分析建筑热学：框架、方法论与应用

《Carbon Neutrality》：Analytical building thermology: framework, methodology and applications

　　

建筑在2023年消耗了全球32%的能源并排放了34%的CO₂，而室内空气污染在2020年导致了超过320万人过早死亡。创建低碳健康建筑对可持续发展具有重要意义。传统热学（包括工程热力学与传热传质）基于还原论，无法从无限可能过程中识别出最小碳排放过程。为克服这些局限，本研究提出一个分析框架，命名为分析建筑热学。它在三个方面区别于传统热学：（1）基于整体论而非还原论；（2）基于最小作用量原理而非热力学第二定律，使其能应用于具有多个耦合变量（如温度、湿度、污染物浓度）的非平衡系统，这超出了传统工程热力学的范畴；（3）采用逆问题与泛函分析（从函数到数域的映射）替代传统的正问题与函数分析（从数域到数域的映射）。通过三个案例研究验证了分析建筑热学：（1）在不借助第二定律的条件下证明Otto、Diesel、Brayton和Rankine循环均为给定约束下的最大效率循环；（2）推导出可响应局部气候变化的建筑墙体理想变热物理性质函数；（3）确定了具有无限或有限传热传质面积盐溶液循环的理想质量-功循环及其性能系数（COP）：分别为41.4和4.09。结果证实分析建筑热学能够处理热-质-功转换与传递过程，为未来低碳、健康、智能建筑的最大潜力提供系统路径。

**论文解读：分析建筑热学——框架、方法论与应用**

**研究背景与问题**
建筑领域在2023年消耗了全球32%的能源并排放了34%的CO₂，同时室内空气污染在2020年导致超过320万人过早死亡。创建低碳健康建筑对可持续发展至关重要。然而，传统热学（包括工程热力学与传热传质）基于还原论，只能分析给定过程，无法从无限可能过程中识别出全局最优过程。具体局限包括：传热传质理论无法在复杂条件下确定最优过程；工程热力学（包括熵或火用分析）仅能优化准静态热-功转换，无法处理非平衡热-质-功过程；火积理论仅适用于纯热或纯质传递，不适用于耦合非平衡转换过程。此外，建筑围护结构多采用恒定热物性材料，无法充分利用气候资源；空调系统无法确定给定实际约束下的最小能耗过程。因此，需要建立新的理论框架，以系统性地实现低碳、健康、智能建筑的最大潜力。该论文发表在《Carbon Neutrality》上。

**主要技术方法**
研究人员采用整体论与逆问题-泛函分析相结合的框架，基于最小作用量原理和变分法，将能耗或碳排放作为作用量变量，通过构造拉格朗日函数并应用欧拉-拉格朗日方程求解泛函极值问题。对于复杂工程问题，采用数值离散与粒子群优化（PSO）算法进行求解。案例研究涉及热力学循环、建筑墙体热物性优化及盐溶液循环，其中气候数据来源为中国建筑热环境分析专用气象数据集。

**研究结果**
**（1）热力学循环的重新审视**
通过建立一般循环效率模型，将寻找最大效率循环转化为多变指数优化的逆问题。数值模拟表明，在各自约束下，Otto、Diesel、Brayton和Rankine循环的最大效率配置均对应绝热压缩/膨胀过程，与经典热力学结果一致，且推导仅依赖热力学第一定律和理想气体定律，无需第二定律。

**（2）主动建筑墙体理想变热物理性质**
为最小化室内供暖/制冷负荷，研究人员利用PSO算法求解墙体体积比热容和导热系数的理想函数。结果表明：理想变比热容呈方波函数，峰值接近舒适区上限；理想变导热系数呈阶跃函数，在舒适温度区内取高值，区外取最小值。在北京气候条件下，理想变比热容可实现91%的节能（对应CO₂减排10.53 kg/m²/年），理想变导热系数可实现28%的节能（对应CO₂减排3.26 kg/m²/年）。

**（3）理想质量-功循环**
类比Carnot循环，构建了包含等化学势传递和零净Gibbs自由能过程的理想质量-功循环，其效率为1-μ_L/μ_H。该循环与湿空气湿度火用的偏导数一致，验证了其正确性。

**（4）受盐溶液约束的理想质量-功循环**
在热泵驱动的逆流液体除湿系统中，考虑无限和有限传热传质面积两种情况。优化得到理想条件下系统COP为41.4（热力学完善度67%），实际条件下（有限面积及风机泵耗电）COP为4.09（热力学完善度6.65%）。盐溶液循环损失不仅来自空气-溶液入口参数不匹配和单一热泵，还包括由于温度变化导致吸收/解吸过程中化学势变化引起的构型损失。

**讨论与结论**
该研究建立了分析建筑热学框架，克服了还原论方法在解决无限维过程优化问题中的局限。理论上，该框架为复杂建筑环境中的过程优化、系统耦合与动态控制提供了统一方法。实践上，它为智能建筑的发展提供了理论基础，可指导自调节材料设计和建筑系统协调控制以实现健康与低碳目标。未来研究可扩展至具有变热/光学性质的建筑构件（如动态窗户、多层墙体）的优化，以及整个建筑环境系统（墙体、暖通空调、新风机组或空气净化器）的协同控制。
**结论部分翻译**：本研究开发了分析建筑热学框架，克服了还原论方法在解决无限维过程优化问题上的局限性。通过四个案例研究验证了其有效性：（1）在不借助热力学第二定律的情况下推导出Otto、Diesel、Brayton和Rankine循环均代表各自特定工程约束下的最大效率配置；（2）确定了墙体理想变热物理性质函数：比热容呈方波函数，导热系数呈阶跃函数。在北京，与实际墙体相比节能潜力分别为91%和28%，对应CO₂减排分别为10.53 kgCO₂/m²/年和3.26 kgCO₂/m²/年；（3）确定了理想质量-功循环，由恒定高/低化学势的质量传递过程和两个零净Gibbs自由能输入的变化学势过程组成；（4）确定了盐溶液约束下无限/有限传热传质面积时的理想循环效率。发现盐溶液损失不仅包括空气-溶液入口参数不匹配和单一热泵，还包括构型损失：吸收和解吸过程中因温度变化引起的化学势变化。理论上，该工作为复杂建筑环境中的同时过程优化、系统耦合和动态控制建立了统一框架。实践上，它为开发智能建筑提供了理论基础，使自调节材料设计和建筑系统协调控制成为可能，以实现健康与低碳目标。未来研究可将此框架扩展至优化具有变热/光学性质的建筑构件（如动态窗户、多层墙体）以及协调整个建筑环境系统（墙体、暖通空调、新风机组或空气净化器）。