联合国预测，到2050年，全球70%的人口将居住在城市。城市通过其建筑物呈现出来，而建筑物是温室气体排放的最大来源之一。例如，在新加坡，建筑物和家庭消耗了近50%的电力，因此也造成了该国相当大比例的二氧化碳排放。
与互联网一样，空调也被称为一种“变革性技术”。它改变了我们生活和工作的场所，也改变了我们生活和工作的方式。通过调节建筑内部环境，我们能够使其与室外气候相分离，从而可以在室内舒适地生活和工作。问题在于，调节室内空间需要大量能源。在新加坡，建筑所用能源中有70%用于制冷、除湿和通风。
室内空气的温度和湿度，以及室内表面的温度，共同决定室内热舒适度。传统空调使用大量冷而干燥的空气来实现热舒适。为了除湿，使空气达到舒适的湿度，需要采用这一过程中极低的温度（低至6°C）。提供如此低的温度需要大量能源。此外，空气并不是非常高效的热传输介质。因此，需要在整栋建筑内输送大量空气，这就要求铺设纵横交错的大型风管系统。在新加坡，一层楼最多有三分之一的体积用于布置风管以输送空气。这意味着，建筑物中很大一部分并非为居住者建造，而是用来容纳空调所需的技术系统。
应对持续炎热潮湿的气候
2010年，我们开始在新加坡-苏黎世联邦理工学院中心（SEC）开展研究，探索更高效地营造舒适室内气候的方法。在未来城市实验室第一阶段（Future Cities Lab Module 1），我们探索新的技术系统及其对建筑设计、施工和居住者舒适度的影响。我们带着适用于温和气候的“欧洲式”供暖和制冷理念来到这里，同时也充分意识到，新加坡的气候环境更为严苛和极端。在我们的气候中，人们习惯了冷热交替、干燥与潮湿时段交替；而新加坡的热带气候则始终炎热潮湿，这使其成为营造舒适室内空间的“最坏情况”。
我们开发的概念由三个主要部分组成。第一，将制冷（显热制冷）与除湿（潜热制冷）分开。我们不再同时使用冷而干燥的空气来完成这两项工作，而是分别处理从建筑内部带走热量，以及去除室外空气中的水分。此方法的优势在于，制冷过程约占总制冷负荷的60%，可以采用远高于除湿所需的温度（最高18°C）来实现；因此，将这两项功能分开可以减少所需电量。采用此方法的前提是改变空间除热方式。传统系统使用所谓的对流传热，即通过循环空气传热。我们的方法则着重采用辐射传热，通过大面积冷表面实现，从而可以在高得多的温度下制冷。然而，采用这一技术的挑战在于，必须避免大量炎热潮湿的空气接触较冷表面时可能发生的冷凝。
第二个部分是使用水而非空气传输热量。水的热传输能力远高于空气，因此可以使用更小、且易于整合进建筑结构的管道。用于遮蔽技术系统的大面积吊顶和架空地板不再必要，从而可以节省空间和体积。
第三个部分是使用小型分散式通风设备，而非中央通风设备[1]。这些小型设备通过外墙输送保障室内空气质量所需的空气，并在此过程中对空气除湿，再将空气送入设备所在的房间。这样就无需在整栋建筑内进行空气分配，再次节省空间和体积。此外，例如可以将设备整合进外墙或地板，以进一步节省空间。
释放空间和体积
这三项措施都使服务系统能够与建筑构件更紧密地交织整合，从而释放空间和体积。它们也为室内空间和立面的不同设计方法带来了有趣的潜力。因此，新加坡典型建筑楼层的体积最多可节省三分之一。项目因此得名“3-for-2”[2]：未来，在传统建筑两层所占用的体积内，可以建造三层。
传统建筑设计（左）与“3for2”建筑概念（右）的比较；该概念使建筑开发商能够在标准的两层空间内建造三层，而不影响人们感知到的楼层净高。（插图：SEC FCL / 苏黎世联邦理工学院）
我们通过模拟，将这一方法与新加坡一栋标准“绿色建筑”进行了比较。我们发现，“3-for-2”不仅可增加20%的办公空间，还可减少40%的能源使用量和16%的建筑材料用量。
考虑到新加坡办公空间的高租金，这一方法开启了全新的经济机遇。突然之间，“绿色建筑”不再意味着成本更高，而是回报更高，因此商业开发商也应参与其中。建筑越大，杠杆效应越大——这使该概念在高密度城市环境中尤其具有吸引力。
在真实环境中测试
为了研究和测试这一方法及其技术组件，我们建造了一座可移动实验室BubbleZERO[3]。作为新加坡未来城市实验室的一部分，它曾安装并运行数年。令人鼓舞的研究结果促使我们迈出下一步：将规模扩大到日常使用的空间，也就是把这一概念从实验室规模转化为实际应用。
自2014年2月起，3-for-2概念首次应用于新加坡世界联合学院（UWC）校园内一栋正在建造的新楼。通过与业界合作，这项设于500 m2办公空间的安装工作将从2015年秋季起，在真实环境中测试和优化系统。这项应用为研究和测试能源性能，以及评估居住者的热舒适度和接受程度，提供了独特机会[4]。
本文由我们与 苏黎世联邦理工学院合作发布。本文的发表并不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Arno Schlüter是苏黎世联邦理工学院建筑与可持续建筑技术（SuAT）教授。
图片：一名男孩触摸一面45米长、被彩色光束照亮的墙。路透社/中国日报。
