真正凉爽的屋顶：突破性材料如何在变暖的世界中挽救生命、碳和金钱

林赛·拉斯穆森 （Lindsay Rasmussen） 和鲁沙德·纳纳瓦蒂 （Rushad Nanavatty）

从现在到 2030 年，被动式日间辐射冷却 （PDRC） 材料在非正式（自建）定居点和低收入住房中以凉爽屋顶的形式大规模部署，可以挽救 317,000 人的生命和超过 6800 万吨二氧化碳当量 （tCO2e） 的冷却相关排放。

随着今年北半球炎热的夏天即将结束，我们不能让它从人们的视野中消失。由于 2024 年夏天以及之后的每个夏天都有可能变得更糟，我们现在需要在冷却技术和解决方案方面取得真正的进展。

在 Third Derivative 和 RMI，我们对一类提供 被动日间辐射冷却 （PDRC） 效果的先进材料感到特别兴奋，这些材料可以大大降低室内温度，以及它们潜在的救生和减排优势。

仅在印度，PDRC 材料就以凉爽屋顶的形式在非正式（自建）定居点和低收入住房中大规模部署，从现在到 2030 年，可以挽救 317,000 人的生命和超过 6800 万吨二氧化碳当量 （tCO2e） 的冷却相关排放——如果扩展到其他国家，则要多得多。

利害攸关

如果不采取协调一致的行动，全球 83 亿人（占预计全球人口的 74%）将暴露在致命的高温条件下（当体核温度超过 37°C 时，环境空气温度和湿度超过生存阈值的一年中超过 20 天），高于目前的 30%。其中绝大多数将位于低收入国家，仅在印度就有 11 亿人。即使大幅减少排放，全球 48% 的人口也将面临风险。

在世界上许多最热的国家/地区，大多数人没有空调，也没有能力逃离危及生命的高温。 其中许多死亡将发生在非正规或自建的定居点，全球有超过 10 亿人居住。研究发现，这些社区的室内气温中位数比室外高 3.6°C （6.6°F）。这些定居点常用的波纹锡和石棉板屋顶与室内热应力期明显更长和更严重有关。

停电使问题变得更糟。电力需求通常在热浪期间达到顶峰，因为人们需要越来越多的机械冷却来保持舒适。电网的这种压力可能导致停电—— 如果在热浪期间发生停电，与高温相关的死亡风险会增加一倍以上。

与此同时，随着世界变暖、收入增加和国家城市化，对机械冷却的爆炸式需求将加剧全球变暖。在一切照旧的情况下，到 2050 年，住宅空调可能消耗 7,700 太瓦时 （TWh） 的电力，占 1600 亿吨二氧化碳当量的比重。从长远来看，这比美国历史上最大的气候立法《通货膨胀削减法案》预计到 2050 年减排量高出三倍多。

被动冷却的重要性

我们中的许多人首先想到的是“主动”冷却——当天气对我们来说太热时打开空调或风扇。相比之下，“被动”冷却解决方案不需要持续的能量输入。其中包括一系列建筑设计和材料解决方案，包括遮阳结构、厚墙和天花板（热质量）、自然通风和凉爽屋顶。

这些被动措施很重要，原因有三。第一，它们可以抵消与主动冷却相关的一些大规模气候污染。第二，它们通常比空调更实惠。第三，即使电力系统不工作，它们也能正常工作——在我们许多热压力最严重的国家/地区，电力供应不可靠且热浪导致电网故障的情况下尤为重要。

这些先进材料有什么令人兴奋的地方？（我们不是已经有凉爽的屋顶了吗？

凉爽的屋顶通常采用反光涂料或涂层的形式，它可以将屋顶表面温度降低 12-31°C （22-55°F），转化为室内空气温度降低 2°C 至 4°C （4-7°F）。对于在设计不佳或隔热不良的建筑物中生活或工作的人来说，这是一个重大的——甚至可能挽救生命的——差异，因为那里的内部温度通常高于外部温度。其他好处包括降低能源成本、降低社区温度、改善空气质量和延长屋顶的使用寿命。

凉爽的屋顶也很便宜;在印度，粉刷一个典型的非正式定居点屋顶的起价仅为 30 美元（相比之下，最便宜的家用空调的前期价格约为 365 美元，从现在到 2030 年，业主将花费 881 美元的前期和运营成本）。冷屋顶应用还通过减少高温引起的翘曲和开裂并提供更多防潮保护来延长屋顶的使用寿命。

认识到它们的潜在影响，有许多计划和政策——如百万冷屋顶挑战赛、印度 Mahila 住房信托基金的努力，以及包括纽约、休斯顿、丹佛和芝加哥在内的几个美国城市的冷屋顶授权——致力于大规模部署这些解决方案。然而，尽管做出了这些努力，大规模采用仍然难以捉摸。最大的项目总共导致不到 300,000 个冷屋顶安装，而估计全球需求至少为 2 亿个。

当解决方案看起来如此便宜和有效时，为什么大规模采用仍然遥不可及？挑战有很多——难以量化且经常被忽视的好处、缺乏资金、承包商之间缺乏熟悉度和风险规避、耐久性问题、冬季供暖惩罚（您希望在寒冷时获得热量增加）——但有一个挑战是根本性的：没有足够多的家庭看到其价值。凉爽的屋顶可能会降低室内温度，但与 36°C （96°F） 相比，32°C （90°F） 仍然让人感觉很痛苦——那么为什么要花钱或费心粉刷屋顶呢？

这就是 PDRC 解决方案凭借其更强大的效果可以帮助推动我们所需的速度和规模的地方。它们提供被动冷却，就像普通的凉爽屋顶一样，但由于其独特的物理特性，它的作用要多得多。

要了解 PDRC 材料的工作原理，了解热能传递的方法会很有帮助。我们可以通过观察许多城市环境中的表面，甚至人体来思考这一点，这些表面以几种不同的方式升温和降温：

• 传导：通过直接接触传热。当我们触摸热或冷的东西时，就会发生这种情况。
• 对流和蒸发：分别通过空气流动和水分进行热传递。当我们打开风扇或在炎热的天气里感受到凉爽微风的解脱时，我们会体验到这一点。对流的（汗液）蒸发有助于加速这种冷却过程。

• 辐射：通过电磁波传递热量。这是你脸上的阳光，站在阳光下和阴凉处的温差中可以感觉到。

您还可以在此处观看精彩的解说视频。

在 PDRC 解决方案中，辐射是关键的传热方法，使这些产品能够远远超越传统冷屋顶的能力。大多数冷屋顶使用具有高反射率的产品，将太阳电磁辐射光谱的可见部分反弹回来。另一方面，PDRC 解决方案使用具有高反射性和高发射性的材料;它们利用长波红外热辐射释放的热量多于吸收的热量。 分解首字母缩略词：

• 被动：自行发生，无需能量输入
• 白天：冷却可以在白天进行，因为冷却效果大于单独来自阳光的热量增益
• 辐射：基于表面（热）和外层空间（非常非常冷）之间的较大温差，通过电磁波或可见和不可见光波，将多余的热量通过大气透明窗口传递到外太空。将此视为两个位置之间的热桥，将暖与冷推。
• 冷却！

这意味着 PDRC 解决方案即使在阳光直射下也能散热，并且可以将表面温度降低到等于或低于室外环境温度。它们几乎看起来很神奇，但违反直觉的特性意味着 PDRC 材料放在室外阳光下比放在阴凉处更凉爽。

当环境空气温度为 （100°F） 时，许多非正式定居点的典型金属板或石棉屋顶在阳光直射下可加热到 88°C （190°F）。PDRC 解决方案可以将屋顶表面温度降低到等于或低于环境温度——潜在的 30°C-50°C （54°C-90°F） 差异。这可以转化为在 炎热的天气里，室内温度低 5°C-10°C （9°F-18°F）。

PDRC 解决方案已以多种形式开发，包括涂料（Purdue 的超白涂料是最近成为新闻的 PDRC 解决方案）、薄膜、织物、纤维素超细纤维、多孔结构（如脱木素木材）和气凝胶。虽然我们专注于非正规和低收入住房的屋顶涂料，但 PDRC 织物解决方案（如帐篷）可以极大地造福非正规住区和紧急或难民住房的人们。商业和工业屋顶上的 PDRC 产品还可以显着节省健康、能源和排放。

PDRC 解决方案能产生什么影响？

我们的分析表明，仅在印度就有超过 4 亿人认为 PDRC 解决方案可能是一个关键的健康和生活质量解决方案。这些人是生活在非正式或自建定居点的人，以及住在单户住宅中的低收入居民。由于树木覆盖率和树荫较少，建筑质量较差，以及沥青和混凝土等吸热材料比例较高，这些社区往往比邻近的较富裕地区炎热得多。

从现在到 2030 年，在该人群中大规模采用 PDRC 可以防止 317,000 例与高温相关的死亡。从长远来看，这大约相当于 整个世卫组织东南亚区域（包括包括印度在内的 11 个国家和近 20 亿人）COVID-19 疫苗挽救的生命的十分之一。

它还可以防止 73 万亿个劳动时间（价值 220 亿美元的直接收入）的损失。对于普通的低收入受益人家庭来说，这意味着到 2030 年将增加 136 个劳动小时，相当于家庭年收入的 7%（3,500 印度卢比）。

这首先假设快速部署;从 2024 年目标人群中 PDRC 市场渗透率的 3% 上升到 2030 年的 60%。这可能只有通过政府的大力推动以及与私营和慈善部门的密切合作才能实现。

估计与高温相关的死亡率很棘手，原因有很多：与高温相关的死亡率研究往往集中在居民居住在更高质量住房中的发达国家;对热应激指标的假设通常基于健康人群而不是脆弱人群;虽然目前还没有足够的数据来了解热浪期间的室内热环境，尤其是对于非正式和弱势群体。

这些问题因其他数据空白而进一步加剧，这些空白使与高温相关的死亡率在很大程度上被低估了。 与高温相关的疾病经常被误诊，并且数据没有得到一致的分析（印度每年归因于高温的死亡率为 7.3%，这意味着 2023 年大约有 800,000 人因高温而死亡）。

实地实况调查和与公共卫生专家的磋商对于验证这些假设至关重要，因为关于高温及其对印度非正规住区影响的数据有限（但不断增长）。

我们的估计（到 2030 年防止 317,000 人死亡的潜力）依赖于研究结果，这些研究结果表明，传统的凉爽屋顶可以抵消热浪期间 25% 的高温相关死亡率。我们估计 PDRC 屋顶减少 50% 是合理的，因为这些材料的效率是传统冷屋顶的两倍，非正式住区的房屋建筑质量要低得多，而且印度评估的人群特别脆弱。

快速部署 PDRC 解决方案还将节省 80 TWh 的冷却相关能耗，并通过减少对空调的使用和冷却相关能耗的需求，避免超过 6800 万 tCO 2 e 的冷却相关排放。仅在 2030 年，每年就节省了 27 TWh 的能源，占印度 UJALA 计划实现的年度节能量的 63%，该计划被誉为世界上最雄心勃勃和最具影响力的能源效率计划之一。UJALA 在印度将近 3.7 亿个灯泡换成了 LED，每年减少了约 3800 万吨二氧化碳当量的排放。

我们估计，目前该目标人群中有 5% 患有 AC，与印度整体低收入人口的比例相同，到 2030 年，这一比例将上升到 20%。我们还假设 PDRC 屋顶可以将非正规和低收入单户住宅的建筑能源需求减少 40%。研究发现，凉爽的屋顶可以直接节省 20-70% 的能源，这主要取决于建筑结构、使用类型和气候。

那么，我们如何让这一切发生，而且要快呢？

尽管 PDRC 解决方案研发发展迅速，但大多数解决方案尚未超出实验室规模。虽然 PDRC 解决方案的性能已在小型测试项目中得到验证，但在实际住房条件下更大规模地验证这种性能至关重要。PDRC 解决方案需要满足几个关键标准才能具有竞争力：可负担性、可靠的供应链和正确的部署模式。

由于 PDRC 解决方案尚未大规模生产，因此它们不受“学习率”的影响，并且单位成本比市售的冷屋顶涂料高得多。也就是说，由于主要输入（如石英和二氧化钛）很便宜，而且制造过程相对简单，因此 PDRC 解决方案的学习率可能会很高，很快就会使它们与普通涂料处于同一范围。

确保这些产品的隐含碳（材料采购和产品制造的排放）和更广泛的环境足迹尽可能小也很重要。与许多产品一样，可以使用一系列输入材料，具有不同的碳影响（碳含量最高的聚合物选项的碳影响约为碳含量最低的聚合物选项的 70 倍）。

我们需要更多的研究来展示如何以环境可持续和对社会负责的方式获取这些投入，以及制造过程是高效的和可再生的。

自愿碳市场可以在支付这些解决方案的第一笔成本并提高低收入家庭的负担能力方面发挥关键作用——特别是如果他们能够开发包括碳减排以外的属性（即健康影响）的“叠加”信用。

在 Third Derivative 和 RMI，我们的目标是探索如何将 PDRC 解决方案推向市场并扩大规模，包括：

1. 在实际条件下测试领先产品。
2. 在 PDRC 开发商和能够大规模生产的领先涂料制造商之间建立合作伙伴关系。
3. 建立一个联盟——由政府领导，但包括公司和慈善机构——做出先进的市场承诺，保证以一定的价格获得一定的承购量，前提是产品通过了某些测试。
4. 将产品分发给在弱势社区部署解决方案的良好记录的基层机构（例如，印度的 Mahila Housing Trust 和 Barefoot College、孟加拉国的 BRAC）。
5. 与碳信用公司合作开发一种“堆叠”产品，该产品可能会为实施组织创造重要的收入来源，使他们能够按每户或每平方英尺获得部署费用。

这将是一项复杂的、多方利益相关者的工作，需要仔细、稳健的规划。它还需要真正的领导——尤其是政府的领导。但潜在的气候和健康影响将证明这一努力是合理的。我们没有时间可以浪费;2023 年夏天是一个警钟——也是发令枪。