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卡塔尔世界杯:户外装空调是“有钱任性”?事情没这么简单!

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四年一次的足球世界杯正在中东国家卡塔尔火热举行。

不同以往,这次说“火热”不只是对紧张的赛事本身的形容,也是对赛事举办地炎热气候的客观描述。

卡塔尔属于热带沙漠气候,全年只分为夏、冬两季。

这里夏季气温高达 43℃,完全不适合举办足球比赛,所以第 22 届世界杯才破天荒地挪到冬天举办。

可即使在冬季,也就是现在,这里每天的最高气温也超过 30℃。

图片来源:网络

为了让体育场内保持舒适的温度,免得运动员、观众在这“火热”里中暑,主办方采取了“豪横”的降温方式——“吹空调”。

这事乍听之下估计非常费电,非常不环保,不过,先别急着下定论。要知道,为了节能、舒适地“吹空调”,那里的人们可是下过一番苦功夫。

01

从外观考虑降温

为了迎接 2022 年世界杯,卡塔尔全国上下一共动用了 8 座大型体育场,其中有 7 座为新建,1 座为翻新。

除了一座靠近海边的球场可以利用自然通风,不需要制冷以外,其余球场都安装了空调系统。

这些空调系统的关键人物,是卡塔尔大学工程学院的教授:沙特·阿卜杜勒·加尼(Saud Abdulaziz Abdul Ghani) 博士,人送外号“冷博士(Dr. Cool)” [1]。

这位就是“冷博士”沙特·阿卜杜勒·加尼。图片来源:参考文献[1]

想让露天的体育场降温,就得尽可能减少它接收的太阳辐射,并把场内的冷空气留住,这就需要从体育场的形状开始设计。

“冷博士”的团队一方面通过计算机软件模拟不同形体的建筑内部的热环境;

另一方面利用 3D 打印技术制作出体育馆的模型,放置在风洞中进行空气动力学测试,以调整体育场的大小、高度和形状。

最终的成果,就是本次世界杯比赛的体育场一个个都形似“冷气泡泡”,顶部开口都没有设计得过于开敞,而是呈微微收拢的形态。

减少热空气进入的同时,也减少内部冷空气的逸散,并且尽可能多地在看台区投下阴影,遮挡烈日。

有的场馆还配备了可伸缩的屋顶,可以根据天气调节进光量,遇到恶劣天气还可以直接关闭屋顶[2]。

卡塔尔世界杯赛事场馆,除了可移动的974体育场,其他体育场都安装了“豪横”的冷却系统。图片来源:体育场数据库网站StadiumDB.com,汉化:科普中国

另外,场馆的顶部大多采用了浅色材料,以最大限度反射太阳辐射,避免吸收过多热量。

深色衣服比浅色衣服吸热的道理你一定不会陌生。

所以就连原本以游牧民族的传统黑帐篷设为设计灵感的阿尔拜特体育场(Al-Bayt Stadium),最终也将黑色的顶棚改为了白色。

可不要小看这个措施,这一简单的改变就能将球场的内部温度降低 5℃![1]

02

内部,用上“局部降温”

为了舒适且节能的目标,接下来要进一步缩小需要降温的范围。毕竟没有必要把整个体育场上空全部变冷,只需要冷却观众席和运动员所在的区域(大约地面以上两米的范围)就好了。

“冷博士”称之为 targeted or spot cooling ——“针对性的降温”或者“局部降温”。

于是,经过净化和冷却的空气被看台座椅下方的格栅和球场周围的大喷嘴送到人们身边。

变浑浊的废气通过空气循环系统抽走回收,进行重新冷却和过滤后,再被重新送入,如此循环往复。

只需要在比赛开始前两小时打开空调系统,就可以让观众和球员处在凉爽舒适的 24℃ 左右的环境中体验精彩的赛事。

由于冷空气密度更大,会停留在低处。这种将已经冷却的空气回收循环的方式,比直接从外部吸入闷热的空气更加节能高效。

阿尔贾努布体育场看台座椅下方喷出凉风。图片来源:thenationalnews.com

那么这些冷却空气是怎么产生的呢?

它有赖于球场配套的新型冷却系统。

和我们熟悉的家用空调系统不同,这套系统可以利用太阳能驱动,以循环水作为媒介,将水冷却到 7℃ 并储存起来,为体育场内的空气降温。

“冷博士”表示,这套新型的空调系统将运动场降温所消耗的能源,仅为将同等面积的商场用常规空调降温消耗能源的 40%。

如果全部采用太阳能发电场的电能,还能大大降低其碳排放。

从实际运行效果上看,这套系统展现出了强劲的制冷效果,有时候甚至有些过于强劲了,导致球迷们不得不多带上一件外套去观看比赛。

03

开放式空调吹上步行街

除了为体育场降温,这套新型空调系统也被推广到了卡塔尔其他的公共建筑领域。

最近就有热心网友就发现,卡塔尔的步行街地面居然有空调出风口,在给街道源源不断地输送冷气。

体育馆好歹还有个顶棚,在街道这么开敞的空间开空调,简直就是咱们小时候做的数学题:

一边给游泳池加水,另一边给游泳池放水啊!真的是有钱就可以这么任性吗?

网友们热议的这个给街道吹空调的地方就是位于卡塔尔首都多哈的著名旅游景点卡塔拉文化村的卡塔拉广场(Katara Plaza)。

整个项目占地 38000 平方米,于 2016 年开业,是世界上第一个使用开放式空调的商业购物中心[3]。

地面上深色的长条形就是地面的冷气出风口。图片来源:timeoutdoha.com

作为当地的高档商业区,这里的街道和建筑都设计精美,但炎热的天气让人对逛街游玩望而却步。

为了提高街道空间的使用率,设计团队联合技术专家, 结合体育场空调系统的经验,也采用了计算机模拟等技术手段,为项目量身定做了一套“主被动结合”的户外空调系统。

04

空调里的绿色建筑技术

等等,什么是“主被动结合”?被动、主动都是什么?这就要说到绿色建筑领域常用的一对技术路线好搭档——“被动式设计” 和“主动式系统”。

简单来说,通过对建筑构件的设计和建筑材料的选择,利用当地自然的光照、通风、蒸发等条件,来提升建筑性能的策略,叫做“被动式设计(passive design)”。

而通过安装的高性能、绿色环保的机电设备以提升建筑性能的策略,被称作“主动式系统(active system)”。

后者能够弥补前者调节不到的部分,用最少的能源进一步提高环境质量。

所以绿色建筑领域有个说法叫:“被动式优先,主动式优化”,双管齐下就叫“主被动结合”。

还记得开头介绍的体育场吗?

对体育场的大小、高度、形状、遮阳构件等部位进行设计就属于被动式设计;而体育场安装的太阳能驱动、局部降温、冷气循环过滤的新型空调系统,则属于主动式系统。

卡塔拉广场也采用了独特的被动式设计。

它利用了地下温度比较冷凉的特点,将冷气系统放在地下空间进行循环和输送,再搭配上高效的、清洁能源驱动的空调系统,一样能起到了节能减排的效果。

图中蓝色部分为冷气输送管道和出风口。图片来源:Qatar Design Consortium

05

任重道远的碳中和

从不少报道中可以看出,不管是体育场还是商业街,卡塔尔花在此次世界杯上的金钱可谓是天文数字,所以网友才有了“有钱任性”的调侃。

确实,绿色建筑的模拟、实验、选材、设备等一次性投入看似明显高于一般的建筑。

但不管是讨论建筑的经济性,还是环境效益,都得从建筑的全寿命周期来看,而不是只聚焦于某一阶段。

如果把绿色建筑的运行的几十年甚至上百年期间,节约的能耗、资源、碳排放,获得的额外收入(例如增加了营业的时间等)、资源回收的收益等等都换算成金钱,算一笔全寿命周期的总账,那么绿色建筑也并没有你想象的那么昂贵。

大部分研究认为,一栋绿色建筑全寿命周期产生的额外收益最终都远大于初期的额外投入[4]。

比起金钱,其实更难平衡的是碳排放导致的对全球气候的影响。

虽然体育场空调系统为运动员和游客们提供了舒适的环境,但这一措施也引起了不少人对能耗和碳排放的担忧。

卡塔尔世界杯体育场的结构工程师阿巴斯·钱塞丁(Abbas Chamseddine)就认为,世界杯体育场馆的空调系统无疑会造成浪费。

就算它能在冬季比赛过程中提供或多或少的帮助,室外空调降温系统也不太可能成为主流 [5]。

伯克利地球气候数据科学家泽克·豪斯费尔(Zeke Hausfather)则表示,“卡塔尔是世界上除极地之外变暖最快的地区之一,如果我们不采取行动来减少温室气体排放,世界其他地区恐怕也会逃不脱相似的命运。”[6]

事实上,本次世界杯的主办方早就定下了举办第一届“碳中和”世界杯的目标,也确实在建筑设计、清洁能源、绿色交通、资源回收再利用等多个方面做出了努力和创新。

但从整体上看,赛事消耗的碳排放仍然不容小觑。

你可能想不到,根据 2021 年国际足联发布的《卡塔尔世界杯温室气体核算报告》,本次世界杯赛事中碳排放最大的部分不是来自给体育场开空调,甚至也不是来自碳排放大得多的体育场建造环节。

据估计,建造体育场馆造成的碳排放只占了本次赛事总碳排放的大约四分之一。

那么,带来大量碳排放、不环保的环节是什么呢?

是参赛人员、观赛人员、工作人员和志愿者的旅行交通,尤其是远距离的国际航班。据估计,交通带来的碳排放大约占到了总碳排放的一半[7]。

图片来源:参考文献[7]

看来要解决更长远更大范围的环境问题,还需要更多方面的努力。

而作为负责任的消费者,咱们每个人又可以从哪些方面着手行动起来呢?

参考文献:

[1] FIFA. Dr. Cool: The mastermind behind Qatar 2022's air-cooled stadiums [EB/OL].(2019-12-16)[2022-11-27] https://www.fifa.com/tournaments/mens/worldcup/qatar2022/news/dr-cool-the-mastermind-behind-qatar-2022-s-air-cooled-stadiums

[2] Qatar Foundation. Cooling technology used in Qatar's World Cup stadiums powered by QF research [EB/OL].(2022-03-21)[2022-11-27] https://www.qf.org.qa/stories/cooling-technology-used-in-qatars-world-cup-stadiums-powered-by-qf-research

[3] Hilson Moran. Katara Plaza [EB/OL].[2022-11-27] https://www.hilsonmoran.com/project/katara-plaza/

[4] 孙彤宇, 刘莎, 史文彬. 净零能耗建筑的未来意义及其实施路径[J]. 建筑技艺, 2020(8):6.

[5] Ivana Hindi. Outdoor AC in Qatar: Reality or Pipe Dream? [EB/OL].(2015-03-24)[2022-11-27] https://stepfeed.com/outdoor-ac-in-qatar-reality-or-pipe-dream-1908

[6] Steven Mufson. Facing unbearable heat, Qatar has begun to air-condition the outdoors[EB/OL].(2019-10-16)[2022-11-27]

[7] FIFA World Cup 2022™. Greenhouse gas accounting report [EB/OL].(2015-03-24)[2022-11-27].https://www.qatar2022.qa/sites/default/files/2022-08/greenhouse-gas-accounting-report-en.pdf

作者 | 万丽 香港中文大学建筑学院建筑学博士、副研究员

审核 | 罗志刚 中国建筑科学研究院数据中心研究院 工业技术高级工程师

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