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(wàn)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(guò)500萬(wàn)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(wàn)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(wèn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wèn)題必須一起考慮

健康和舒適是人類(lèi)在努力實(shí)現(xiàn)節(jié)能和低碳排放的過(guò)程中必須滿(mǎn)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(guò)使用各種方法減少能源消耗和碳排放也必須與人類(lèi)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(lái)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量并創(chuàng)建健康的建筑

在過(guò)去的幾十年中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多技術(shù)來(lái)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。現(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(xiàn)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(lái)，并被應(yīng)用于各種室內(nèi)環(huán)境。

此外，人類(lèi)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(xiàn)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(lèi)生理和健康反應(yīng)的可穿戴設(shè)備需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。因此，盡管人們對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境與人類(lèi)健康反應(yīng)之間的關(guān)系的認(rèn)識(shí)越來(lái)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(lái)減少建筑能耗和碳排放

在過(guò)去的幾十年里，已經(jīng)開(kāi)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(chēng)為熱鏡玻璃，已被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用于節(jié)能建筑。帶有太陽(yáng)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(guò)適應(yīng)不斷變化的環(huán)境溫度來(lái)最大限度地減少暖通空調(diào)的能耗，但它們?nèi)匀贿^(guò)于昂貴，無(wú)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(chē)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(wú)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(lái)解決這些問(wèn)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(guò)程的理論。然而，它無(wú)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(guò)程。傳熱傳質(zhì)理論可以分析過(guò)程特性，但無(wú)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(guò)程的系統(tǒng)，仍然不可能通過(guò)使用工程熱力學(xué)和/或使用傳遞理論來(lái)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(chēng)為建筑環(huán)境分析傳熱和傳質(zhì)的理論。與分析力學(xué)類(lèi)似，它基于逆問(wèn)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(guò)程或傳熱傳質(zhì)過(guò)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(xiàn)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(lái)工作，以便能夠解決創(chuàng)建健康、低碳建筑的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。當(dāng)然，未來(lái)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(chē)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(lái)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(lái)為健康低碳建筑帶來(lái)一系列真正的突破。