如何构建健康舒适、节能低碳的建筑空气环境

　　空气、水和食物是维持人生命的三要素，一般成人三者日摄入量分别约为15、2和2.3kg，而且人80%以上时间在室内度过。因此，室内空气环境质量对人的健康、舒适和工作效率有重要影响。采用节能低碳方式营造健康舒适的室内空气环境是“健康中国”与“双碳目标”国家战略的重要内容。

　　传统的建筑空气环境研究范式存在以下不足：人的热舒适状况主要基于热环境参数测试，人的健康状况主要基于患病率调研；空气环境监测参数在种类、时空分布上非常有限；传统室内空气热质过程优化方法难以解决室内湿和多种污染物的非平衡态热-质-功的复杂过程。为此，室内空气环境领域的一些重要基础科学问题难以破解，譬如室内空气环境对人健康、舒适和工效的关键影响因素及影响机理，室内空气环境达到目标状态的理想热质过程确定方法及实现途径。

　　该文首先回顾了室内空气环境的科学认知与现代技术发展历史，并从我国建筑室内冬季采暖、室外大气污染、室内装修污染、农村固体燃料污染、室内空气质量标准和新冠疫情等方面探讨了室内空气环境营造的挑战与机遇。其次，指出了室内环境热舒适领域和室内空气质量领域亟待解决的社会需求问题、现有理论局限和行业分割问题。提出“以应用带基础、以全局统局部、以交叉促创新，以合作求发展”理念，采用现代监测和大数据技术，破解室内空气环境与人的关系这一基础科学问题，避免“盲人摸象”式片面性认知。在此基础上，提出建立室内空气环境人因工程学，其具体内涵和实现途径为：

　　（1）医工结合、从“源”到“人”。室内空气质量控制涉及工程科学和医学，两者在过程特性、关注参数和数学基础方面差异显著。顺着污染物从源传递到人体的过程，描述参数依次为工程科学采用的“浓度”、连接工程科学和医学的暴露科学采用的“剂量”即浓度对暴露时间的积分量、医学采用的“生物标志物水平”和“疾病程度”。其中，工程科学描述的过程一般为确定性过程，常用数理方程描述；医学描述的过程一般为非确定性过程，常用概率论和统计学描述。只有工程科学和医学的良好合作，才能很好解决建筑环境的健康舒适问题，犹如两者握手，才能形成H，即Health的大写首字母。

　　图1室内空气污染从源到人的全过程一览

　　（2）现代科技、深化认知。充分利用现代环境和人生理与心理状况实时监测技术及大数据分析理论，揭示室内空气环境要素对人的影响程度和影响机制，并以此作为室内环境的控制基础。

　　（3）范式变革、突破局限。建筑室内空气环境营造和运维的本质是热量和质量的传递及其相伴的能量转换，涉及的热学理论有传热传质学和工程热力学。借助于分析力学的思路和方法，可以构建建筑环境分析热质学，它可克服传统热学理论一般采用正问题方法“由因求果”的局限；分析热质学采用反问题方法“由果索因”，求整体性能对局部的要求。通过认知室内空气环境对人的影响规律和机理的基础上，获得人预期空气环境参数范围，以控制代价为“作用量”，提供作用量最小原理，可确定理想热质过程。这种理念和方法构成了室内空气环境人因工程学的核心内容，包括室内空气环境人因学和建筑环境分析热质学两部分。

　　图2传统方法局限及建筑空气环境人因工程学特点一览

　　（4）概念拓展、领域贯通。室内环境人因工程学的主要任务就是把室内环境从某个状态处理到一个人们期望或预设的状态，并满足代价（往往为能耗或费用）最小的原则。参照建筑节能核心概念“性能因子（coefficient of performance，COP；简称能效比）”，提出了“健康收益因子（coefficient of health-benefit，COH；简称健效比）”和“经济效益因子（coefficient of economy-benefit，COE；简称经效比）；借鉴分析力学最小作用量原理，提出以COE为作用量，确定健康舒适、节能低碳建筑环境理想热质过程，打破了以往不同领域间的壁垒，实现了领域间的贯通。此思路还可助力构建考虑室内空气环境、声环境、光环境领域的贯通，构建建筑环境人因工程学。

　　概言之，“健康中国”和“双碳目标”国家战略对建筑环境领域研究者应对严峻挑战带来了难得机遇，该文作者基于近年来的科研实践和思考，提出构建室内空气环境人因工程学的思路和方法：用环境和人多种参数实时监测数据深化人与环境关系的认知，用基于全局统局部的分析热质学方法确定理想热质过程，用能效比、健效比和经效比及最小作用量原理实现不同领域间的贯通优化。该文旨在引发相关领域研究者的研发兴趣，为营造健康舒适、低碳节能的建筑空气环境乃至建筑环境做出努力。

本文来自《科学通报》 

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