為了實現碳中和目標，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計需要建筑師與暖通空調工程師的密切配合。除此以外，新型的暖通空調系統(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原型：全空間全時間恒溫恒濕。而在此之后，空調技術進入到舒適性應用領域，為人類創(chuàng)造舒適的室內環(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環(huán)境是舒適的。1970年丹麥技術大學的方格（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環(huán)境設計標準所采納。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，是在人工氣候室內營造的穩(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)境中應用會出現較大偏差，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，這種現象是由于人體的個體化差異造成的，是無法消除的自然現象。在傳統(tǒng)的空調設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。針對這種現象，近年來出現了以下兩種新興的研究熱點與技術發(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”，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。當同一空間內有多人存在、空調設備無法滿足需求差異的時候，可以由空調設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廣泛使用的“火桶”、日本的暖桌（Kotatsu）等都是個體化采暖設備。目前國際學術界已經有一批實驗室原型的PCS，包括個體送風設備、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℃左右的室內熱環(huán)境下感到全身熱中性。

現場調研獲得的能耗數據表明，北京辦公建筑一個夏季的空調電耗約為 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，空調背景溫度設定值為30℃，由于減少了空調開啟小時數和冷負荷，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用進度呢？其實這種微型化的熱環(huán)境控制技術的發(fā)展面臨比傳統(tǒng)的全空間空調技術更難逾越的困難，其中最大的障礙是缺乏成熟的微環(huán)境調節(jié)技術。

盡管安全的局部電加熱技術已經很成熟了，但在哪個部位加熱？溫度控制在多少？應該連續(xù)加熱還是間歇加熱？應該恒溫加熱還是變溫加熱？如何實現可穿戴加熱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的。實現局部“微致冷”技術則是更大的困難。需要發(fā)展出一種新型的制冷設備，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”設備，從理論上來說，其能效比應該遠高于現在常用的大溫差、大熱流的空調制冷設備。目前有可能實現這個目標的“微致冷”技術均與新材料的研發(fā)有關，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設備的問題，還需要與生理學、心理學、新材料、新能源等領域進行跨學科合作才能達到目標。

（二）基于人工智能的室內環(huán)境控制

未來的空調系統(tǒng)應該為室內人員提供“精準熱服務”，部分個性化熱環(huán)境調節(jié)設施還會貼近人體提供冷熱量以滿足熱舒適要求。絕大多數使用者并非熱環(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，也不知道應該怎么去調節(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?，F在市場上有很多智能家居的產品，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環(huán)境控制，首先，應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、空氣質量、光環(huán)境和聲環(huán)境。其次，應該能夠根據該區(qū)域特定使用者的習慣，通過數據驅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環(huán)境。

對于室內人員行為特征的識別內容包括：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、睡眠質量）、人群生理特點（性別、兒童、老人、體質）等。識別對象包括生理參數、表情、姿態(tài)、語言、著裝等。例如，通過數字視覺技術識別皮溫來了解室內人員的熱感覺，被認為是一種較為可靠的判斷指標，從而可以驅動空調設備為其進行環(huán)境調節(jié)。因為同一個人在靜坐工作時與做家務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節(jié)空調設備的。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AI驅動個性化室內環(huán)境控制的關鍵性基礎研究內容，需要投入很大的精力開展研究。

我國“雙碳”目標的設立為建筑環(huán)境控制領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環(huán)境質量的新技術發(fā)展需要相關的科研人員、工程技術人員以及產業(yè)界能夠面向一些科學基礎問題和應用技術進行聯合科技攻關，其中的難點往往需要跨學科的合作，集成信息技術、材料科學、人工智能、生命科學、醫(yī)療衛(wèi)生等領域的新成果，才能保障建筑領域的碳中和目標的實現，同時有效推進該領域的科技進步與產業(yè)的升級，以創(chuàng)新求得更大的發(fā)展。（作者：朱穎心    清華大學建筑學院教授）