四年一次的足球世界盃正在中東國家卡塔爾火熱舉行。
不同以往，這次説“火熱”不只是對緊張的賽事本身的形容，也是對賽事舉辦地炎熱氣候的客觀描述。
卡塔爾屬於熱帶沙漠氣候，全年只分為夏、冬兩季。
這裏夏季氣温高達 43℃，完全不適合舉辦足球比賽，所以第 22 屆世界盃才破天荒地挪到冬天舉辦。
可即使在冬季，也就是現在，這裏每天的最高氣温也超過 30℃。
圖片來源：網絡
為了讓體育場內保持舒適的温度，免得運動員、觀眾在這“火熱”裏中暑，主辦方採取了“豪橫”的降温方式——“吹空調”。
這事乍聽之下估計非常費電，非常不環保，不過，先別急着下定論。要知道，為了節能、舒適地“吹空調”，那裏的人們可是下過一番苦功夫。
01
從外觀考慮降温
為了迎接 2022 年世界盃，卡塔爾全國上下一共動用了 8 座大型體育場，其中有 7 座為新建，1 座為翻新。
除了一座靠近海邊的球場可以利用自然通風，不需要製冷以外，其餘球場都安裝了空調系統。
這些空調系統的關鍵人物，是卡塔爾大學工程學院的教授：沙特·阿卜杜勒·加尼（Saud Abdulaziz Abdul Ghani） 博士，人送外號“冷博士（Dr. Cool）” [1]。
這位就是“冷博士”沙特·阿卜杜勒·加尼。圖片來源：參考文獻[1]
想讓露天的體育場降温，就得儘可能減少它接收的太陽輻射，並把場內的冷空氣留住，這就需要從體育場的形狀開始設計。
“冷博士”的團隊一方面通過計算機軟件模擬不同形體的建築內部的熱環境；
另一方面利用 3D 打印技術製作出體育館的模型，放置在風洞中進行空氣動力學測試，以調整體育場的大小、高度和形狀。
最終的成果，就是本次世界盃比賽的體育場一個個都形似“冷氣泡泡”，頂部開口都沒有設計得過於開敞，而是呈微微收攏的形態。
減少熱空氣進入的同時，也減少內部冷空氣的逸散，並且儘可能多地在看台區投下陰影，遮擋烈日。
有的場館還配備了可伸縮的屋頂，可以根據天氣調節進光量，遇到惡劣天氣還可以直接關閉屋頂[2]。
卡塔爾世界盃賽事場館，除了可移動的974體育場，其他體育場都安裝了“豪橫”的冷卻系統。圖片來源：體育場數據庫網站StadiumDB.com，漢化：科普中國
另外，場館的頂部大多采用了淺色材料，以最大限度反射太陽輻射，避免吸收過多熱量。
深色衣服比淺色衣服吸熱的道理你一定不會陌生。
所以就連原本以遊牧民族的傳統黑帳篷設為設計靈感的阿爾拜特體育場（Al-Bayt Stadium），最終也將黑色的頂棚改為了白色。
可不要小看這個措施，這一簡單的改變就能將球場的內部温度降低 5℃！[1]
02
內部，用上“局部降温”
為了舒適且節能的目標，接下來要進一步縮小需要降温的範圍。畢竟沒有必要把整個體育場上空全部變冷，只需要冷卻觀眾席和運動員所在的區域（大約地面以上兩米的範圍）就好了。
“冷博士”稱之為 targeted or spot cooling ——“針對性的降温”或者“局部降温”。
於是，經過淨化和冷卻的空氣被看台座椅下方的格柵和球場周圍的大噴嘴送到人們身邊。
變渾濁的廢氣通過空氣循環系統抽走回收，進行重新冷卻和過濾後，再被重新送入，如此循環往復。
只需要在比賽開始前兩小時打開空調系統，就可以讓觀眾和球員處在涼爽舒適的 24℃ 左右的環境中體驗精彩的賽事。
由於冷空氣密度更大，會停留在低處。這種將已經冷卻的空氣回收循環的方式，比直接從外部吸入悶熱的空氣更加節能高效。
阿爾賈努布體育場看台座椅下方噴出涼風。圖片來源：thenationalnews.com
那麼這些冷卻空氣是怎麼產生的呢？
它有賴於球場配套的新型冷卻系統。
和我們熟悉的家用空調系統不同，這套系統可以利用太陽能驅動，以循環水作為媒介，將水冷卻到 7℃ 並儲存起來，為體育場內的空氣降温。
“冷博士”表示，這套新型的空調系統將運動場降温所消耗的能源，僅為將同等面積的商場用常規空調降温消耗能源的 40%。
如果全部採用太陽能發電場的電能，還能大大降低其碳排放。
從實際運行效果上看，這套系統展現出了強勁的製冷效果，有時候甚至有些過於強勁了，導致球迷們不得不多帶上一件外套去觀看比賽。
03
開放式空調吹上步行街
除了為體育場降温，這套新型空調系統也被推廣到了卡塔爾其他的公共建築領域。
最近就有熱心網友就發現，卡塔爾的步行街地面居然有空調出風口，在給街道源源不斷地輸送冷氣。
體育館好歹還有個頂棚，在街道這麼開敞的空間開空調，簡直就是咱們小時候做的數學題：
一邊給游泳池加水，另一邊給游泳池放水啊！真的是有錢就可以這麼任性嗎？
網友們熱議的這個給街道吹空調的地方就是位於卡塔爾首都多哈的著名旅遊景點卡塔拉文化村的卡塔拉廣場（Katara Plaza）。
整個項目佔地 38000 平方米，於 2016 年開業，是世界上第一個使用開放式空調的商業購物中心[3]。
地面上深色的長條形就是地面的冷氣出風口。圖片來源：timeoutdoha.com
作為當地的高檔商業區，這裏的街道和建築都設計精美，但炎熱的天氣讓人對逛街遊玩望而卻步。
為了提高街道空間的使用率，設計團隊聯合技術專家， 結合體育場空調系統的經驗，也採用了計算機模擬等技術手段，為項目量身定做了一套“主被動結合”的户外空調系統。
04
空調裏的綠色建築技術
等等，什麼是“主被動結合”？被動、主動都是什麼？這就要説到綠色建築領域常用的一對技術路線好搭檔——“被動式設計” 和“主動式系統”。
簡單來説，通過對建築構件的設計和建築材料的選擇，利用當地自然的光照、通風、蒸發等條件，來提升建築性能的策略，叫做“被動式設計（passive design）”。
而通過安裝的高性能、綠色環保的機電設備以提升建築性能的策略，被稱作“主動式系統（active system）”。
後者能夠彌補前者調節不到的部分，用最少的能源進一步提高環境質量。
所以綠色建築領域有個説法叫：“被動式優先，主動式優化”，雙管齊下就叫“主被動結合”。
還記得開頭介紹的體育場嗎？
對體育場的大小、高度、形狀、遮陽構件等部位進行設計就屬於被動式設計；而體育場安裝的太陽能驅動、局部降温、冷氣循環過濾的新型空調系統，則屬於主動式系統。
卡塔拉廣場也採用了獨特的被動式設計。
它利用了地下温度比較冷涼的特點，將冷氣系統放在地下空間進行循環和輸送，再搭配上高效的、清潔能源驅動的空調系統，一樣能起到了節能減排的效果。
圖中藍色部分為冷氣輸送管道和出風口。圖片來源：Qatar Design Consortium
05
任重道遠的碳中和
從不少報道中可以看出，不管是體育場還是商業街，卡塔爾花在此次世界盃上的金錢可謂是天文數字，所以網友才有了“有錢任性”的調侃。
確實，綠色建築的模擬、實驗、選材、設備等一次性投入看似明顯高於一般的建築。
但不管是討論建築的經濟性，還是環境效益，都得從建築的全壽命週期來看，而不是隻聚焦於某一階段。
如果把綠色建築的運行的幾十年甚至上百年期間，節約的能耗、資源、碳排放，獲得的額外收入（例如增加了營業的時間等）、資源回收的收益等等都換算成金錢，算一筆全壽命週期的總賬，那麼綠色建築也並沒有你想象的那麼昂貴。
大部分研究認為，一棟綠色建築全壽命週期產生的額外收益最終都遠大於初期的額外投入[4]。
比起金錢，其實更難平衡的是碳排放導致的對全球氣候的影響。
雖然體育場空調系統為運動員和遊客們提供了舒適的環境，但這一措施也引起了不少人對能耗和碳排放的擔憂。
卡塔爾世界盃體育場的結構工程師阿巴斯·錢塞丁（Abbas Chamseddine）就認為，世界盃體育場館的空調系統無疑會造成浪費。
就算它能在冬季比賽過程中提供或多或少的幫助，室外空調降温系統也不太可能成為主流 [5]。
伯克利地球氣候數據科學家澤克·豪斯費爾（Zeke Hausfather）則表示，“卡塔爾是世界上除極地之外變暖最快的地區之一，如果我們不採取行動來減少温室氣體排放，世界其他地區恐怕也會逃不脱相似的命運。”[6]
事實上，本次世界盃的主辦方早就定下了舉辦第一屆“碳中和”世界盃的目標，也確實在建築設計、清潔能源、綠色交通、資源回收再利用等多個方面做出了努力和創新。
但從整體上看，賽事消耗的碳排放仍然不容小覷。
你可能想不到，根據 2021 年國際足聯發佈的《卡塔爾世界盃温室氣體核算報告》，本次世界盃賽事中碳排放最大的部分不是來自給體育場開空調，甚至也不是來自碳排放大得多的體育場建造環節。
據估計，建造體育場館造成的碳排放只佔了本次賽事總碳排放的大約四分之一。
那麼，帶來大量碳排放、不環保的環節是什麼呢？
是參賽人員、觀賽人員、工作人員和志願者的旅行交通，尤其是遠距離的國際航班。據估計，交通帶來的碳排放大約佔到了總碳排放的一半[7]。
圖片來源：參考文獻[7]
看來要解決更長遠更大範圍的環境問題，還需要更多方面的努力。
而作為負責任的消費者，咱們每個人又可以從哪些方面着手行動起來呢？
參考文獻：
[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] 孫彤宇, 劉莎, 史文彬. 淨零能耗建築的未來意義及其實施路徑[J]. 建築技藝, 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 | 萬麗 香港中文大學建築學院建築學博士、副研究員
審核 | 羅志剛 中國建築科學研究院數據中心研究院 工業技術高級工程師
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