健康低碳建筑呼唤创新理论和技术

中国、印度和其他发展中国家的室内空气污染严重，这些国家的人口占全球人口的一半以上。Liu等研究发现，2017年中国以残疾调整生命年（DALYs）表示的前十大室内空气污染物导致的疾病负担为每10万人3700人。在中国中国大陆，室内空气污染在所有已确认和报告的风险因素中排名第三。2017年，相当于国内生产总值（GDP）的3.45%。

2020年全球建筑消耗36%终端用能(final energy)，排放37%的耗能相关 (energy-related) CO23和大量污染物；全球每年因室内空气污染导致的早死人数超过500万人，我国2017年因室内空气污染造成的疾病负担折合经济损失就高达2.88万亿人民币，占当年GDP的3.45%2。

因此，建筑科学和相关领域的研究人员面临着创造既健康又低碳排放的建筑的挑战。在中国，由于政府已经启动了“健康中国”和“碳达峰、碳中和”两项国家战略，因此目前存在着解决这些问题的绝佳机会。

打造健康低碳的建筑，要牢记：（1）健康低碳要一起解决，绝不能相互对立;（2）应开发创新方法，以创建具有良好空气质量的健康建筑;（3）应妥善开发和应用减少建筑能耗和碳排放的创新技术;（4）健康低碳建筑创新理论和模型亟待开发;（5）应正确使用各种智能技术，并应与多学科研究人员合作。如图1.

图 1. 健康低碳的建筑需要创新的技术和理论。

建筑物中的健康和低碳问题必须一起考虑

健康和舒适是人类在努力实现节能和低碳排放的过程中必须满足的基本要求。如何平衡和优化控制方法？我们首先需要量化平衡室内空气、气候舒适度和室内空气质量的成本。这需要评估室内空气污染的疾病负担以及控制污染的效益，使其经济损失和效益相当。同样，通过使用各种方法减少能源消耗和碳排放也必须与人类健康和舒适度相平衡。只有这样，才能定量估计控制室内空气气候和室内空气质量的整体净经济效益。这是优化室内空气气候和室内空气质量控制方法的基础。

呼吁采用创新技术来改善室内空气质量并创建健康的建筑

在过去的几十年中，已经开发了许多技术来改善室内空气质量。现在可以识别室内空气污染物并精确测量其浓度;用于监测颗粒物等空气污染物浓度的各种在线传感器，室外和室内均可大规模使用;室内材料典型污染物的源头识别和源头控制技术已经发展并正在应用;新的空气净化材料和技术已经发明出来，并被应用于各种室内环境。

此外，人类健康反应的生物标志物评估也正在迅速发展。然而，对甲醛、苯、甲苯和TVOC的在线监测技术具有可接受的精度和成本是不够的。用于监测人类生理和健康反应的可穿戴设备需要进一步开发。因此，尽管人们对室内空气环境与人类健康反应之间的关系的认识越来越深入，但距离完全表征它们还有很长的路要走。

呼吁采用创新技术来减少建筑能耗和碳排放

在过去的几十年里，已经开发了许多建筑节能和低碳技术。例如，建筑墙体的整体传热系数已大大降低。低发射率玻璃，也称为热镜玻璃，已被开发和应用于节能建筑。带有太阳能电池的光伏电池板已经变得更便宜，并在建筑物中被广泛使用。供暖、通风和空调 （HVAC） 设备/系统的性能系数 （COP） 正在接近极限。

尽管气候响应材料（例如建筑围护结构中的相变材料）可以通过适应不断变化的环境温度来最大限度地减少暖通空调的能耗，但它们仍然过于昂贵，无法大规模使用。此外，拥有适当电力和/或可再生能源存储系统的建筑物数量以及插电式电动汽车的数量远远不够。因此，当前建筑物的电力负荷无法与电力和/或可再生能源供应相匹配。迫切需要许多创新技术来解决这些问题。

呼唤创新理论，推动建筑健康低碳发展

工程热力学提供了一种优化平衡热功转换过程的理论。然而，它无法优化涉及温度、湿度和多物种污染物的各种非平衡传热传质过程。传热传质理论可以分析过程特性，但无法获得优化值。为了克服这些局限性，Guo等人提出了一个新概念，entransy，定义为物体内能和温度的乘积的一半。然而，对于既包括热功转换又包括传热传质过程的系统，仍然不可能通过使用工程热力学和/或使用传递理论来优化输出。因此，迫切需要一种创新的理论。作为初步努力，提出了一种称为建筑环境分析传热和传质的理论。与分析力学类似，它基于逆问题和变分方法。

新理论与传统的工程热力学和Guo等人的传质理论的主要区别在于：（1）它不仅适用于热功转换过程或传热传质过程;（2）它不是基于热力学第二定律，而是基于最小化最感兴趣的目标参数的原则，例如在给定约束条件下的能源消耗、碳排放或货币成本。这种新理论的显著特点是它适用于复杂的非线性系统。然而，要从初步理论发展到成熟的理论，还需要做大量的未来工作，以便能够解决创建健康、低碳建筑的挑战性问题。当然，未来还需要更多创新的理论。

呼吁智能技术和多学科合作

考虑到互联网、Wi-Fi、物联网和电动汽车已经成为我们生活的一部分，以及人工智能（AI）和机器人的快速发展，所有建筑部件和控制系统都可以变得越来越智能。材料科学、建筑环境的设计和工程以及人工智能研究界应该在创建健康和低碳建筑的起步阶段进行彻底合作。作者认为这样的合作可以在未来为健康低碳建筑带来一系列真正的突破。