在极端高温下赢得材料竞赛的技术——以及它们为何需要规模化推广

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  • 随着极端高温的影响预计将加剧,答案不是增加空调,而是建造具有热韧性的建筑。

  • 前沿的被动降温技术与主动能源管理系统相结合,有助于减少建成环境中的热暴露。

  • 耐久性、实际运营以及建立可验证的市场,将决定被动降温材料能否有效实现规模化推广。

在极端高温下,城市中的一天正变得越来越熟悉:学校的顶层到下午中段便令人难以忍受,户外工作者放慢速度或停止作业,急诊室人满为患,而数以百万计的空调同时开启,给电力系统带来压力。一些家庭得以保持安全。另一些家庭,往往是老年人或低收入家庭,则在从未为极端高温而设计的建筑中忍受着危险的室内温度。

热浪已经造成大规模人员伤亡,并拖累经济发展。世界卫生组织引用的研究估计,每年约489,000人死于与高温相关的原因(2000至2019年)。国际劳工组织预测,到2030年,热应激可能使全球工作时数减少2.2%,相当于8000万个全职工作岗位。

全球气温上升对经济产生了深远影响。Image: Gui Ferraz/BCG

本能的应对之道是增加降温。联合国环境规划署的《全球制冷观察》发现,在一切照旧的情景下,到2050年全球制冷需求可能增长两倍以上。国际能源署指出,在用住宅空调机组已于2000年以来增长了两倍增长了两倍,到2022年超过15亿台,从而推高了高峰需求并增加了停电风险。但在极端高温下,“增加空调”往往意味着要冷却巨大的空气体量,这既昂贵又耗能,并给城市居民造成一个“死循环”:空调增加带来的废热会加剧城市热岛效应,而这反过来又导致需要更多空调。

热韧性“技术栈”试图在热影响发生之处减少热量,长期验证这种减少效果,并在效果不足时采取行动。它由两个相互依存的层级组成:被动层,即先进材料在不消耗能源的情况下反射并散发热量;以及主动层,即建筑管理系统监测室内状况、实时调节降温,并生成被动层所需的性能数据,使其变得可验证且可融资。

热韧性技术栈无需额外空调,即可助力打造具有热韧性的建筑。Image: Gui Ferraz/BCG

在被动层,新材料正在推动被动降温的边界:

  • 日间辐射降温表面经过工程设计,可反射阳光,同时通过大气“窗口”向寒冷的太空散发热量,即使在近期示范项目中的直射阳光下,也能实现低于环境空气温度的降温。

  • 冷墙技术可反射可见光和红外光谱中的太阳能。

  • 相变材料在墙体和天花板内充当热电池,在用电高峰时段吸收热量,并在气温下降时释放热量。

在主动层,建筑能源管理系统实时监测室内温度、入住情况和电网负荷,持续调节暖通空调系统,并在房间层面呈现热应激状况。在斯德哥尔摩的学校建筑中,人工智能驱动的暖通空调管理将高峰降温需求降低了20%以上,同时通过持续监测和实时负荷调节保持室内舒适度。

私营部门的发展在两个层面都在加速:在被动层面,有SkyCool Systems、i2Cool和Tex-Cote等材料专家;在主动层面,有丹佛斯、特灵、江森自控、施耐德电气和西门子等暖通空调及建筑控制企业。

人工智能如何帮助建筑物实现自主供暖和制冷
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使热韧性技术栈实现规模化

仅靠实验室性能不足以使任一层实现规模化。真正推动规模化的因素更为简单:城市和建筑业主需要相信这些解决方案在实际应用中有效,才愿意再次购买。

首先,两个层级都必须在安装后保持其性能。一些“凉爽”表面会因积尘、潮湿、紫外线和磨损而失效。这正是诸如冷屋顶评级委员会(Cool Roof Rating Council)等评级体系存在的原因,这些体系展示了冷屋顶和冷墙等材料老化后的评级数据。对于购买者和为项目融资的机构而言,实际的检验标准很简单:在我所处的气候条件下,经过一个季节之后,降温效果是否依然保持,还是仅在第一天有效?

其次,运营决定防护能否持久。学校的冷屋顶确有帮助,但当缺乏维护、通风管理不善或电网无法满足高峰需求时,学校的能源系统和运营仍可能失效。只有当业主拥有清晰的操作指南,明确应监测什么、如何监测,以及当状况恶化时应采取什么措施,材料技术才能发挥作用;热韧性“技术栈”的设置应能提供这些答案。

第三,主要的市场失灵在于,“安全的室内温度”仍然难以定价。效益由租户、业主、公用事业公司、保险公司和医疗保健系统共同分摊。与此同时,LEED等自愿性标识在提升建筑能效、用水、室内空气质量和可持续材料的基准方面发挥了很大作用,并向符合既定标准的业主和开发商授予认证。但它们并不总是能转化或优先考虑建筑的“热浪性能”。

因此,切实可行的解决方案是一个可随之流转的“证明包”:提供简单、可比较的证据,使被动降温材料成为可融资、可重复的建筑升级项目。来自受管理建筑的证据表明,房间级温度传感器、人工智能辅助暖通空调控制以及既定维护规程相结合,能够在各个季节中可靠地维持性能,使一次性安装转变为可衡量、可重复的成果。要将实测性能转化为可融资的成果,还需要一套尚未大规模存在的共享报告标准;将建筑能源管理系统(BMS/EMS)不仅在调试阶段,而且在持续运行中纳入回路,可以将需求削减从一次性快照转变为实时运营指标。

世界经济论坛在推动城市可持续发展方面做了哪些工作?

城市造成了全球75%的温室气体排放,并居住着全球一半以上的人口——到2050年,这一比例将增至三分之二。通过优先发展清洁能源,城市可以贡献将全球变暖控制在2°C以内所需减排量的一半以上,这与《巴黎协定》的目标相一致。

为在2050年前实现净零和自然正向的城市与社区,世界经济论坛正与公共和私营部门的利益相关方合作,开展通过地方行动推动全球目标的各项倡议。以下仅列举其中几项:

  • 达沃斯建成文化联盟(Davos Baukultur Alliance):推进建筑、基础设施和公共空间的高质量规划、建设与管理,以建成环境中的气候韧性、可持续性和循环性为原则。了解更多。

  • 全球新出行联盟(Global New Mobility Coalition):探索减少拥堵和排放的新方案,完善电动汽车基础设施,并变革城市出行与配送方式。了解更多。

  • 城市创新联盟(Alliance for Urban Innovation):连接创新者和企业家与新市场及新机遇,以重新构想和重塑生活质量与地方经济。了解更多。

  • G20全球智慧城市联盟(G20 Global Smart Cities Alliance):加快推进智能、务实的解决方案,以构建气候韧性、提升公众福祉,并应对城市和地方社区面临的最紧迫挑战。了解更多。

  • 旅行与旅游业的未来(Future of Travel and Tourism):推动包容性和可持续的经济增长,同时保护文化遗产并保护自然生态系统。了解更多..

了解您如何能够参与我们为打造更可持续、更宜居的城市与社区所做的努力。请通过以下方式联系我们 此处。

对于公用事业公司、公共资产所有者和大型房地产企业而言,思维转变在于将被动降温视为需求侧的韧性资源:不仅关注“是否能降温?”,更要关注“在电网压力最大时,它能削减多少千瓦的负荷?”一旦这一点得到衡量,激励措施、融资和组合推广便更容易获得论证。论坛的“是/城市”倡议正可在此发挥作用:通过发布可比较的结果和跨多个城市的运营指南,使证据更快地流转。

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