文｜朱颖心 清华大学建筑学院教授

前言

2020年9月22日，中国在第七十五届联合国大会上正式提出力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。从此，“双碳”目标成为我国的国策，对于我国促进绿色低碳发展具有重要意义。

根据国际能源署2023年发布的关于2022年全球建筑业用能和碳排放核算结果，建筑运行和建造相关的用能占全球能耗34%，其中有30%是由建筑运行导致的；建筑运行和建造相关的碳排放占全球碳排放的37%，其中27%是由建筑运行导致的[1]。2024年版的《中国建筑节能年度发展研究报告》给出的中国的建筑碳排放也占了全社会碳排放的32%[2]。而这些建筑业碳排放主要是由建筑运行与建造过程中的能源消耗导致的。

中国的全年建筑能耗从2010年的6.25亿吨标准煤发展到2022年的11.2亿吨标煤，而美国每年的建筑能耗则在这期间从14.38亿吨标煤降低到11.7亿吨标煤，因此美国的人均建筑能耗从约为中国的8倍降低到约5倍，单位建筑面积能耗从约为中国的4倍降低到约2.4倍。其他西方国家尽管无论是人均建筑能耗还是单位建筑面积能耗仍然数倍于中国，但与中国的差距在这10年间也在缩小。这是由于西方国家已经越过了碳达峰的顶点，而中国却要在2030年才迎来碳达峰。

此外，中国从碳达峰到碳中和的时间窗口远比发达国家要短，因此如何在未来数年间避免中国建筑能耗与碳排放大幅度增长赶上西方国家，导致难以实现2060年碳中和目标是一个重大的挑战。由于建筑碳排放在全社会碳排放中占比接近1/3，建筑行业有义务为国家实现碳中和的目标发挥重要的作用，这也是我国绿色建筑领域发展新动向。

降低建筑的碳排放的前提是不能降低室内环境质量。由于我国还是一个发展中国家，各地的经济发展水平不平衡，很多发展相对落后地区的建筑室内环境质量还远达不到舒适要求。因此，在未来数十年间，我们还应该不断全面地提高我国的室内环境舒适与健康水平。

另外，我国目前快速增长的芯片、锂电池、光伏、液晶、制药等先进制造业需要在保障高精度的生产环境（超净、恒温恒湿、低湿）的同时，还要降低碳排放。以锂电池生产过程为例，全年用于控制室内环境的空调系统与冷水机组的耗电量超过厂房总电耗的60%，成为节能降碳的关键环节。因此，建筑领域的碳中和任务面临着“既要马儿跑得快，又要马儿不吃草”的巨大挑战。

建筑领域实现碳中和的途径主要有两条，一是建筑供能侧的改革，二是建筑用能侧的改革。这两方面的改革都会导致暖通空调领域的产业革新，带来新的发展机遇。

建筑供能侧的节能降碳途径

实现建筑领域碳中和目标的大背景是国家电网实现电力零碳化，即发展以风电和光电为主、水电与核电为辅、调峰火电为补充的电力供应。在这种大前提下，建筑供能实现全电气化与零碳能源化。建筑园区要发展充分利用屋顶的光伏发电等分布式可再生能源，挖掘建筑区域的广义储能资源，建立直流微网系统，实现电网友好的柔性用能的“光储直柔”建筑能源系统，以支撑新型的零碳电力系统。

建筑供能实现全面电气化意味着建筑的供暖、供冷、生活热水、炊事等全部不再使用化石能源，如燃煤、燃气的直接燃烧获得。除了炊事将由电炊具全部替代燃气直接燃烧以外，供暖、供冷与生活热水将首选利用各种低品位零碳能源来供给。在无法获得低品位零碳能源的条件下，通过电力驱动的热泵来获得供暖、供冷与生活热水所需要的冷热量。

建筑供冷供暖所需要的冷热源温度与环境温度相差在30℃以内，生活热水需要的温度也不会超过60℃，因此所需要的都是低品位能源，可以利用较低温度的工业与生活的余热废热、太阳能、地热能来获得，甚至可以直接利用较低的室外空气湿球温度、有效天空温度、地下水、深层湖水或海水等自然冷源来获得。

1 建筑供暖的减碳途径

目前我国建筑能耗中占比最大部分的是供暖能耗，其中仅北方城市集中供暖的能耗就占了约1/4，此外公共建筑、农村住宅以及非集中供暖地区居住建筑的供暖能耗也有很大的比例。这部分能耗尽管占比很大，但其所需要的低品位热源则是在地球上取之不尽用之不竭的，即前文所提到过的太阳能、地热能以及余热废热，其利用的最大障碍是如何能够有效获得与输送。

地球内部是一个大热源，地热水的利用已经有很久的历史。但地热水的获得存在较多制约条件，因此其利用受到限制。近年来，一种新兴的地热能源——干热岩——得到了重视与开发。干热岩是指地层深处数千米普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要由火成岩和变质岩组成。其温度可达180~400℃，其热量被取出后可用于发电和供暖。

如果利用干热岩热量来进行供暖，则不需要那么高的水温。如果获得的热水温度能够达到50~70℃就可以直接用于集中供暖系统。如果取出的热水温度达不到直接供暖的要求，则可以通过热泵将取出的热量品位进行一定程度的提升即可使用。因此，干热岩供热系统的取热方式与用于发电的取热方式有很大的不同，在换热孔中埋入套管来使循环水与岩石进行换热即可。

目前，干热岩供暖系统在我国的陕西省、甘肃省、山西省、北京市等地已经有实际工程应用，供暖面积已达3000万平方米，未来有望有更大的发展。

对于利用热电联产的余热进行集中供热的系统，利用吸收式换热器替代传统的一次网和二次网之间的水-水换热器，可以显著降低一次网的回水温度，增加一次网的供回水温差，这样就能够使电厂余热的有效利用量扩大70%以上，从而可以取消城市热网中部分用于补热的燃煤或燃气锅炉，有效降低碳排放。

电力驱动的热泵是一种高效的热源，其一次能源效率要高于燃煤和燃气锅炉，更是远高于直接电加热采暖。常规的家用空调系统本质上也是热泵系统，只是冬夏两季把供暖的冷凝器与供冷的蒸发器调转过来而已。空气源热泵不仅可以在冬季供暖，而且还可以提供生活热水。通过近年来的研发，热泵热水器已经逐渐发展成熟，可以替代传统的燃气热水器。

传统的空气源热泵已经在我国夏热冬冷气候区广泛用于冬季采暖。目前，低温空气源热泵技术的发展使我国北方的寒冷气候区也能够利用空气源热泵来供暖。2017年以来，华北地区农村的“煤改电”取得成功的案例均采用了低温空气源热泵。随着该项技术的不断发展，未来还有望在严寒气候区推广使用。

2 建筑供冷的减碳途径

随着经济的发展，我国建筑供冷需求的能源不断增长，而这部分的需求往往难以像供暖那样容易获得大量的低品位能源，因此往往需要利用电制冷或者燃气制冷获得。通过被动式建筑设计手段降低建筑热负荷的方法往往成效显著，包括增强建筑保温、加强门窗的气密性、充分利用太阳能等，可以把建筑热负荷降到10W/m²以下。

但是，降低建筑冷负荷的被动式设计方法包括遮阳、隔热、夜间自然通风等，最多只能将室内的温度控制在接近室外空气温度全天最低值的水平，无法使其降得更低。因此，单纯利用被动式建筑设计并不能在炎热的夏季保证室内人员的热舒适需求。而采用新的天然冷源的利用方式有可能获得更优的室内热环境。

在供冷季利用天然冷源，有可能把室内温度降低到低于室外空气温度全天最低值的水平。天然冷源包括较低的室外空气湿球温度、有效天空温度、地下水、深层湖水或海水等自然界的低温冷源，其特征是其温度均低于室内要求的空气温度。

例如，北京夏季室外干球温度经常超过33℃，但湿球温度却常在27℃以下。通过冷却塔充分冷却的水或者地表水的温度往往接近湿球温度的水平。北京市地下水的温度全年恒定在15℃左右，通过地埋管换热获得的水温可以在20℃以下。在传统空调系统中，这些温度水平的水往往不会被用于供冷，但如果在建筑的外墙内埋管通入冷却塔的冷却水、地表水、地埋管循环水，将有效阻隔夏季室外通过围护结构向室内的传热，降低建筑的冷负荷，甚至可以将室内温度维持在舒适水平而不需要空调供冷。

学者杨荣贵团队提出的辐射降温膜（radiative cooling film）是一种充分利用有效天空温度给建筑进行供冷的方式[3]。这种材料对太阳辐射的反射率为0.96，对天空的长波发射率达到0.93。因此，即便是在夏季晴朗的白天，这种材料的表面对天空以长波辐射发射的热量甚至会高于所吸收的太阳辐射的热量，夜间更是只有对天空发射的热量，所以全天都处于一种为建筑供冷的状态。

这种材料已经成功地应用于粮库、航站楼登机廊桥等建筑的外表面，极大地改善了内部的热环境，有效降低了空调电耗。这种材料可以应用于以供冷需求为主的建筑，以及有大面积屋面的建筑，如我国夏热冬暖气候区的建筑、南海岛礁的建筑、冰雪场馆、冷库等。

建筑用能侧的节能降碳途径

为了实现碳中和目标，降低建筑用能需求是首位的，只有尽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来覆盖这部分用能需求。被动式节能建筑设计方法仍然是必须坚持的方法，高水平的被动式低碳建筑设计需要建筑师与暖通空调工程师的密切配合。除此以外，新型的暖通空调系统将成为新的发展方向。

1902年，美国工程师威利斯·开利发明的世界上第一台空调系统是为了解决纽约布鲁克林的一家印刷厂的湿度控制问题而研发的，这是典型的工艺性空调原型：全空间全时间恒温恒湿。而在此之后，空调技术进入到舒适性应用领域，为人类创造舒适的室内环境。在120多年的发展过程中，人们一直探讨什么样的室内环境是舒适的。

1970年丹麦技术大学的方格（P. O. Fanger）教授提出的热舒适指标评价PMV（Predicted Mean Vote）迄今为止依然为ISO国际标准以及世界各国的室内环境设计标准所采纳。PMV是一个以温度、湿度、辐射、流速、代谢率、服装热阻作为自变量的函数，是在人工气候室内营造的稳态均匀热环境中通过大量的受试者实验得出的统计平均值，可以反映稳态均匀热环境中的群体热感觉。但在实际的非均匀、非稳态热环境中应用会出现较大偏差，在判断特定个人热需求时也存在较大偏差。

在实际生活中，往往在同一个环境中同时存在有人嫌冷、有人嫌热的情况，这种现象是由于人体的个体化差异造成的，是无法消除的自然现象。在传统的空调设计中往往追求全空间的热环境均匀稳定，尽可能地接近PMV=0。尽管越稳定的热环境消耗的能源越多，但却无法提高满意率，其原因就在于人体与生俱来的个体化差异。针对这种现象，近年来出现了以下两种新兴的研究热点与技术发展趋势。

1 个性化热舒适系统PCS（Personal Comfort System）

传统的空调系统提供的冷量或者热量，绝大部分都消耗在空气或室内表面这些中间传热媒介上，而真正作用于人体的能量占比很小，从满足人员舒适性需求这一视角来看，是能源消耗较大的方式。而PCS旨在为人员提供个体尺度的“精准热服务”，将冷量或热量直接提供给人体，从而可以放宽对背景环境的要求。当同一空间内有多人存在、空调设备无法满足需求差异的时候，可以由空调设备营造一个较为宽松的背景热环境，各人通过PCS营造自己需要的热环境。目前，PCS已被认为是降低空调能耗并同时提高人员舒适度的有效手段。

个性化热舒适系统PCS

实际上PCS自古以来即有之，例如，我国南方广泛使用的电热毯和曾经广泛使用的“火桶”、日本的暖桌（Kotatsu）等都是个体化采暖设备。目前国际学术界已经有一批实验室原型的PCS，包括个体送风设备、加热/降温座椅、加热/降温服、暖脚/暖腿器等。

清华大学团队研发的接触式降温座椅在环境空气温度为30℃时，椅背和坐垫表面温度维持在26℃就可以使受试者感到全身热中性（即不冷不热）[4]；采用相变温度为27℃的相变材料制作的马甲在环境空气温度为30℃时可以维持受试者的热中性[5]。这些与人体直接接触型PCS的特点是可以利用26～27℃的高温冷源。同样，利用石墨烯电加热小腿的暖腿器，就可以使人在15℃左右的室内热环境下感到全身热中性。

现场调研获得的能耗数据表明，北京办公建筑一个夏季的空调电耗约为 40 kWh/m²。如果使用接触式冷却座椅，每个冷却座椅的功率为3W，空调背景温度设定值为30℃，由于减少了空调开启小时数和冷负荷，整个夏季耗冷量下降77%，则夏季供冷总电耗可降到 9.7 kWh/m²。

以一个北京市20 平方米个人办公室为实际案例，冬季日间晴好天气时室温可达到15℃，采用暖腿器，一冬天如果在室内800小时，总电耗为3.7 kWh/m²，而且头凉脚暖的热感觉能获得更高的热舒适感。如果采用平均能效比COP=4的热泵为该办公室的全空间供暖，温度达到20℃，则耗电量至少要达到12.5 kWh/m²。

既然PCS具有如此明显的优势，那有什么因素妨碍其研究和应用进度呢？其实这种微型化的热环境控制技术的发展面临比传统的全空间空调技术更难逾越的困难，其中最大的障碍是缺乏成熟的微环境调节技术。

尽管安全的局部电加热技术已经很成熟了，但在哪个部位加热？温度控制在多少？应该连续加热还是间歇加热？应该恒温加热还是变温加热？如何实现可穿戴加热PCS的耗电量最低、电池续航时间最长？这些都是值得研究的问题，但主要是针对需求侧的。

实现局部“微致冷”技术则是更大的困难。需要发展出一种新型的制冷设备，热流量只需要70W/m²以下，冷表面温度维持在26～27℃，从而把人体的产热传递到30℃的环境空气中。如果能够研制出这种小温差、小热流的“微致冷”设备，从理论上来说，其能效比应该远高于现在常用的大温差、大热流的空调制冷设备。目前有可能实现这个目标的“微致冷”技术均与新材料的研发有关，但还存在能效太低、表面温度太低，或者仍未能商用的问题，需要投入很大的努力来开展研究。另外，还必须研究人体局部降温的安全健康温度下限，这一点与加热的PCS有很大的区别。

因此，要解决PCS设备的问题，还需要与生理学、心理学、新材料、新能源等领域进行跨学科合作才能达到目标。

2 基于人工智能的室内环境控制

未来的空调系统应该为室内人员提供“精准热服务”，部分个性化热环境调节设施还会贴近人体提供冷热量以满足热舒适要求。绝大多数使用者并非热环境专家，尽管人们能说出自己感到冷还是热，却并不能精准知道自己真正需要的是什么样的热湿环境，也不知道应该怎么去调节。

在这种情况下，如何正确识别个体需求是非常重要的。目前这个方面的研究正处于起步阶段。现在市场上有很多智能家居的产品，虽然看上去似乎功能很完备，但实际上很多功能不切实际，并不符合居住者的真实需求。而且由于传感器布置的局限性，并不能反映各人员活动区的真实状况。此外，因为缺乏人体热舒适理论的支持，以追求恒温恒湿为目标，并不能满足差异化的居住者个性需求。

基于人工智能的室内环境控制，首先，应该能够识别人员的活动区域，从而为该活动区域提供适宜的热湿环境、空气质量、光环境和声环境。其次，应该能够根据该区域特定使用者的习惯，通过数据驱动的识别模型以及自学习方法，了解特定使用者的行为特征以及实时需求，从而为其营造适宜的室内环境。

对于室内人员行为特征的识别内容包括：移动空间还是逗留空间、有/无感知控制力、行为类型（工作、学习、锻炼、休闲）、需求（舒适、工效、健康、睡眠质量）、人群生理特点（性别、儿童、老人、体质）等。识别对象包括生理参数、表情、姿态、语言、着装等。例如，通过数字视觉技术识别皮温来了解室内人员的热感觉，被认为是一种较为可靠的判断指标，从而可以驱动空调设备为其进行环境调节。因为同一个人在静坐工作时与做家务劳动时的活动强度不同，所需要的热环境也不同，所以通过姿态来识别使用者的热需求也是一种可行的方法。

人在睡眠时，在不同的睡眠分期中体温和其他生理状态都有不同的变化，对保障睡眠质量的热环境也有特定的需求，但人在睡眠时是无法自己调节空调设备的。儿童、老人、青年人对热环境的需求也有很大的不同，所以一家人中每一个人都会有自己特定的热需求。因此，个体需求识别是实现AI驱动个性化室内环境控制的关键性基础研究内容，需要投入很大的精力开展研究。

结语

我国“双碳”目标的设立为建筑环境控制领域带来了巨大新挑战，但也带来了新的发展机遇。很多低碳低能耗且又能够提高室内环境质量的新技术发展需要相关的科研人员、工程技术人员以及产业界能够面向一些科学基础问题和应用技术进行联合科技攻关，其中的难点往往需要跨学科的合作，集成信息技术、材料科学、人工智能、生命科学、医疗卫生等领域的新成果，才能保障建筑领域的碳中和目标的实现，同时有效推进该领域的科技进步与产业的升级，以创新求得更大的发展。

参考文献:

1.2023 Global status report for buildings and construction.[EB/OL].2023[2024-07-01].https://www.unep.org/resources/report/global-status-report-buildings-and-construction

2. 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告[R].北京：中国建筑工业出版社，2024.

3. Y Zhai, Y Ma, S N David, D Zhao, R Lou, G Tan, R Yang, X Yin. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling[J], Science, 2017:1062-1066.

4. 杨贺丞. 传导式局部热调节对人体热舒适的影响研究[D].北京：清华大学，2020.

5. 中国建筑学会暖通空调专业委员会，中国制冷学会第五专业委员会. 全国暖通空调制冷2004学术文集[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：323-328.

文丨朱颖心

编辑丨王秋蓉

来源丨《可持续发展经济导刊》2024年7月刊

原文标题丨《“双碳”目标下建筑节能降碳技术与路径》