，從而可以取消城市熱網(wǎng)中部分用于補熱的燃煤或燃氣鍋爐，有效降低碳排放。

電力驅(qū)動的熱泵是一種高效的熱源，其一次能源效率要高于燃煤和燃氣鍋爐，更是遠高于直接電加熱采暖。常規(guī)的家用空調(diào)系統(tǒng)本質(zhì)上也是熱泵系統(tǒng)，只是冬夏兩季把供暖的冷凝器與供冷的蒸發(fā)器調(diào)轉(zhuǎn)過來而已。空氣源熱泵不僅可以在冬季供暖，而且還可以提供生活熱水。通過近年來的研發(fā)，熱泵熱水器已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，可以替代傳統(tǒng)的燃氣熱水器。傳統(tǒng)的空氣源熱泵已經(jīng)在我國夏熱冬冷氣候區(qū)廣泛用于冬季采暖。目前，低溫空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展使我國北方的寒冷氣候區(qū)也能夠利用空氣源熱泵來供暖。2017年以來，華北地區(qū)農(nóng)村的“煤改電”取得成功的案例均采用了低溫空氣源熱泵。隨著該項技術(shù)的不斷發(fā)展，未來還有望在嚴寒氣候區(qū)推廣使用。

（二）建筑供冷的減碳途徑

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國建筑供冷需求的能源不斷增長，而這部分的需求往往難以像供暖那樣容易獲得大量的低品位能源，因此往往需要利用電制冷或者燃氣制冷獲得。通過被動式建筑設(shè)計手段降低建筑熱負荷的方法往往成效顯著，包括增強建筑保溫、加強門窗的氣密性、充分利用太陽能等，可以把建筑熱負荷降到10W/m2以下。但是，降低建筑冷負荷的被動式設(shè)計方法包括遮陽、隔熱、夜間自然通風等，最多只能將室內(nèi)的溫度控制在接近室外空氣溫度全天最低值的水平，無法使其降得更低。因此，單純利用被動式建筑設(shè)計并不能在炎熱的夏季保證室內(nèi)人員的熱舒適需求。而采用新的天然冷源的利用方式有可能獲得更優(yōu)的室內(nèi)熱環(huán)境。

在供冷季利用天然冷源，有可能把室內(nèi)溫度降低到低于室外空氣溫度全天最低值的水平。天然冷源包括較低的室外空氣濕球溫度、有效天空溫度、地下水、深層湖水或海水等自然界的低溫冷源，其特征是其溫度均低于室內(nèi)要求的空氣溫度。

例如，北京夏季室外干球溫度經(jīng)常超過33℃，但濕球溫度卻常在27℃以下。通過冷卻塔充分冷卻的水或者地表水的溫度往往接近濕球溫度的水平。北京市地下水的溫度全年恒定在15℃左右，通過地埋管換熱獲得的水溫可以在20℃以下。在傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中，這些溫度水平的水往往不會被用于供冷，但如果在建筑的外墻內(nèi)埋管通入冷卻塔的冷卻水、地表水、地埋管循環(huán)水，將有效阻隔夏季室外通過圍護結(jié)構(gòu)向室內(nèi)的傳熱，降低建筑的冷負荷，甚至可以將室內(nèi)溫度維持在舒適水平而不需要空調(diào)供冷。

學者楊榮貴團隊提出的輻射降溫膜（radiative cooling film）是一種充分利用有效天空溫度給建筑進行供冷的方式[3]。這種材料對太陽輻射的反射率為0.96，對天空的長波發(fā)射率達到0.93。因此，即便是在夏季晴朗的白天，這種材料的表面對天空以長波輻射發(fā)射的熱量甚至會高于所吸收的太陽輻射的熱量，夜間更是只有對天空發(fā)射的熱量，所以全天都處于一種為建筑供冷的狀態(tài)。這種材料已經(jīng)成功地應(yīng)用于糧庫、航站樓登機廊橋等建筑的外表面，極大地改善了內(nèi)部的熱環(huán)境，有效降低了空調(diào)電耗。這種材料可以應(yīng)用于以供冷需求為主的建筑，以及有大面積屋面的建筑，如我國夏熱冬暖氣候區(qū)的建筑、南海島礁的建筑、冰雪場館、冷庫等。

三、建筑用能側(cè)的節(jié)能降碳途徑

為了實現(xiàn)碳中和目標，降低建筑用能需求是首位的，只有盡可能地降低建筑用能需求，才有可能利用有限的可再生能源來覆蓋這部分用能需求。被動式節(jié)能建筑設(shè)計方法仍然是必須堅持的方法，高水平的被動式低碳建筑設(shè)計需要建筑師與暖通空調(diào)工程師的密切配合。除此以外，新型的暖通空調(diào)系統(tǒng)將成為新的發(fā)展方向。

1902年，美國工程師威利斯·開利發(fā)明的世界上第一臺空調(diào)系統(tǒng)是為了解決紐約布魯克林的一家印刷廠的濕度控制問題而研發(fā)的，這是典型的工藝性空調(diào)原型：全空間全時間恒溫恒濕。而在此之后，空調(diào)技術(shù)進入到舒適性應(yīng)用領(lǐng)域，為人類創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境。在120多年的發(fā)展過程中，人們一直探討什么樣的室內(nèi)環(huán)境是舒適的。1970年丹麥技術(shù)大學的方格（P. O. Fanger）教授提出的熱舒適指標評價PMV（Predicted Mean Vote）迄今為止依然為ISO國際標準以及世界各國的室內(nèi)環(huán)境設(shè)計標準所采納。PMV是一個以溫度、濕度、輻射、流速、代謝率、服裝熱阻作為自變量的函數(shù)，是在人工氣候室內(nèi)營造的穩(wěn)態(tài)均勻熱環(huán)境中通過大量的受試者實驗得出的統(tǒng)計平均值，可以反映穩(wěn)態(tài)均勻熱環(huán)境中的群體熱感覺。但在實際的非均勻、非穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境中應(yīng)用會出現(xiàn)較大偏差，在判斷特定個人熱需求時也存在較大偏差。在實際生活中，往往在同一個環(huán)境中同時存在有人嫌冷、有人嫌熱的情況，這種現(xiàn)象是由于人體的個體化差異造成的，是無法消除的自然現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)計中往往追求全空間的熱環(huán)境均勻穩(wěn)定，盡可能地接近PMV=0。盡管越穩(wěn)定的熱環(huán)境消耗的能源越多，但卻無法提高滿意率，其原因就在于人體與生俱來的個體化差異。針對這種現(xiàn)象，近年來出現(xiàn)了以下兩種新興的研究熱點與技術(shù)發(fā)展趨勢。

（一）個性化熱舒適系統(tǒng)PCS（Personal Comfort System）

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)提供的冷量或者熱量，絕大部分都消耗在空氣或室內(nèi)表面這些中間傳熱媒介上，而真正作用于人體的能量占比很小，從滿足人員舒適性需求這一視角來看，是能源消耗較大的方式。而PCS旨在為人員提供個體尺度的“精準熱服務(wù)”，將冷量或熱量直接提供給人體，從而可以放寬對背景環(huán)境的要求。當同一空間內(nèi)有多人存在、空調(diào)設(shè)備無法滿足需求差異的時候，可以由空調(diào)設(shè)備營造一個較為寬松的背景熱環(huán)境，各人通過PCS營造自己需要的熱環(huán)境。目前，PCS已被認為是降低空調(diào)能耗并同時提高人員舒適度的有效手段。

實際上PCS自古以來即有之，例如，我國南方廣泛使用的電熱毯和曾經(jīng)廣泛使用的“火桶”、日本的暖桌（Kotatsu）等都是個體化采暖設(shè)備。目前國際學術(shù)界已經(jīng)有一批實驗室原型的PCS，包括個體送風設(shè)備、加熱/降溫座椅、加熱/降溫服、暖腳/暖腿器等。清華大學團隊研發(fā)的接觸式降溫座椅在環(huán)境空氣溫度為30℃時，椅背和坐墊表面溫度維持在26℃就可以使受試者感到全身熱中性（即不冷不熱）[4]；采用相變溫度為27℃的相變材料制作的馬甲在環(huán)境空氣溫度為30℃時可以維持受試者的熱中性[5]。這些與人體直接接觸型PCS的特點是可以利用26～27℃的高溫冷源。同樣，利用石墨烯電加熱小腿的暖腿器，就可以使人在15℃左右的室內(nèi)熱環(huán)境下感到全身熱中性。

現(xiàn)場調(diào)研獲得的能耗數(shù)據(jù)表明，北京辦公建筑一個夏季的空調(diào)電耗約為 40 kWh/m2。如果使用接觸式冷卻座椅，每個冷卻座椅的功率為3W，空調(diào)背景溫度設(shè)定值為30℃，由于減少了空調(diào)開啟小時數(shù)和冷負荷，整個夏季耗冷量下降77%，則夏季供冷總電耗可降到 9.7 kWh/m2。

以一個北京市20 平方米個人辦公室為實際案例，冬季日間晴好天氣時室溫可達到15℃，采用暖腿器，一冬天如果在室內(nèi)800小時，總電耗為3.7 kWh/m2，而且頭涼腳暖的熱感覺能獲得更高的熱舒適感。如果采用平均能效比COP=4的熱泵為該辦公室的全空間供暖，溫度達到20℃，則耗電量至少要達到12.5 kWh/m2。

既然PCS具有如此明顯的優(yōu)勢，那有什么因素妨礙其研究和應(yīng)用進度呢？其實這種微型化的熱環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展面臨比傳統(tǒng)的全空間空調(diào)技術(shù)更難逾越的困難，其中最大的障礙是缺乏成熟的微環(huán)境調(diào)節(jié)技術(shù)。

盡管安全的局部電加熱技術(shù)已經(jīng)很成熟了，但在哪個部位加熱？溫度控制在多少？應(yīng)該連續(xù)加熱還是間歇加熱？應(yīng)該恒溫加熱還是變溫加熱？如何實現(xiàn)可穿戴加熱PCS的耗電量最低、電池續(xù)航時間最長？這些都是值得研究的問題，但主要是針對需求側(cè)的。

實現(xiàn)局部“微致冷”技術(shù)則是更大的困難。需要發(fā)展出一種新型的制冷設(shè)備，熱流量只需要70W/m2以下，冷表面溫度維持在26～27℃，從而把人體的產(chǎn)熱傳遞到30℃的環(huán)境空氣中。如果能夠研制出這種小溫差、小熱流的“微致冷”設(shè)備，從理論上來說，其能效比應(yīng)該遠高于現(xiàn)在常用的大溫差、大熱流的空調(diào)制冷設(shè)備。目前有可能實現(xiàn)這個目標的“微致冷”技術(shù)均與新材料的研發(fā)有關(guān)，但還存在能效太低、表面溫度太低，或者仍未能商用的問題，需要投入很大的努力來開展研究。另外，還必須研究人體局部降溫的安全健康溫度下限，這一點與加熱的PCS有很大的區(qū)別。

因此，要解決PCS設(shè)備的問題，還需要與生理學、心理學、新材料、新能源等領(lǐng)域進行跨學科合作才能達到目標。

（二）基于人工智能的室內(nèi)環(huán)境控制

未來的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該為室內(nèi)人員提供“精準熱服務(wù)”，部分個性化熱環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)施還會貼近人體提供冷熱量以滿足熱舒適要求。絕大多數(shù)使用者并非熱環(huán)境專家，盡管人們能說出自己感到冷還是熱，卻并不能精準知道自己真正需要的是什么樣的熱濕環(huán)境，也不知道應(yīng)該怎么去調(diào)節(jié)。在這種情況下，如何正確識別個體需求是非常重要的。目前這個方面的研究正處于起步階段。現(xiàn)在市場上有很多智能家居的產(chǎn)品，雖然看上去似乎功能很完備，但實際上很多功能不切實際，并不符合居住者的真實需求。而且由于傳感器布置的局限性，并不能反映各人員活動區(qū)的真實狀況。此外，因為缺乏人體熱舒適理論的支持，以追求恒溫恒濕為目標，并不能滿足差異化的居住者個性需求。

基于人工智能的室內(nèi)環(huán)境控制，首先，應(yīng)該能夠識別人員的活動區(qū)域，從而為該活動區(qū)域提供適宜的熱濕環(huán)境、空氣質(zhì)量、光環(huán)境和聲環(huán)境。其次，應(yīng)該能夠根據(jù)該區(qū)域特定使用者的習慣，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的識別模型以及自學習方法，了解特定使用者的行為特征以及實時需求，從而為其營造適宜的室內(nèi)環(huán)境。

對于室內(nèi)人員行為特征的識別內(nèi)容包括：移動空間還是逗留空間、有/無感知控制力、行為類型（工作、學習、鍛煉、休閑）、需求（舒適、工效、健康、睡眠質(zhì)量）、人群生理特點（性別、兒童、老人、體質(zhì)）等。識別對象包括生理參數(shù)、表情、姿態(tài)、語言、著裝等。例如，通過數(shù)字視覺技術(shù)識別皮溫來了解室內(nèi)人員的熱感覺，被認為是一種較為可靠的判斷指標，從而可以驅(qū)動空調(diào)設(shè)備為其進行環(huán)境調(diào)節(jié)。因為同一個人在靜坐工作時與做家務(wù)勞動時的活動強度不同，所需要的熱環(huán)境也不同，所以通過姿態(tài)來識別使用者的熱需求也是一種可行的方法。人在睡眠時，在不同的睡眠分期中體溫和其他生理狀態(tài)都有不同的變化，對保障睡眠質(zhì)量的熱環(huán)境也有特定的需求，但人在睡眠時是無法自己調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備的。兒童、老人、青年人對熱環(huán)境的需求也有很大的不同，所以一家人中每一個人都會有自己特定的熱需求。因此，個體需求識別是實現(xiàn)AI驅(qū)動個性化室內(nèi)環(huán)境控制的關(guān)鍵性基礎(chǔ)研究內(nèi)容，需要投入很大的精力開展研究。

四、結(jié)語

我國“雙碳”目標的設(shè)立為建筑環(huán)境控制領(lǐng)域帶來了巨大新挑戰(zhàn)，但也帶來了新的發(fā)展機遇。很多低碳低能耗且又能夠提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的新技術(shù)發(fā)展需要相關(guān)的科研人員、工程技術(shù)人員以及產(chǎn)業(yè)界能夠面向一些科學基礎(chǔ)問題和應(yīng)用技術(shù)進行聯(lián)合科技攻關(guān)，其中的難點往往需要跨學科的合作，集成信息技術(shù)、材料科學、人工智能、生命科學、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的新成果，才能保障建筑領(lǐng)域的碳中和目標的實現(xiàn)，同時有效推進該領(lǐng)域的科技進步與產(chǎn)業(yè)的升級，以創(chuàng)新求得更大的發(fā)展。

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編輯|王秋蓉 qiurong.wang@wtoguide.net