为了实现碳中和目标，降低建筑用能需求是首位的，只有尽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来覆盖这部分用能需求。被动式节能建筑设计方法仍然是必须坚持的方法，高水平的被动式低碳建筑设计需要建筑师与暖通空调工程师的密切配合。除此以外，新型的暖通空调系统将成为新的发展方向。
1902年，美国工程师威利斯·开利发明的世界上第一台空调系统是为了解决纽约布鲁克林的一家印刷厂的湿度控制问题而研发的，这是典型的工艺性空调原型：全空间全时间恒温恒湿。而在此之后，空调技术进入到舒适性应用领域，为人类创造舒适的室内环境。在120多年的发展过程中，人们一直探讨什么样的室内环境是舒适的。1970年丹麦技术大学的方格（P. O. Fanger）教授提出的热舒适指标评价PMV（Predicted Mean Vote）迄今为止依然为ISO国际标准以及世界各国的室内环境设计标准所采纳。PMV是一个以温度、湿度、辐射、流速、代谢率、服装热阻作为自变量的函数，是在人工气候室内营造的稳态均匀热环境中通过大量的受试者实验得出的统计平均值，可以反映稳态均匀热环境中的群体热感觉。但在实际的非均匀、非稳态热环境中应用会出现较大偏差，在判断特定个人热需求时也存在较大偏差。在实际生活中，往往在同一个环境中同时存在有人嫌冷、有人嫌热的情况，这种现象是由于人体的个体化差异造成的，是无法消除的自然现象。在传统的空调设计中往往追求全空间的热环境均匀稳定，尽可能地接近PMV=0。尽管越稳定的热环境消耗的能源越多，但却无法提高满意率，其原因就在于人体与生俱来的个体化差异。针对这种现象，近年来出现了以下两种新兴的研究热点与技术发展趋势。
（一）个性化热舒适系统PCS（Personal Comfort System）
传统的空调系统提供的冷量或者热量，绝大部分都消耗在空气或室内表面这些中间传热媒介上，而真正作用于人体的能量占比很小，从满足人员舒适性需求这一视角来看，是能源消耗较大的方式。而PCS旨在为人员提供个体尺度的“精准热服务”，将冷量或热量直接提供给人体，从而可以放宽对背景环境的要求。当同一空间内有多人存在、空调设备无法满足需求差异的时候，可以由空调设备营造一个较为宽松的背景热环境，各人通过PCS营造自己需要的热环境。目前，PCS已被认为是降低空调能耗并同时提高人员舒适度的有效手段。
实际上PCS自古以来即有之，例如，我国南方广泛使用的电热毯和曾经广泛使用的“火桶”、日本的暖桌（Kotatsu）等都是个体化采暖设备。目前国际学术界已经有一批实验室原型的PCS，包括个体送风设备、加热/降温座椅、加热/降温服、暖脚/暖腿器等。清华大学团队研发的接触式降温座椅在环境空气温度为30℃时，椅背和坐垫表面温度维持在26℃就可以使受试者感到全身热中性（即不冷不热）[4]；采用相变温度为27℃的相变材料制作的马甲在环境空气温度为30℃时可以维持受试者的热中性[5]。这些与人体直接接触型PCS的特点是可以利用26～27℃的高温冷源。同样，利用石墨烯电加热小腿的暖腿器，就可以使人在15℃左右的室内热环境下感到全身热中性。
现场调研获得的能耗数据表明，北京办公建筑一个夏季的空调电耗约为 40 kWh/m2。如果使用接触式冷却座椅，每个冷却座椅的功率为3W，空调背景温度设定值为30℃，由于减少了空调开启小时数和冷负荷，整个夏季耗冷量下降77%，则夏季供冷总电耗可降到 9.7 kWh/m2。
以一个北京市20 平方米个人办公室为实际案例，冬季日间晴好天气时室温可达到15℃，采用暖腿器，一冬天如果在室内800小时，总电耗为3.7 kWh/m2，而且头凉脚暖的热感觉能获得更高的热舒适感。如果采用平均能效比COP=4的热泵为该办公室的全空间供暖，温度达到20℃，则耗电量至少要达到12.5 kWh/m2。既然PCS具有如此明显的优势，那有什么因素妨碍其研究和应用进度呢？其实这种微型化的热环境控制技术的发展面临比传统的全空间空调技术更难逾越的困难，其中最大的障碍是缺乏成熟的微环境调节技术。
尽管安全的局部电加热技术已经很成熟了，但在哪个部位加热？温度控制在多少？应该连续加热还是间歇加热？应该恒温加热还是变温加热？如何实现可穿戴加热PCS的耗电量最低、电池续航时间最长？这些都是值得研究的问题，但主要是针对需求侧的。实现局部“微致冷”技术则是更大的困难。需要发展出一种新型的制冷设备，热流量只需要70W/ m2 以下，冷表面温度维持在26～27℃，从而把人体的产热传递到30℃的环境空气中。如果能够研制出这种小温差、小热流的“微致冷”设备，从理论上来说，其能效比应该远高于现在常用的大温差、大热流的空调制冷设备。目前有可能实现这个目标的“微致冷”技术均与新材料的研发有关，但还存在能效太低、表面温度太低，或者仍未能商用的问题，需要投入很大的努力来开展研究。另外，还必须研究人体局部降温的安全健康温度下限，这一点与加热的PCS有很大的区别。
因此，要解决PCS设备的问题，还需要与生理学、心理学、新材料、新能源等领域进行跨学科合作才能达到目标。
（二）基于人工智能的室内环境控制
未来的空调系统应该为室内人员提供“精准热服务”，部分个性化热环境调节设施还会贴近人体提供冷热量以满足热舒适要求。绝大多数使用者并非热环境专家，尽管人们能说出自己感到冷还是热，却并不能精准知道自己真正需要的是什么样的热湿环境，也不知道应该怎么去调节。在这种情况下，如何正确识别个体需求是非常重要的。目前这个方面的研究正处于起步阶段。现在市场上有很多智能家居的产品，虽然看上去似乎功能很完备，但实际上很多功能不切实际，并不符合居住者的真实需求。而且由于传感器布置的局限性，并不能反映各人员活动区的真实状况。此外，因为缺乏人体热舒适理论的支持，以追求恒温恒湿为目标，并不能满足差异化的居住者个性需求。
基于人工智能的室内环境控制，首先，应该能够识别人员的活动区域，从而为该活动区域提供适宜的热湿环境、空气质量、光环境和声环境。其次，应该能够根据该区域特定使用者的习惯，通过数据驱动的识别模型以及自学习方法，了解特定使用者的行为特征以及实时需求，从而为其营造适宜的室内环境。
对于室内人员行为特征的识别内容包括：移动空间还是逗留空间、有/无感知控制力、行为类型（工作、学习、锻炼、休闲）、需求（舒适、工效、健康、睡眠质量）、人群生理特点（性别、儿童、老人、体质）等。识别对象包括生理参数、表情、姿态、语言、着装等。例如，通过数字视觉技术识别皮温来了解室内人员的热感觉，被认为是一种较为可靠的判断指标，从而可以驱动空调设备为其进行环境调节。因为同一个人在静坐工作时与做家务劳动时的活动强度不同，所需要的热环境也不同，所以通过姿态来识别使用者的热需求也是一种可行的方法。人在睡眠时，在不同的睡眠分期中体温和其他生理状态都有不同的变化，对保障睡眠质量的热环境也有特定的需求，但人在睡眠时是无法自己调节空调设备的。儿童、老人、青年人对热环境的需求也有很大的不同，所以一家人中每一个人都会有自己特定的热需求。因此，个体需求识别是实现AI驱动个性化室内环境控制的关键性基础研究内容，需要投入很大的精力开展研究。
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。很多低碳低能耗且又能够提高室内环境质量的新技术发展需要相关的科研人员、工程技术人员以及产业界能够面向一些科学基础问题和应用技术进行联合科技攻关，其中的难点往往需要跨学科的合作，集成信息技术、材料科学、人工智能、生命科学、医疗卫生等领域的新成果，才能保障建筑领域的碳中和目标的实现，同时有效推进该领域的科技进步与产业的升级，以创新求得更大的发展。（作者：朱颖心 清华大学建筑学院教授）
