我国“双碳”目标的设立为建筑环境控制领域带来了巨大新挑战,但也带来了新的发展机遇。
实现建筑领域碳中和目标的大背景是国家电网实现电力零碳化，即发展以风电和光电为主、水电与核电为辅、调峰火电为补充的电力供应。在这种大前提下，建筑供能实现全电气化与零碳能源化。建筑园区要发展充分利用屋顶的光伏发电等分布式可再生能源，挖掘建筑区域的广义储能资源，建立直流微网系统，实现电网友好的柔性用能的“光储直柔”建筑能源系统，以支撑新型的零碳电力系统。
建筑供能实现全面电气化意味着建筑的供暖、供冷、生活热水、炊事等全部不再使用化石能源，如燃煤、燃气的直接燃烧获得。除了炊事将由电炊具全部替代燃气直接燃烧以外，供暖、供冷与生活热水将首选利用各种低品位零碳能源来供给。在无法获得低品位零碳能源的条件下，通过电力驱动的热泵来获得供暖、供冷与生活热水所需要的冷热量。
建筑供冷供暖所需要的冷热源温度与环境温度相差在30℃以内，生活热水需要的温度也不会超过60℃，因此所需要的都是低品位能源，可以利用较低温度的工业与生活的余热废热、太阳能、地热能来获得，甚至可以直接利用较低的室外空气湿球温度、有效天空温度、地下水、深层湖水或海水等自然冷源来获得。
（一）建筑供暖的减碳途径
目前我国建筑能耗中占比最大部分的是供暖能耗，其中仅北方城市集中供暖的能耗就占了约1/4，此外公共建筑、农村住宅以及非集中供暖地区居住建筑的供暖能耗也有很大的比例。这部分能耗尽管占比很大，但其所需要的低品位热源则是在地球上取之不尽用之不竭的，即前文所提到过的太阳能、地热能以及余热废热，其利用的最大障碍是如何能够有效获得与输送。地球内部是一个大热源，地热水的利用已经有很久的历史。但地热水的获得存在较多制约条件，因此其利用受到限制。近年来，一种新兴的地热能源—干热岩—得到了重视与开发。干热岩是指地层深处数千米普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要由火成岩和变质岩组成。其温度可达180~400℃，其热量被取出后可用于发电和供暖。如果利用干热岩热量来进行供暖，则不需要那么高的水温。如果获得的热水温度能够达到50~70℃就可以直接用于集中供暖系统。如果取出的热水温度达不到直接供暖的要求，则可以通过热泵将取出的热量品位进行一定程度的提升即可使用。因此，干热岩供热系统的取热方式与用于发电的取热方式有很大的不同，在换热孔中埋入套管来使循环水与岩石进行换热即可。
目前，干热岩供暖系统在我国的陕西省、甘肃省、山西省、北京市等地已经有实际工程应用，供暖面积已达3000万平方米，未来有望有更大的发展。
对于利用热电联产的余热进行集中供热的系统，利用吸收式换热器替代传统的一次网和二次网之间的水-水换热器，可以显著降低一次网的回水温度，增加一次网的供回水温差，这样就能够使电厂余热的有效利用量扩大70%以上，从而可以取消城市热网中部分用于补热的燃煤或燃气锅炉，有效降低碳排放。
电力驱动的热泵是一种高效的热源，其一次能源效率要高于燃煤和燃气锅炉，更是远高于直接电加热采暖。常规的家用空调系统本质上也是热泵系统，只是冬夏两季把供暖的冷凝器与供冷的蒸发器调转过来而已。空气源热泵不仅可以在冬季供暖，而且还可以提供生活热水。通过近年来的研发，热泵热水器已经逐渐发展成熟，可以替代传统的燃气热水器。传统的空气源热泵已经在我国夏热冬冷气候区广泛用于冬季采暖。目前，低温空气源热泵技术的发展使我国北方的寒冷气候区也能够利用空气源热泵来供暖。2017年以来，华北地区农村的“煤改电”取得成功的案例均采用了低温空气源热泵。随着该项技术的不断发展，未来还有望在严寒气候区推广使用。
（二）建筑供冷的减碳途径
随着经济的发展，我国建筑供冷需求的能源不断增长，而这部分的需求往往难以像供暖那样容易获得大量的低品位能源，因此往往需要利用电制冷或者燃气制冷获得。通过被动式建筑设计手段降低建筑热负荷的方法往往成效显著，包括增强建筑保温、加强门窗的气密性、充分利用太阳能等，可以把建筑热负荷降到10W/m2以下。但是，降低建筑冷负荷的被动式设计方法包括遮阳、隔热、夜间自然通风等，最多只能将室内的温度控制在接近室外空气温度全天最低值的水平，无法使其降得更低。因此，单纯利用被动式建筑设计并不能在炎热的夏季保证室内人员的热舒适需求。而采用新的天然冷源的利用方式有可能获得更优的室内热环境。
在供冷季利用天然冷源，有可能把室内温度降低到低于室外空气温度全天最低值的水平。天然冷源包括较低的室外空气湿球温度、有效天空温度、地下水、深层湖水或海水等自然界的低温冷源，其特征是其温度均低于室内要求的空气温度。
例如，北京夏季室外干球温度经常超过33℃，但湿球温度却常在27℃以下。通过冷却塔充分冷却的水或者地表水的温度往往接近湿球温度的水平。北京市地下水的温度全年恒定在15℃左右，通过地埋管换热获得的水温可以在20℃以下。在传统空调系统中，这些温度水平的水往往不会被用于供冷，但如果在建筑的外墙内埋管通入冷却塔的冷却水、地表水、地埋管循环水，将有效阻隔夏季室外通过围护结构向室内的传热，降低建筑的冷负荷，甚至可以将室内温度维持在舒适水平而不需要空调供冷。
学者杨荣贵团队提出的辐射降温膜（radiative cooling film）是一种充分利用有效天空温度给建筑进行供冷的方式。这种材料对太阳辐射的反射率为0.96，对天空的长波发射率达到0.93。因此，即便是在夏季晴朗的白天，这种材料的表面对天空以长波辐射发射的热量甚至会高于所吸收的太阳辐射的热量，夜间更是只有对天空发射的热量，所以全天都处于一种为建筑供冷的状态。这种材料已经成功地应用于粮库、航站楼登机廊桥等建筑的外表面，极大地改善了内部的热环境，有效降低了空调电耗。这种材料可以应用于以供冷需求为主的建筑，以及有大面积屋面的建筑，如我国夏热冬暖气候区的建筑、南海岛礁的建筑、冰雪场馆、冷库等。（作者：朱颖心 清华大学建筑学院教授）
