我國“雙碳”目標的設立為建筑環境控制領域帶來了巨大新挑戰,但也帶來了新的發展機遇。

實現建筑領域碳中和目標的大背景是國家電網實現電力零碳化，即發展以風電和光電為主、水電與核電為輔、調峰火電為補充的電力供應。在這種大前提下，建筑供能實現全電氣化與零碳能源化。建筑園區要發展充分利用屋頂的光伏發電等分布式可再生能源，挖掘建筑區域的廣義儲能資源，建立直流微網系統，實現電網友好的柔性用能的“光儲直柔”建筑能源系統，以支撐新型的零碳電力系統。

建筑供能實現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境溫度相差在30℃以內，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、農村住宅以及非集中供暖地區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。地球內部是一個大熱源，地熱水的利用已經有很久的歷史。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。干熱巖是指地層深處數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巖組成。其溫度可達180~400℃，其熱量被取出后可用于發電和供暖。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。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，干熱巖供熱系統的取熱方式與用于發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水與巖石進行換熱即可。

目前，干熱巖供暖系統在我國的陜西省、甘肅省、山西省、北京市等地已經有實際工程應用，供暖面積已達3000萬平方米，未來有望有更大的發展。

對于利用熱電聯產的余熱進行集中供熱的系統，利用吸收式換熱器替代傳統的一次網和二次網之間的水-水換熱器，可以顯著降低一次網的回水溫度，增加一次網的供回水溫差，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。常規的家用空調系統本質上也是熱泵系統，只是冬夏兩季把供暖的冷凝器與供冷的蒸發器調轉過來而已。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，熱泵熱水器已經逐漸發展成熟，可以替代傳統的燃氣熱水器。傳統的空氣源熱泵已經在我國夏熱冬冷氣候區廣泛用于冬季采暖。目前，低溫空氣源熱泵技術的發展使我國北方的寒冷氣候區也能夠利用空氣源熱泵來供暖。2017年以來，華北地區農村的“煤改電”取得成功的案例均采用了低溫空氣源熱泵。隨著該項技術的不斷發展，未來還有望在嚴寒氣候區推廣使用。

（二）建筑供冷的減碳途徑

隨著經濟的發展，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計方法包括遮陽、隔熱、夜間自然通風等，最多只能將室內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計并不能在炎熱的夏季保證室內人員的熱舒適需求。而采用新的天然冷源的利用方式有可能獲得更優的室內熱環境。

在供冷季利用天然冷源，有可能把室內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要求的空氣溫度。

例如，北京夏季室外干球溫度經常超過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。在傳統空調系統中，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埋管通入冷卻塔的冷卻水、地表水、地埋管循環水，將有效阻隔夏季室外通過圍護結構向室內的傳熱，降低建筑的冷負荷，甚至可以將室內溫度維持在舒適水平而不需要空調供冷。

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。這種材料對太陽輻射的反射率為0.96，對天空的長波發射率達到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射的熱量，所以全天都處于一種為建筑供冷的狀態。這種材料已經成功地應用于糧庫、航站樓登機廊橋等建筑的外表面，極大地改善了內部的熱環境，有效降低了空調電耗。這種材料可以應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的建筑、南海島礁的建筑、冰雪場館、冷庫等。（作者：朱穎心    清華大學建筑學院教授）