朱颖心:碳中和目标下的建筑环境营造

来源: iGreen  时间: 2022.01.10  打印本页  分享:
朱颖心清华大学建筑学院教授 清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室副主任教育部高等学校建筑环境与能源应用工程专业分教指委主任中国建筑学会暖通空调分会理事国际室内空气学会科学院会士兼热舒适技术委

朱颖心

清华大学建筑学院教授 

清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室副主任

教育部高等学校建筑环境与能源应用工程专业分教指委主任

中国建筑学会暖通空调分会理事

国际室内空气学会科学院会士兼热舒适技术委员会主席

国际学术期刊Indoor Air副主编

前言

我今天演讲的主题是《碳中和目标下的建筑环境营造》。

首先我们看一下全球建筑能耗占比和中国建筑能耗占比的情况。有一个说法是建筑运行能耗占社会能耗的1/3,实际上这是全球的建筑能耗占比情况,其中有30%是建筑运行能耗,5%是建筑建造能耗。最新的中国建筑节能年度研究报告数据显示,中国建筑运行能耗占比22%,建造能耗占比11%。因为中国还在不断地盖房子,我们后面数据还会有持续的增长。

这是各国最新的建筑能耗统计数据,从2007年、2008年到现在,中外人均建筑能耗和单位面积能耗的差距都在缩小,但我国人均建筑能耗、单位面积建筑能耗依然远远低于发达国家。中国人均建筑能耗与美国的差距从原来的7倍到现今的3.3倍,之前他们的建筑能耗是我们的4倍,现在我们是他们的一半,明显出现了我们在追赶发达国家的趋势。发达国家不是定着不动,因为他们已经超过了碳达峰的时间,正在采取节能措施降低建筑能耗,而中国要继续提高人民生活水平,所以建筑能耗还在增长。

日本和欧洲计划在2050年达到碳中和,北美并没有说具体的时间,只有加州说是在2050年达到碳中和,我们是要在2060年达到碳中和,需用时三十年,国家要从碳达峰达到碳中和。我们建筑行业首先要做到碳中和,这已经成为国家的重大战略需求。这里我想讨论两个问题,一个是建筑行业做到碳中和有哪些途径,另外一个是实现碳中和目标的同时如何营造健康的室内环境。

1 建筑行业实现碳中和的两条途径

  (1)减少建筑用能需求。一方面是被动式建筑设计,另一方面是建环专业(暖通空调专业),或者叫建筑技术专业要针对人和环境层面进行精准服务。

  (2)建筑供能改革。建筑能耗的四分之一来自供暖,供暖用的很多是燃煤和燃气,未来我们要实现建筑供能的全电气化,这也包括家居生活的电气化。建筑采暖空调部分完全不使用化石能源,像燃气制冷、燃气供暖,都不要用了,燃煤就更不用了,采暖制冷根据国家的政策使用零碳电力、可再生能源、废热余热、自然能源等,自然能源包括地下水能源、地热能以及空气中的干空气能等。

2 碳中和目标下如何营造健康的室内环境

我们还有另外一个任务,就是为人民营造舒适健康的室内环境,满足人民对美好生活的需求,不能因为碳中和降低人民的室内环境品质,同时还要提高人民的健康水平。过去没饭吃的时候说吃饱了就行了,现在要讲吃得健康;过去说夏天有冷气、冬天有暖气就行了,现在室内环境品质也同样要健康。怎样创造健康的室内环境品质也是未来的重大挑战。

我们要搞清楚两个问题,一是什么样的室内环境能够满足健康舒适的需求,二是如何能够扩展室内环境中人体的热舒适范围。有的人说我就要26℃,低了高了我都受不了,这样很不健康。所以我们应该想办法去扩展人体的热舒适范围,如果人从16℃到30℃都能感到舒适,就能更好地达到节能的目的,人们的健康水平也会提高,后边我会进一步论述这个问题。 

我今天从三个层面阐释一下解决问题的思路:一是寻找符合人体本源需求的热环境,就是说春天到底什么样,我们要找到这个春天;二是避免长期处于不冷不热的热中性环境,我们要增加轻度冷热暴露的机会;三是要提供精准服务,赋予使用者个体调控以及局部热环境调节的能力。

No.01 寻找春天:在大自然中进化过来的人类需要什么样的热环境

暖通专业曾经的口号是“培养创造春天的工程师”。那么春天应该什么样呢?大家都知道做暖通空调设计的依据是PMV指标,PMV等于0的时候是热中性,根据国际标准ISO 7730的规定,PMV介于±0.2之间是A级最高档次,次一等的B级是介于±0.5之间,更次的C级是介于±0.7之间,我们国内的热舒适标准基本采用的是B级,也就是±0.5,那么这样是真正的春天吗?实际上PMV指标只适用于稳态均匀的热环境,在室外你感觉到的春天是非均匀、非稳态的,有越来越多的学者指出用PMV指标来评价真实热环境的时候并不完全适用。

我举个例子,这是深圳建科院大楼,为了让大家能够得到更多的共享空间,他们搞了很多户外平台。这是我的学生在现场调研拍的照片,他们分成小组在外面讨论问题,而且看起来好像很享受。这些用来开会和人群逗留的平台,我们当时实测的温度是29℃到31.5℃,相对湿度是60%到70%,按道理来说温度、湿度都不太舒适,而且深圳建科院有很多可以随时打开空调的会议室,但是他们为什么不在室内呆着呢?我们对这些人群展开调研,结果显示:他们觉得平台上是有点热了,但是大部分人都感觉很舒适;相比之下大部分人对空调办公室的评价是热中性(不冷不热),但是投票给稍不舒适的比例最多。那么这里产生了一个悖论:为什么人们认为有点热的平台比不冷不热的办公室更舒适?为此我们针对感到舒适的原因又进行了另一轮投票,我们看到投票结果中占比最高的四项依次是自然风、绿化、视野和天然光,选择温度的只有百分之二十几,所以大家既不认为这个温度好,也不认为这个湿度好,但他们觉得其他条件都很好,因此他们觉得更舒适,也就更喜欢待在室外平台。由此我们看到室外热环境调研是很有趣的,它的调研结果和我们做室内热环境调研的结果是很不一样的。

这是西北农林科技大学的一篇调研文章,他们在去年春夏秋冬四个季节进行了12天的室外调研,我们看到右边被我框出来的部分有“很不舒适”、“有点不舒适”,这都是我们在室内热舒适调研中常见的选项,这里有一个选项是“没有不舒适”,我们在室内热舒适调研中基本没有这个说法,我们一般把它划分到舒适范畴。调研结果显示,人们觉得室外热环境舒适的原因有:阳光好、气温较室内更适宜、室外空气很清新,室外的风很舒适等,这个结果和我们前面调研的结果有很多相似的地方,就是人们在室外有一种愉悦感。

我们发现有意思的地方在哪呢,现有的热舒适理论认为,没有刺激就是舒适,不冷不热就是舒适。但是这些研究都表明室外热舒适和我们传统的热舒适研究是有区别的,真正的热舒适应该叫热愉悦我们现有的室外热舒适指标WBGT、PET、UTCI等均基于热平衡,反映的是人体产热与散热条件下所能承受的热环境,都不能反映热愉悦的情况,我们现在应该研究什么状态下才能使人产生热愉悦。比如自然风更受欢迎绝对不仅仅是因为它的传热优势,实际上还和它风向包围感、自然触摸感相关,这都涉及热愉悦。另外还有太阳辐射,散射辐射给人较好的舒适感,直射辐射感觉不太好,但是冬天在外面晒太阳时我们希望是有太阳直射的,才能感觉到那种暖融融的、很舒服的热愉悦感,这就是人们喜欢在外头晒太阳的原因。

基于这些研究我们对热舒适有一个新的认知:舒适实际上是伴随着不舒适的消除而产生的,人们在稳定没有刺激的环境里感觉不到舒适。不舒适被消除的那一刻你会感觉到舒适,一旦不舒适的刺激不复存在,你的舒适感慢慢也就没有了。只有适度的刺激一直存在,一直不断地被消除,才能维持舒适的状态,所以说热舒适是一个动态的过程。有学者也提出Alliesthesia的概念,即感觉到变化才会有舒适感。我举一些例子大家就知道了。比如夏天很热,洗个凉水澡就会觉得很舒服;冬天很冷,跳到温泉里也会觉得很舒服;夏天的时候坐在海边吹海风,我相信这个环境其实并不凉快,但吹海风的时候依然会感觉很舒适,所以说这是非常有意思的。

在室外动态变化的热环境参数中(风速、辐射、温湿度),风速变化是人体直接感受最明显的,所以我们清华团队花了二十多年的时间来研究自然风和机械风的差别。我们用湍流统计理论、分形理论、连续小波分析理论等手段进行系统分析,依据获得的这些特性来制造一些动态的气流末端。这些动态的气流末端可以模拟包括稳态、正弦、仿自然风还有随机乱变的风环境。我们让受试者在一个偏热的环境中自行选择这些风,整个实验过程中受试者并不知道这些风到底是什么风。结果显示受试者最能接受、最多人选择的是仿自然风,其次是正弦风,稳态风选的人很少,这里就体现出自然风的作用。

No.02 避免长期处于热中性的环境 增加轻度冷、热暴露的机会

刚才我谈到寻找春天,就是要了解春天到底什么样,接下来我们看第二个问题,就是要避免长期处于不冷不热的热中性的环境,增加轻度冷、热暴露的机会。这里我会提到一个关键词就是主动热应激训练,利用人体的热适应功能来锻炼维持人体的热应激能力,提高人体健康水平。

热适应性研究表明不同气候区人群的热舒适温度、热舒适区间都是不同的。图中是我国五个气候区的研究结果,纵坐标TSV是热感觉,横坐标SET是标准有效温度,我们把它标准化了,人的着装、环境参数都折算在里面。从结果可以看出,夏热冬冷地区的斜率最小,夏热冬暖地区的斜率最大,五个气候区热中性温度也不一样:夏热冬冷地区热中性温度最低,而夏热冬暖地区热中性温度最高。所以我们常说南方人不怕冷,这是真的,但不是说广东人不怕冷,其实是说夏热冬冷地区长江流域的人不怕冷。

从世界各国室内冬季采暖发展趋势可以看出美国、日本、英国采暖的温度都随时间不断提高,已经达到了22℃以上。美国当年也是温度很低的,现在已经提升到20℃以上,当然这里给的是平均值。我国南方采暖温度为14℃上下,北方地区基本是18℃以上,现在北京也是20℃以上,哈尔滨从2000年20℃左右一直涨到现在的25℃以上,那么未来夏热冬暖地区的冬天是否也像哈尔滨一样不断提高采暖温度呢?有必要都把温度拉那么高吗?

我们冬季分别在北京、上海的人工气候室进行实验室实验,实验人群为年龄在20~26岁的男性。北京实验的受试者都是适应了连续集中采暖的人群,而上海实验的受试者都是适应了没有集中采暖甚至没有采暖的人群。受试者的服装是一样的。室内实验温度为12℃、14℃、16℃、18℃、20℃共五个工况。实验结果表明,在任何温度下,北京组都比上海组感觉更冷、更不舒适,热感觉相差2.5℃。北京组在18℃时热感觉与上海组15.5℃时一样,所以上海居民冬季家里温度经常是都是15℃甚至更低,因为在衣服穿得一样的时候,就是有这种差别,这是一个热适应的结果。

刚刚讲的是采暖,那我们再看看空调。2000年中国疾控中心在华东地区进行了一项流行病学调查,调查内容是空调使用情况和病态建筑综合征之间的关系。实验列出了11种病态建筑综合征症状,受试者分成了四组:家里办公室都有空调、只有办公室有空调、只有家里有空调、家里办公室都没有空调。调查结果显示,全部十一种病态建筑综合征症状程度,全空调组均高于无空调组,且存在显著性差异。

后来我们又开展进一步的研究,将长期空调人群和每天处于空调环境下不超过两小时的人群在人工气候室里进行26℃到36℃各一小时的热环境冲击实验。在36℃环境下,长期空调组觉得热的受不了,非空调对照组觉得不舒服也是有的,但是感觉还好,没有那么厉害。我们将每名受试者实验前与实验后各抽血一次,测试受试者血液中的热应激蛋白,发现长期空调组血液中热应激蛋白浓度不到对照组的2/3,可见长期逗留在空调环境里会导致人体的热应激能力退化。

荷兰的Marken Lichtenbel教授发表过很多关于轻度冷、热暴露对人体健康影响的文章。轻度冷、热暴露实验是将2组穿着长袖衬衣与长裤的受试者安排在14~15℃的环境温度下,每天暴露6小时,连续暴露10天。适应冷暴露前,受试者觉得很不舒适,在冷暴露实验十天之后表示刚好舒适,受试者表现出了对冷环境的舒适感和适应能力。受试者分为两组,其中一组是偏瘦体型的年轻人,在实验后发现受试者体内的褐色脂肪增加,这种褐色脂肪有助于人体产热量增加,并分解导致肥胖症的白色脂肪;另一组受试者为二型糖尿病患者,实验结果表明其血液中胰岛素敏感性显著增加。Marken Lichtenbel教授的结论就是轻度冷暴露有益于激活体内褐色脂肪,这种方法应该融入日常生活作为一种锻炼方式,有利于预防肥胖症和二型糖尿病,并保持人们应对极端环境的承受能力。

我们对Marken Lichtenbel教授的结论非常感兴趣,希望能够通过实际调研数据找到契合他的实验结论的证据。我们选取了一个夏热冬冷地区城市展开研究,该城市A城区有全集中采暖的事业单位老旧型小区,B城区是自有房、商品房等自采暖型房屋。我们选了6户自采暖家庭进行入户测试,5天的测试数据显示,大部份自采暖家庭的室内温度偏低,有3户在15℃以下。这里展示的是经济条件较好家庭的测试结果,可以看到这些经济条件较好的家庭其室内温度也是偏低的。此外还进行了调查问卷,共调研了341个家庭样本。调研结果显示,室内温度偏高的家庭自报告糖尿病发病率偏高,集中供暖的家庭自报告糖尿病发病率也比非集中供暖的家庭要高,这个数据支持了轻度冷暴露的相关研究结论,即经常性的冷暴露可以减轻糖尿病发病率。

美国科学院院报PNAS曾发表过一篇受争议的论文,该研究是由中国、美国和以色列等国的经管学者合作共同开展的。实验选择了淮河南北150公里以内地区,认为该地区人群特征基本相近,唯一的区别是北岸有供暖,南岸没有供暖。实验结果显示,南岸居民预期平均寿命比北岸长五年。该项研究认为,北岸因集中供暖导致冬季悬浮颗粒物浓度比南岸高,同时他们认为北岸有采暖对居民的健康是一个正面的因素,所以他们认为北岸预期寿命损失的原因是采暖锅炉导致的空气污染。但是从他们报告的数据看两岸空气的污染其实都很严重,我认为并没有本质的差异。反而是经常性的冷暴露对健康的正面影响可能在某种程度上可以解释南岸居民预期平均寿命长于北岸居民这种现象。

图片青岛理工大学针对人体免疫球蛋白IgE与过敏和呼吸道炎症的关系展开流行病学调查,发现9月份气温适宜的时候人体内的IgE无量纲浓度最高,夏季时偏低,冬季则更低,所以冬季易发呼吸道感染和过敏症。青岛理工大学也在人工气候室实验中开展了环境温度与人体免疫球蛋白IgE关系的实验。受试者为10名身体健康人员,分别在18℃、24℃、30℃环境下穿着短袖长裤,结果显示:大多数人的IgE浓度在30℃时最高,因为他们在这个时候的热感觉最接近舒适;有两个人的IgE浓度在30℃时非常高,调研发现这两个人畏寒因此感到30℃时最舒适;还有两个人在24℃时体内IgE浓度最高,也是因为他们在24℃感觉最舒适。这个结果表明人往往在最舒适温度时IgE无量纲浓度最高。所以无论室内温度多少,只要感到舒适人体免疫力就高,不容易得病。

图片最后针对这一部分内容我有个小结:  

首先,人们应该尽量避免长期逗留在热中性的热环境中,经常的轻度冷暴露是有益于我们的身体健康的。

第二,冷/热暴露不再是穷人的无奈,人体的舒适区域越宽,人体免疫球蛋白IgE浓度就越高。所以未来主动为健康人群提供热应激训练应该成为提供对抗“由奢入俭难”的高端服务。

No.03 应赋予居住者个体调控和局部热环境调节的能力

第三个问题就是赋予居住者个人调控和局部热环境调节能力的问题,需要提供精准服务,这样不但可以提高个体满意度,同时还可以减少能源消耗和碳排放。

我们对北京、上海集中供暖与分散供暖用户进行调查,可以明显发现分散供暖用户的热感觉几乎都处于舒适区,而集中供暖用户很容易感觉偏热或偏冷,跑出舒适区的范围。集中供暖用户在任何温度下热感觉都比分散供暖用户更低,而且不舒服。北京热中性温度两者相差达到3.4℃,而上海热中性温度两者相差达到2.6℃,可见自调节分散采暖用户的舒适温度更低,舒适区更宽,能源消耗自然也就随之降低了。

我们在实验室里做了一个环境控制力对人主观影响的实验。实验分为三个工况,第一个工况是告诉受试者人工气候室里没空调,第二个工况是告诉受试者可以自由使用空调,第三个工况是告诉受试者可以使用空调,但需要收费。事实上三个工况的环境温度都是不断上升的,但实验结果表明在任何温度下,被告知无空调的受试者更容易感觉偏热,被告知可以随意使用空调组的实验者更容易感到舒适,可见热舒适是受到心理作用影响的。

我们又做了另外一个关于“可感知控制力”的实验,先将受试者置于一个不太舒适的环境中20分钟,这个环境既包括偏冷环境也包括偏热环境,20分钟后告诉受试者可通过温度调节器控制温度至想要的环境参数,但事实上在这后面的20分钟内环境温度没有发生任何变化,只是让受试者产生了对环境的假想控制力,20分钟后温度才会有变化。那么假想控制力对人有什么影响呢?红色表示受试者在不舒适环境里前20分钟的情况,绿色是受试者在接下来的20分钟有假想控制力的情况,我们看到在有假想控制力的20分钟里受试者的热感觉都趋向热中性,满意度也提高了。所以这种“可感知控制力”有“画饼充饥”“望梅止渴”的作用。

人一旦对拥有对环境的可感知控制力,无论使用与否,其对环境的满意度、容忍度均会大大提高,这是由于人们在心理上消除了对未知变化的焦虑。人体本身在生理上具有的应激能力对热环境的容忍度是很大的,但一旦热环境被外力高度控制,这种容忍度就会被削弱。

这就是我说的应该给人一种独立调控的能力,那么除了独立调控力之外,还有一个问题是:怎样实现精准控制?江亿院士也一直提到部分空间空调、部分时间空调,但我们现在的空调基本都是全空间空调。全空间空调哪来的呢?就要提到我们一直推崇的空调发明人威利斯·开利。空调最早并不是为人设计的,而是为工厂设计的工艺空调,由于工艺空调需要提供这样一个全空间、恒温恒湿的环境,是无法顾及每个人的需求的。我们现在使用的全空间空调只是占了当初空调发明初衷的一点便宜而已。

英文里管空调和采暖叫做Space cooling和Space heating,但是实际上我们真的不需要Space cooling和 space heating,我们只需要适宜的body cooling,有时候需要body heating。比如冬天太冷衣服不够穿,这时候就需要采暖。

人体热中性时的皮肤温度是33.7℃,不是大家想象中的36℃、37℃,所以环境温度是26℃时的自然对流是最舒适的,当环境温度升到30℃时,人体传热温差就不够了,如果此时人体的散热面温度能够提升到37.3℃,那就和正常的换热情况一样了,人们的热舒适度就会得到提高。但若想提高人体体表散热面温度则需要小温差热泵,提高4℃,这跟我们通常的热泵还不一样,因为通常的热泵的两边温差要大得多。

个性化热舒适系统PCS(Personal Comfort System)

我们在大空间里使用全空间空调,就会有人喊冷,有人喊热,于是我们希望能够打造个性化的热舒适系统,也就是PCS。

清华大学在研究接触式冷却座椅,这也属于PCS个性化的热舒适系统。我们发现环境温度在28℃到32℃的时候,接触性冷却座椅表面温度在24℃到28℃范围内,人们就觉得不冷也不热了。比如说环境温度是30℃的时候,座椅表面温度26℃就可以使受试者达到热中性,意味着使用者可以通过调节接触性冷却座椅表面温度来满足自身需求。

我们过去做过一种冷却背心。在环境温度30℃时,背心内置相变温度为27℃的相变材料就可以使人体感到舒适。由此发现,我们可以使用高温冷源的接触式冷却方式使人达到舒适状态,这比常规制冷更加节能,为什么这么说呢?我们可以看到常规制冷方式追求大温差、大压比、大冷量,例如使用7℃冷水,蒸发冷凝温差达到40℃等。即便使用半导体制冷,冷表面的温度也会达到0℃上下,热流密度也有100~350W/m2。椅子或衣服上可穿戴的冷却装置不需要这么低的温度。我们只需要表面温度24~28℃,与环境空气温差达到4℃就可以了,热流密度低于75W/m2,要不人体也受不了。像常规的制冷COP,达到7就已经很不错了,半导体制冷其实不到1,所以说半导体制冷的COP都是特别低的。

我们以接触式冷却座椅为例,如果椅背是26℃,环境温度是30℃,另外一个散热面温度是40℃的话,这种逆卡诺循环理想情况下COP是21.4,我们看到它的逆卡诺循环COP是非常高的。

现在有一种电卡制冷的方法(electrocaloric),目前还在实验室阶段,还没有推广生产,但我觉得它是很有前途的。它是用一种新材料,加入电场/撤去电场的时候产生等温熵变和绝对温变,适用于小温差制冷,它的COP可以达到逆卡诺循环COP的60%。我们之前说接触式冷却座椅的逆卡诺循环在理想情况下是21.4,如果结合电卡制冷COP可以达到12.84,这是非常高的。即便不算电卡制冷COP有这么高,我们就按照常规制冷COP等于5来计算,一把椅子的耗电量也只有3W,这是非常低的。

如果北京夏季空调温度从26℃升高到30℃,那么节能率将达到77%,如果升高到29℃,节能率将达到64%,节能率这么大它的冷负荷就没多少了。我们接下来看一下冷却座椅的节能潜力,现在调查北京办公建筑夏季空调耗电为40kW·h/(㎡·年),如果使用接触式冷却座椅,比如说用电卡来制冷,室温设定值在30℃情况下,夏季供冷总电耗可以降到9.7kW·h/(㎡·年),节能率可以达到75%,节能潜力巨大,这是非常有意义的。

除了在夏天,冬天我们也可以采用局部采暖的方式。这是我的办公室,有南向大玻璃窗,面积大概是二十平方米,是个旧砖楼,没有做过保温改造。冬季白天阳光好的时候不采暖温度可以达到15℃,我就用这种局部电暖气维持身体暖和,一直没开风机盘管采暖。因为教师并不是一直待在办公室,一冬天下来每天坐班四个小时,算下来一平方米不到两度电,可见局部采暖方式比常规采暖方式更节能,尤其对于我们这种间歇性使用的办公室节能效果非常明显。而且我开风机盘管采暖的时候上面是热的,但我的脚是冷的。而这种局部采暖方式感觉头凉脚暖,更具备舒适性。

No.04 对未来热舒适研究与技术发展的期待

基于今天讲的内容,我对未来热舒适和技术发展有几点期待:

一是营造春天:我希望未来的空调系统能够营造一种令人愉悦的、自然的环境,就比如我在家里空调一开,在家就能感受到海边、森林等令人愉悦的环境。

二是精准服务:未来我希望为居住者提供个性化的、能够自主调控的热环境系统,实现个体化甚至是可穿戴的精准化服务系统。热环境调控实现由全空间转变为部分空间、到个体、到人体局部这样一个转换过程,这样就可以创造既低碳又舒适的建筑热环境。

三是健康服务:我们希望未来室内热环境营造系统能够提高人体的热健康,兼顾主动实施冷、热应激训练,民众能够像在家里锻炼身体那样去锻炼热调节能力,与健康训练相配合,当然这个目标的实现就会更远一些。