健康低碳建筑呼喚創(chuàng)新理論和技術(shù)

中國(guó)、印度和其他發(fā)展中國(guó)家的室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重，這些國(guó)家的人口占全球人口的一半以上。Liu等研究發(fā)現(xiàn)，2017年中國(guó)以殘疾調(diào)整生命年（DALYs）表示的前十大室內(nèi)空氣污染物導(dǎo)致的疾病負(fù)擔(dān)為每10萬人3700人。在中國(guó)中國(guó)大陸，室內(nèi)空氣污染在所有已確認(rèn)和報(bào)告的風(fēng)險(xiǎn)因素中排名第三。2017年，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的3.45%。

2020年全球建筑消耗36%終端用能(final energy)，排放37%的耗能相關(guān) (energy-related) CO23和大量污染物；全球每年因室內(nèi)空氣污染導(dǎo)致的早死人數(shù)超過500萬人，我國(guó)2017年因室內(nèi)空氣污染造成的疾病負(fù)擔(dān)折合經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)2.88萬億人民幣，占當(dāng)年GDP的3.45%2。

因此，建筑科學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域的研究人員面臨著創(chuàng)造既健康又低碳排放的建筑的挑戰(zhàn)。在中國(guó)，由于政府已經(jīng)啟動(dòng)了“健康中國(guó)”和“碳達(dá)峰、碳中和”兩項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略，因此目前存在著解決這些問題的絕佳機(jī)會(huì)。

打造健康低碳的建筑，要牢記：（1）健康低碳要一起解決，絕不能相互對(duì)立;（2）應(yīng)開發(fā)創(chuàng)新方法，以創(chuàng)建具有良好空氣質(zhì)量的健康建筑;（3）應(yīng)妥善開發(fā)和應(yīng)用減少建筑能耗和碳排放的創(chuàng)新技術(shù);（4）健康低碳建筑創(chuàng)新理論和模型亟待開發(fā);（5）應(yīng)正確使用各種智能技術(shù)，并應(yīng)與多學(xué)科研究人員合作。如圖1.

圖 1. 健康低碳的建筑需要?jiǎng)?chuàng)新的技術(shù)和理論。

建筑物中的健康和低碳問題必須一起考慮

健康和舒適是人類在努力實(shí)現(xiàn)節(jié)能和低碳排放的過程中必須滿足的基本要求。如何平衡和優(yōu)化控制方法？我們首先需要量化平衡室內(nèi)空氣、氣候舒適度和室內(nèi)空氣質(zhì)量的成本。這需要評(píng)估室內(nèi)空氣污染的疾病負(fù)擔(dān)以及控制污染的效益，使其經(jīng)濟(jì)損失和效益相當(dāng)。同樣，通過使用各種方法減少能源消耗和碳排放也必須與人類健康和舒適度相平衡。只有這樣，才能定量估計(jì)控制室內(nèi)空氣氣候和室內(nèi)空氣質(zhì)量的整體凈經(jīng)濟(jì)效益。這是優(yōu)化室內(nèi)空氣氣候和室內(nèi)空氣質(zhì)量控制方法的基礎(chǔ)。

呼吁采用創(chuàng)新技術(shù)來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量并創(chuàng)建健康的建筑

在過去的幾十年中，已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量?，F(xiàn)在可以識(shí)別室內(nèi)空氣污染物并精確測(cè)量其濃度;用于監(jiān)測(cè)顆粒物等空氣污染物濃度的各種在線傳感器，室外和室內(nèi)均可大規(guī)模使用;室內(nèi)材料典型污染物的源頭識(shí)別和源頭控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展并正在應(yīng)用;新的空氣凈化材料和技術(shù)已經(jīng)發(fā)明出來，并被應(yīng)用于各種室內(nèi)環(huán)境。

此外，人類健康反應(yīng)的生物標(biāo)志物評(píng)估也正在迅速發(fā)展。然而，對(duì)甲醛、苯、甲苯和TVOC的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)具有可接受的精度和成本是不夠的。用于監(jiān)測(cè)人類生理和健康反應(yīng)的可穿戴設(shè)備需要進(jìn)一步開發(fā)。因此，盡管人們對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境與人類健康反應(yīng)之間的關(guān)系的認(rèn)識(shí)越來越深入，但距離完全表征它們還有很長(zhǎng)的路要走。

呼吁采用創(chuàng)新技術(shù)來減少建筑能耗和碳排放

在過去的幾十年里，已經(jīng)開發(fā)了許多建筑節(jié)能和低碳技術(shù)。例如，建筑墻體的整體傳熱系數(shù)已大大降低。低發(fā)射率玻璃，也稱為熱鏡玻璃，已被開發(fā)和應(yīng)用于節(jié)能建筑。帶有太陽能電池的光伏電池板已經(jīng)變得更便宜，并在建筑物中被廣泛使用。供暖、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC） 設(shè)備/系統(tǒng)的性能系數(shù) （COP） 正在接近極限。

盡管氣候響應(yīng)材料（例如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的相變材料）可以通過適應(yīng)不斷變化的環(huán)境溫度來最大限度地減少暖通空調(diào)的能耗，但它們?nèi)匀贿^于昂貴，無法大規(guī)模使用。此外，擁有適當(dāng)電力和/或可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的建筑物數(shù)量以及插電式電動(dòng)汽車的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，當(dāng)前建筑物的電力負(fù)荷無法與電力和/或可再生能源供應(yīng)相匹配。迫切需要許多創(chuàng)新技術(shù)來解決這些問題。

呼喚創(chuàng)新理論，推動(dòng)建筑健康低碳發(fā)展

工程熱力學(xué)提供了一種優(yōu)化平衡熱功轉(zhuǎn)換過程的理論。然而，它無法優(yōu)化涉及溫度、濕度和多物種污染物的各種非平衡傳熱傳質(zhì)過程。傳熱傳質(zhì)理論可以分析過程特性，但無法獲得優(yōu)化值。為了克服這些局限性，Guo等人提出了一個(gè)新概念，entransy，定義為物體內(nèi)能和溫度的乘積的一半。然而，對(duì)于既包括熱功轉(zhuǎn)換又包括傳熱傳質(zhì)過程的系統(tǒng)，仍然不可能通過使用工程熱力學(xué)和/或使用傳遞理論來優(yōu)化輸出。因此，迫切需要一種創(chuàng)新的理論。作為初步努力，提出了一種稱為建筑環(huán)境分析傳熱和傳質(zhì)的理論。與分析力學(xué)類似，它基于逆問題和變分方法。

新理論與傳統(tǒng)的工程熱力學(xué)和Guo等人的傳質(zhì)理論的主要區(qū)別在于：（1）它不僅適用于熱功轉(zhuǎn)換過程或傳熱傳質(zhì)過程;（2）它不是基于熱力學(xué)第二定律，而是基于最小化最感興趣的目標(biāo)參數(shù)的原則，例如在給定約束條件下的能源消耗、碳排放或貨幣成本。這種新理論的顯著特點(diǎn)是它適用于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。然而，要從初步理論發(fā)展到成熟的理論，還需要做大量的未來工作，以便能夠解決創(chuàng)建健康、低碳建筑的挑戰(zhàn)性問題。當(dāng)然，未來還需要更多創(chuàng)新的理論。

呼吁智能技術(shù)和多學(xué)科合作

考慮到互聯(lián)網(wǎng)、Wi-Fi、物聯(lián)網(wǎng)和電動(dòng)汽車已經(jīng)成為我們生活的一部分，以及人工智能（AI）和機(jī)器人的快速發(fā)展，所有建筑部件和控制系統(tǒng)都可以變得越來越智能。材料科學(xué)、建筑環(huán)境的設(shè)計(jì)和工程以及人工智能研究界應(yīng)該在創(chuàng)建健康和低碳建筑的起步階段進(jìn)行徹底合作。作者認(rèn)為這樣的合作可以在未來為健康低碳建筑帶來一系列真正的突破。