Kjøling av bysentra med grunnleggende prinsipper

En ny studie utført av forskere ved UCL fant at kjølige tak, malt hvite eller dekket med en reflekterende belegg, kan være mer effektive for å redusere temperaturer og kjøle ned byer under hetebølger enn solcellepaneler og grønne tak. I mellomtiden øker klimaanlegg (AC) utetemperaturen med 1 grad Celsius.

Denne studien kommer mens byer over hele verden håndterer trusselen fra stigende temperaturer. Urbane områder har en tendens til å være varmere enn sine omkringliggende landlige soner, noe som forverrer virkningen av hetebølger og dermed øker helserisikoen i disse områdene.

An undersøkelse av forskjellen i jordoverflatetemperaturer mellom urbane områder og deres landlige omgivelser fra 2003 til 2020 av Joint Research Centre i Europakommisjonen avslørte at byoverflatetemperaturene noen ganger var så mye som 10-15°C høyere enn i landlige områder.

Ta London som eksempel. Innbyggere her står overfor en ny virkelighet med temperaturer konsekvent over 30°C. Ifølge forskning fra International Institute for Environment and Development (IIED) har London de siste tre tiårene opplevd 116 dager med temperaturer over 30°C, hvorav mer enn halvparten har skjedd i det siste tiåret alene.

Sammenhengende dager over 30°C er nå mer vanlig, og selv ekstreme temperaturer har økt i hyppighet, med fem dager over 35°C i løpet av de siste fem årene i London. Denne ekstreme varmen øker risikoen for varmeutmattelse og heteslag og forverrer eksisterende helsetilstander.

Etter hvert som klimaet endrer seg, blir de som bor i byer stadig mer sårbare for stigende temperaturer fordi byer har en tendens til å fange varme, noe som skaper Urban Heat Island-effekten, som fører til betydelige helseproblemer for innbyggere under hetebølger.

Med en stor global befolkning som bor i byer, er det kritisk å finne bærekraftige løsninger for å dempe disse effektene. Byplanleggere, designere, kommuner og myndigheter arbeider alle for å redusere disse temperaturene.

Noen av de passive kjølingsmetodene som aktivt utforskes inkluderer grønne tak, utvidet urban vegetasjon og kjølige tak, sammen med klimaanlegg, en aktiv metode for å kjøle bygningers interiør.

Grønne tak og solcellepaneler er ikke så effektive

Studier som sammenligner virkningen av bygning- og gateintervensjoner på temperatur på metropolskala mangler til tross for økende dødelighet og sykelighet knyttet til urban varme. Forskerne ved UCL modellerer virkningen av ni intervensjoner på lufttemperaturer på 2 m under to varme dager i sommeren 2018, den 26. og 27. juli.

Ved å bruke detaljert urbant klimamodellering og nyere data om faktisk dekning av passive og aktive intervensjoner, studerte forskningen effekten av begge disse varmeadaptasjonsstrategiene på utendørs lufttemperatur og overflatestrømningsbalanse (SEB) i Greater London-området.

Studien oppdaget at utrulling av både solcellepaneler og grønne tak var ineffektiv for å redusere temperaturer betydelig på stor skala. Imidlertid kunne en gjennomførbar utrulling av solcellepaneler oppveie sitt tilknyttede energiforbruk, ifølge studien.

Solcellepaneler og omfattende gatevegetasjon ga kun en beskjeden netto kjøleeffekt, i gjennomsnitt rundt 0,3 grader Celsius. Selv om disse systemene ikke er svært effektive, gir de fortsatt miljøfordeler.

I mellomtiden, solcellepaneler (PV), som anses primært som en kilde til elektrisk kraft, kan også brukes som en passiv-aktiv strategi for å redusere temperaturer ved å fange sanselig varmestrøm. De gjør dette ved å øke takenes albedo, som er andelen av lys som en overflate reflekterer.

Tak som inneholder vegetasjon har også noen store fordeler, som habitater for dyreliv og vannavrenning. Men selv om grønne tak gir en kjøleeffekt på dagtid, er deres netto kjøleeffekt, i gjennomsnitt, neglisjerbar. Forskerne fant at effekten av grønne tak på temperatur var betydelig variabel gjennom dagen. 

Disse grønne takene ble modellert med sedum-vegetasjon fordi det er den mest vanlige planten i London, men andre design kan føre til andre effekter.

I løpet av dagen, når det er varmest, kan bred adopsjon av grønne tak senke urbane temperaturer med i gjennomsnitt 0,5 grader C. Imidlertid øker grønne tak nattemperaturene med omtrent samme mengde fordi den termiske massen fra takene beholder dagvarmen og frigir den når solen går ned.

Nå kan endring av vegetasjonstypen fra gressletter eller jordbruksområder til løvtrær redusere utetemperaturene, men kun om natten. På dagtid fant forskerne at det ville gi blandede resultater.

Studien bemerket at dette kan skyldes økningen i overflates albedo, som resulterer i økt sanselig varmestråling. Den økte latente varmen her ville være tilsvarende den fra grønne tak når de er fullt utplassert.

Selv om denne typen kjøling reduserer lufttemperaturen, vil den sannsynligvis øke mengden vanndamp i atmosfæren, noe som deretter vil øke luftfuktigheten. Så, selv om dette kan være gunstig for å unngå vannstress for vegetasjonen, påvirker det varmestrålingen for byens innbyggere.

Både solcellepaneler og en blanding av jordbruksområder, gressletter og løvtrær hadde sterkere kjøleeffekter i Øst-London.

Hva fungerer egentlig for byer, da?

Publisert i Geophysical Research Letters, studie brukte en 3D-urban klimamodell av Greater London for å teste de termiske effektene av ulike aktive og passive systemer for håndtering av urban varme. Disse inkluderte:

• Grønne tak
• Trævegetasjon på bakkenivå
• Solcellepaneler på taket
• Malt “kjølige tak”
• Klimaanlegg under de to varmeste dagene i sommeren 2018

For å måle hver systems fulle potensielle effekt, modellerte teamet hver som om den allerede var bredt vedtatt og teoretisk gjennomførbar i boliger, kommersielle og industrielle bygninger over hele Greater London.

Av alle løsningene ble kjølige tak funnet å ha den største reduksjonen i 2 m lufttemperatur. Kjølige tak innebærer implementering av svært reflekterende tak laget av ulike materialer som metall, betong eller enkeltlagmembraner.

Hvis de blir utrullet i full kapasitet, bidrar alle kjølige tak-intervensjoner til en reduksjon, med store påvirkninger i sør og øst i GLA.

I gjennomsnitt reduserer kjølige tak utetemperaturene med 1,2 grader C hvis de blir bredt vedtatt i hele byen. Noen steder i London kan oppleve så mye som en 2 graders C reduksjon i temperatur.

“Vi testet grundig flere metoder som byer som London kunne bruke for å tilpasse seg og dempe oppvarmende temperaturer og fant at kjølige tak var den beste måten å holde temperaturene nede under ekstremt varme sommerdager. Andre metoder hadde ulike viktige bivirkninger, men ingen klarte å redusere utendørs urban varme til nesten samme nivå.”

– Hovedforfatter Dr. Oscar Brousse, UCL Bartlett School Environment, Energy & Resources

Kjølige tak har faktisk doble fordeler:

• Kjøle det ytre urbane miljøet ved å reflektere varme i stedet for å absorbere den
• Kjøle innsiden av bygninger

Når man ser på den horisontale adveksjonen av kjølingen, bemerket studien at alt avhenger av plasseringen av kjølige tak. Så, hvis kjølige tak blir utrullet i sentrale og mellomstore områder av byen, vil lavere og åpne boligområder synes å nyte kjøleeffekten.

Interessant nok gir etablering av kjølige tak kun på lavtliggende boliger en betydelig utendørs reduksjon på opptil ∼2°C i sørøst, men klarer ikke å kjøle Londons sentrale deler. Implementering av kjølige tak kun på store lavtliggende bygninger gir en marginal varmereduksjon over London på opptil ∼1°C i store lavtliggende områder i Øst-London.

For kjølige tak, som ble funnet å være den “mest effektive måten” å redusere utendørstemperaturen på, uttalte studien:

«På maksimum er denne temperaturreduksjonen mellom 3,2°C og 2,8°C på tidspunkter når den daglige romlige gjennomsnittstemperaturen nådde henholdsvis 33°C og 37°C.»

Studien har imidlertid ikke vært uten begrensninger.Forskerne anerkjente flere begrensninger. Disse inkluderte bruk av kun én urban canopy-modell (UCM), fokus på kun to varme sommerdager på grunn av beregningsbegrensninger, og antakelse av en enkelt type anvendelse per intervensjon. I tillegg ble fraværet av helt skyfri forhold og fokuset kun på utendørstemperaturer notert som betydelige begrensninger. Studien tok heller ikke hensyn til virkningen av disse løsningene på andre aspekter, som vindcirkulasjon, biologisk mangfold og innendørstemperaturer.

Dermed oppfordrer forskerne til fremtidig forskning for å estimere virkningen av hver av disse strategiene over lengre tidsperioder, kostnadene knyttet til utrulling av hver av disse intervensjonene for å utføre kost-nytte-analyser, og fremme utrulling av SEB (overflatestrømningsbalanse) overvåkingssystemer i urbant skala for å validere modellsimuleringer.

Klimaanlegg har en negativ påvirkning

Etter hvert som temperaturene stiger, har bruken av klimaanlegg (AC) for varmebeskyttelse økt betydelig. Ifølge International Energy Agency (IEA) tripplet det globale salget av AC mellom 1990 og 2016, og de fortsatte å vokse i det påfølgende året. Følgelig er den globale markedstørrelsen for klimaanlegg anslått å overstige $200 milliarder i 2024 og forventes å stige til $259,5 milliarder i løpet av de neste fem årene.

Denne veksten kommer mens nasjoner rundt om i verden vender seg til AC, med nesten 90% av amerikanske boliger som har klimaanlegg. Imidlertid står ikke bare disse kjøleenhetene for omtrent 10% av det globale strømforbruket, men de bidrar også til stigende temperaturer.

Et AC fungerer ved å absorbere varme fra innsiden av bygningen og slippe den ut utenfor mens den avkjølte luften sirkuleres gjennom hjemmet. På denne måten ender klimaanlegget opp med å varme opp det utendørs urbane miljøet enda mer.

Ifølge den siste studien, øker bruk av klimaanlegg for å holde innendørstemperaturen i hele Londons bygningsmasse på 21°C temperaturen med omtrent 0,15 grader C over hele byen. Denne økningen kan være så mye som 1 grad C i tett sentrale London.

Forskerne bemerket at AC fortsatt beskytter risikopopulasjoner fra brennende temperaturer innenfor bygninger. Videre kan solcellepaneler (PV) brukes som en passiv-aktiv strategi ved å omdanne innkommende solstråling til elektrisk kraft, som deretter kan brukes til å drive AC-systemet.

Hvis solcellepaneler implementeres på tak i en praktisk måte, kan energiproduksjonen dekke energiforbruket til AC-systemer ettersom den aldri overstiger 8,78 MW i de varmeste timene. Elektrisk kraftproduksjon, dersom den ikke er begrenset av bygninger, kunne nå 8,79 MW i gjennomsnitt, opplyser studien. Disse lokale påvirkningene kan imidlertid avhenge av mange faktorer, som bygningens høyde og økning i takalbedo.

Det sagt, gitt den negative effekten av AC på vårt miljø, har forskere aktivt søkt etter måter å redusere varme- og kjølekostnader samt redusere behovet for fossilt brensel for å drive HVAC-systemer i hjemmet.

Som vi bemerket i våre tidligere artikler, har forskere ved University of California utviklet adaptive fliser med en strålingsbryter for å veksle mellom oppvarmings- og kjølingstilstander. Disse enhetene reduserer kjøle- og oppvarmingsbehovet med over 2,5 ganger sammenlignet med statiske enheter. De kan ytterligere oppnå varierende temperaturmål ved enkelt å endre faseendringsmaterialet.

I et annet tilfelle utviklet forskere ved Berkeley Lab en smart-takbelegg som opprettholder optimal hjemmetemperatur uavhengig av årstid. For dette utviklet de et unikt materiale kalt TARC (temperatur-adaptiv strålingsbelegg), som automatisk slår av strålingskjøling i kalde sesonger for å sikre at det ikke er overflødig kjøling og energitap.

Men dette er ikke alt; innovasjon skjer også innen kjølemedieprodukter. Ny forskning fra Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory har oppnådd en bedre og dypere vitenskapelig forståelse av materialer og enheter som oppnå solid-state kjøling.

La oss nå se på noen av selskapene som kan ha nytte av adopsjon av kjølige tak:

#1. Owens Corning (NYSE: OC)

Som en ledende produsent av takmaterialer, kan Owens Corning integrere kjølige tak-teknologi i sine produkter for å møte den økende etterspørselen etter bærekraftige og energieffektive byggematerialer, spesielt i urbane områder påvirket av varmeøy-effekten.

Finansielt rapporterte Owens Corning nettoomsetning på $2,3 milliarder og nettoresultat på $299 millioner i første kvartal 2024. De forventer en jevn etterspørsel i det nordamerikanske bygge- og konstruksjonsmarkedet og har satt seg et økonomisk mål om å oppnå årlig inntekt på $10 milliarder innen 2024 med driftsmarginer på midt-teen prosent.

#2. 3M (NYSE: MMM)

3M kan utnytte sin ekspertise innen materialvitenskap for å utvikle reflekterende belegg for tak. Disse produktene kan markedsføres som løsninger for å redusere kjølekostnader og dempe urban varme, i tråd med globale trender mot mer bærekraftig byplanlegging.

Imidlertid viste Q1 2024 seg å være en blandet pose for 3M, økonomisk sett. Selskapet opplevde en liten nedgang i totalomsetning, med $8,0 milliarder, en 0,3% nedgang år-til-år, med justert resultat per aksje som steg 21% til $2,39. Til tross for utfordringene i salget, demonstrerte 3M sterk operasjonell gjennomføring og finansiell disiplin, noe som bidro til betydelig vekst i justert resultat og en forbedring i justerte driftsmarginer til 21,9%.

#3. Sherwin-Williams (NYSE: SHW)

Som en ledende produsent av maling og belegg, kan Sherwin-Williams utvikle og markedsføre spesialiserte reflekterende malinger som kan brukes på kjølige tak. Dette er ikke bare i tråd med urbane bærekraftsmål, men åpner også opp en ny produktlinje som kan være svært relevant i byer som ønsker å bekjempe varmeøy-effekten.

I 2023 rapporterte Sherwin-Williams en nedgang i nettoomsetning og segmentresultat. Nettoomsetningen falt på grunn av et midt-sifret prosentvis fall i salgsvolum, påvirket av svak etterspørsel i Nord-Amerika og avhending av den kinesiske arkitektvirksomheten. Justert segmentresultat sank også, hovedsakelig på grunn av lavere netto salgsvolum og høyere tap på utenlandske valutatransaksjoner, særlig på grunn av den argentinske devalueringen. Likevel genererte selskapet $3,52 milliarder i netto driftskontanter i løpet av året.

Avsluttende tanker

Stigende temperaturer har vært en bekymring for nasjoner, myndigheter og folk over hele verden. Med byer som bærer hoveddelen av dette, har løsning av problemet med urban varme blitt en prioritet. Som denne studien bemerket, gitt kjølige taks effektivitet i å redusere urbane temperaturer og dermed negative helseeffekter, bør de utforskes for bred adopsjon.

Imidlertid kan kun én løsning ikke effektivt takle alle problemene. En blanding av tiltak, som grønnere alternativer, avansert teknologi og bedre beleggmaterialer, må vedtas i byer for å effektivt redusere utendørstemperaturer og øke innendørstemperaturer samtidig som eventuelle negative påvirkninger dempes.

Klikk her for en liste over bioteknologiselskaper som jobber med løsninger på global oppvarming.