制冷和取暖
实现电气化、发展清洁燃料和更高效利用能源的解决方案。
我从未想到自己会关注每年导致40万人死亡（其中大多数是儿童）的疾病——疟疾。盖茨基金会一直以来不遗余力地推进根除疟疾的行动。不久之前，我惊讶地发现，实际上疟疾也帮助催生了一个不错的“副产品”：空调系统。
几千年来，人类一直在同高温做斗争。古波斯的建筑物装有通风设施，又称“捕风塔”，以帮助保持空气流通和室内凉爽。[1]但已知最早的产生冷风的机器出现在19世纪40年代，发明者是美国佛罗里达州的医生约翰·戈里（John Gorrie）。[2]戈里认为，凉爽宜人的温度有助于疟疾患者的身体康复。
那时候，人们普遍认为疟疾是由瘴气引起的（所以又称瘴气病），现在我们已经知道它是由寄生虫引起的。戈里发明了一台机械装置，让空气流过悬挂在天花板上的巨型冰块，从而达到为病房降温的目的。但这台机器的用冰量很大，而冰又是从北方各州运来的，所以成本高昂。为此，戈里自己设计了一款制冰机，并成功申请了专利。之后，他离开医疗行业，全力推销这项发明。令人遗憾的是，他的商业计划无果而终。在经历了一系列不幸之后，戈里于1855年在穷困潦倒中去世。
但他的想法就此生了根。空调领域的第二次突破性进展出现在1902年，当时一位名叫威利斯·卡里尔（Willis Carrier）的工程师被公司派往纽约的一家印刷厂，帮助解决杂志印刷过程中纸张起皱的问题。卡里尔发现纸张起皱是因为当地环境湿度过大，随后他设计了一款能够在降低室内湿度的同时降低温度的机器。令他没有想到的是，空调产业就此拉开了序幕。
从私人住宅首次安装空调设备算起，到现在也不过100多年。[3]如今，90%的美国家庭都安装了某种类型的空调。如果你曾经在圆顶体育场看过比赛或听过音乐会，那么你应该感谢空调。如果没有空调，很难想象佛罗里达州和亚利桑那州这样的地方会成为时下退休人士的向往之地。
空调不再仅仅是一种可以让人们舒适地度过炎炎夏日的奢侈品，现代经济也依赖它。举一个简单的例子，由数千台计算机组成的服务器场（正是由于它们的存在，今天的计算机技术进步才成为可能，比如存储音乐和照片的云服务技术）会产生巨大的热量，如果不能保持凉爽的温度，服务器是会熔化的。
如果你生活在典型的美国家庭中，那么你会发现空调是用电最多的家用电器——超过照明设备、冰箱和计算机的用电总和。[4]尽管第四章中讲过电力部门的温室气体排放，但我在这里还是要再提一下，因为无论是现在还是未来，空间冷却系统都是非常关键的排放源。另外，虽然空调设备用电最多，但在美国的家庭和企业中，它并不是耗费能源最多的，耗费能源最多的是暖炉和热水器。（在欧洲及世界其他很多地区也是如此。）我会在下一节阐述暖风和热水系统的问题。
美国并不是唯一喜欢及需要冷气的国家。尽管全世界在用的空调设备有16亿台之多，但它们的分布并不均匀。[5]在美国等富裕国家，90%以上的家庭都装有空调设备，而在世界上最炎热的国家中，这个比例还不到10%（见图8–1[6]）。
这意味着随着世界人口数量的持续增长、民众生活水平的不断提高，以及越来越频繁出现的、形势日趋严峻的高温天气，我们这个世界将需要更多的空调设备。2007—2017年，中国国内增加了3.5亿台空调。如今，中国是世界上最大的空调市场。全球范围内，空调销量仅2018年一年就增加了15%[7]，其中相当一部分增长来自温度上升得尤为明显的4个国家：巴西、印度、印度尼西亚和墨西哥。到2050年，全球在用空调数量将超过50亿台。
图8-1 各国拥有空调的家庭占比
注：在用空调数量正在逐渐增多。在有些国家，大多数家庭都已经安装了空调，但在其他一些国家远未普及。未来几十年，图上下半部分的国家会变得越来越热，也会越来越富裕，这意味着它们将购买更多的空调，也会更多地使用空调。
资料来源：IEA
讽刺的是，为了在一个不断温室化的世界中生存，我们要做的这件事情（使用空调）可能会导致气候进一步恶化。因为空调是靠电力运行的，所以我们安装的空调越多，其运行所需要的电力就越多。事实上，国际能源署预计，到2050年，全球制冷的电力需求将增加两倍。届时，全世界空调的用电量将相当于中国和印度现在的用电量总和。
在用空调数量增加对遭受热浪侵袭的人们来说是好事，但对气候来说是坏事，因为在世界大多数地区，电力生产仍属于碳密集型。建筑物用电量（空调、照明设备和计算机用电等）产生的温室气体约占全球总排放量的14%，其原因就在这里。
由于空调对电力的依赖程度如此之高，所以计算制冷的绿色溢价比较容易。要想给空调“脱碳”，就得给电网“脱碳”。我在第四章中讲过一些电力生产和存储方面的技术突破，而这就是我们需要这类突破的另一个原因。否则，排放量将持续增加，我们将陷入一个恶性循环，即我们的家中和办公室里越凉爽，气候就越炎热。
幸运的是，我们不用等待那些突破，现在就可以采取行动，减少空调的用电量，进而减少制冷导致的排放。这也不存在技术壁垒。但是，大多数人不会购买最具节能优势的空调。根据国际能源署的数据，目前市场上在售空调的平均能效仅为在售的高能效空调的一半，只有最佳机型能效的三分之一。
之所以出现这种情况，最主要的原因是消费者在挑选空调时无法获得他们所需的信息。比如，一台低能效空调的售价可能会低一些，但长期使用成本很高，因为它耗电更多。然而，如果产品能效标识不清，那么在选购的时候就无从知晓这些信息。（对于此类标识，美国有强制性要求，但并非全球所有国家都是如此。[8]）另外，很多国家也没有为空调设立最低能效标准。国际能源署发现，只要出台政策解决这些问题，全世界空调设备的平均能效就可以增加一倍，而到21世纪中叶，制冷领域的能源需求增长则将减少45%。
不幸的是，空调对电力的需求并不是它成为问题的唯一原因。空调还含有制冷剂（制冷剂因为含有氟，所以又称氟化气体），而随着设备的老化和分解，这些物质就会一点点地泄漏。如果你更换过汽车空调中的冷却剂，那么你一定会注意到这种情况。氟化气体是导致气候变化的重要因素：在一个世纪的进程中，它们造成的温室效应是等量二氧化碳的数千倍。如果你没怎么听说过氟化气体，那也正常，因为它们在温室气体中所占的比例并不大。在美国，氟化气体占温室气体总排放量的3%左右。
但氟化气体并未因此而被忽视。2016年，来自197个国家和地区的代表承诺，到2045年将某些特定氟化气体的生产和使用至少减少80%。他们之所以能做出这一承诺，是因为许多行业公司都在开发新的空调技术，可以用危害性更低的冷却剂取代氟化气体。目前，这些方法尚处于开发初期，给它们标价还为时过早，但它们无疑是创新的典范，而只有通过这些创新，我们才能在不导致气候变暖的情况下享受室内冷气。
在一本关于全球气候变暖的书中，讨论如何保暖似乎有些奇怪：外面已经很热了，为什么还要打开恒温器呢？首要一点：当我们谈论热量的时候，我们并不仅仅谈论气温的上升，还谈论水的加热——无论是淋浴、洗碗还是工业流程，都会用到热水。最重要的是，冬天不会消失。即便全球温度整体上升了，这个世界上还是有很多地方会结冰、会下雪。而对任何依赖可再生能源的人来说，冬天都是特别艰难的日子。比如，在德国，可利用的太阳能最多可能降到原来的十分之一，还会出现没有风的日子。但人们依然需要电，没有电就会冻死在自己家中。
暖炉和热水器两项相加，占建筑物温室气体总排放量的三分之一。不同于照明设备和空调设施，暖炉和热水器大都依赖化石燃料而不是电力。（至于是用天然气、取暖油还是丙烷，很大程度上取决于居住地。）这意味着仅仅给电网“脱碳”，还无法实现热水和取暖的无碳排放。我们需要从石油和天然气之外的能源上获得热能。
供暖的“零碳”路径实际上和乘用车的路径颇为相似：第一，尽可能地实现电气化，淘汰燃气热水器和暖炉；第二，发展清洁燃料，解决热水器和暖炉以外的其他所有热源问题。
好消息是，在电气化方面实际上是可以实现负绿色溢价的。与售价普遍高于同规格燃油车的电动车不同，纯电动取暖和制冷设备可以为你省钱——它们既适用于新建建筑物又适合翻新后的老旧建筑物。在大多数地方，如果你放弃使用电动空调和天然气暖炉（或燃油暖炉），然后代之以电动热泵，那么整体成本将会降低。
对于热泵这个概念，你乍一听可能会觉得很怪。虽然我们可以抽水或抽气，但到底怎样才能抽热量呢？
热泵实际上利用的是这样一个事实，即气体和液体在遇到温度变化时会膨胀和收缩。热泵的工作原理是：让冷却剂通过闭环管道，利用压缩机和特殊阀门改变沿途压力，使得冷却剂在某一区域吸收热量，在另一区域释放热量。冬天，把热量从室外引入家中（除了气候极端寒冷的地方，任何地方都可能实现）；夏天，反其道而行之，把家中的热量排到室外。
这听起来有些神秘，实则不然。你的家中早就有了热泵，而且现在可能正在运行，它就是冰箱。正是冰箱底部散发的暖空气，把冰箱内食物的热度带走了，从而使它们处于低温状态。
一台热泵可以为你省多少钱？这取决于你所在的城市，因为要看当地的寒冷程度、电力和天然气价格以及其他相关因素。以美国多个城市的新建建筑物为例，我们来看看热泵安装并运行15年的成本（见表8–1[9]）。
表8-1美国部分城市安装空气源热泵的绿色溢价
如果是翻修老旧建筑物，那么热泵为你省下的钱可能没那么多，但在大多数城市，使用热泵仍是经济合算的选择。比如，在休斯敦，这会为你节省17%的开支；在芝加哥，成本实际上还会增加6%，因为那里的天然气价格异乎寻常的低。另外，有些老旧房子没有安装新设备的空间，所以可能也无法进行升级改造。
然而，这些负绿色溢价给我们提出了一个显而易见的问题：如果热泵如此合算，那么为什么只有11%的美国家庭安装了这种设备？[10]
原因之一是，美国人每隔10年左右才会更换一次暖炉，大多数人手上又没有足够的闲钱，所以也就不会用热泵来替换尚可正常工作的暖炉。
除此之外，还有一种解释：过时的政府政策。20世纪70年代爆发能源危机以来，美国人一直试图减少能源的使用，所以各州政府出台种种激励措施，鼓励使用天然气暖炉和热水器来取代能效低下的同类电动产品。有些州还更改了建筑规范，使得房主更难将他们的天然气类设备换成电动产品。很多重视高能效而非低排放的政策仍在发挥效力，在这种情况下，减排行动就会受到限制，因为你无法把天然气暖炉换成电动热泵——即便这样做会给你省钱。
这种“愚蠢的监管”令人沮丧，但如果你换一个角度看，它又是好消息。这意味着除了给电网“脱碳”，我们不需要额外的技术突破就可以减少该领域的排放。电动替代产品已然存在，而且可以广泛使用；它不仅具有价格竞争优势，而且是实实在在的便宜。我们要做的就是确保政府政策跟上时代发展的步伐。
令人遗憾的是，尽管从技术上讲，我们可以通过电力手段实现取暖方面的零排放，但这个过程并不是一蹴而就的。即便我们解决了前文提到的自缚手脚的监管问题，也不可能在一夜之间就把所有的天然气暖炉和热水器换成同类电动产品。这就好比让全世界的乘用车一下子都变成电动车，是不现实的。从时下暖炉的使用寿命来看，如果我们设定一个目标，比如到21世纪中叶淘汰所有的天然气暖炉，那么到2035年就得停售此类产品。目前，在美国国内销售的暖炉中约有一半是使用天然气的。全世界范围内，化石燃料提供的热能总量比电力多6倍。
在我看来，这是我们需要先进生物燃料和电燃料的另一个原因。关于这些燃料，我在第七章中论述过。实际上，它们可以用于我们现在的暖炉和热水器，无须对产品进行改造，也不会增加大气中的碳。但就目前而言，这两个选项的绿色溢价都非常高（见表8–2[11]）。
这些绿色溢价对一个典型的美国家庭来说意味着什么？如果该家庭原本用取暖油取暖，那么改用先进生物燃料后，每个冬季需要至少多支付1 300美元；改用电燃料后，每个冬季需要至少多支付3 200美元。如果该家庭原本用天然气取暖，那么改用先进生物燃料后，每个冬季需要多支付840美元；改用电燃料后，每个冬季需要多支付近2 600美元。[12]
表8-2使用“零碳”替代品替代当前取暖燃料的绿色溢价
* 1撒姆天然气的体积约为2.74立方米。——编者注
显然，我们需要降低这些替代燃料的价格，而关于这一点，我在第七章已经论述过。我们还可以通过其他措施来给取暖系统“脱碳”。
尽可能地实现电气化，淘汰天然气暖炉和热水器，用电动热泵取而代之。在有些地区，政府要更新现有政策，允许和鼓励进行电气化升级改造。
在任何可能的地方，加快部署现有清洁能源，同时加大投资，致力于在电力生产、存储和传输等领域取得技术突破，进而实现电网“脱碳”。
更高效地利用能源。这看起来似乎有点儿矛盾，因为刚刚我还抱怨政府政策重视高能效而非低排放。事实是，这两者我们都需要。
这个世界正在经历一波巨大的建筑浪潮。为满足不断增长的城市人口的居住需求，到2060年，我们将增加2.5万亿平方英尺的建筑物——正如第二章中所提到的，这相当于每个月都再建一个纽约市，而且是连续40年不间断。可以肯定的是，其中很多建筑物将不会按照节能标准设计，在建成后的几十年里，它们只能以低效的方式利用能源。
好消息是，我们知道如何建造绿色建筑——只要我们愿意支付绿色溢价。位于西雅图的布利特中心就是一个极端例子（见图8–2[13]），作为世界最佳绿色商业建筑之一，布利特中心原本就是按照冬暖夏凉的要求设计的，这样可以降低其对暖气和冷气的需求，同时它也采用了其他节能技术，比如超高能效的电梯。得益于楼顶安装的太阳能电池板，有时它产生的能源比其消耗的能源还要多60%。即便如此，布利特中心还是接入了城市电网，因为在夜间及阴雨天，它仍需要外部电力供应，而连绵不断的阴雨天在西雅图很常见。[14]
尽管布利特中心的很多技术现在推广起来成本高昂（这也是它自开放起就被称作世界最佳绿色商业建筑之一，而且在之后的7年里一直保有这一头衔的原因），但我们仍可以用较低的成本提高住宅和办公楼的能源利用效率。比如，可以采用开发商所称的超密闭围护结构设计，尽量隔绝室内外的空气交换，同时使用高品质的保温隔热材料、三层玻璃窗和节能门等。我对装有“智能玻璃”的窗户也很感兴趣，这种玻璃会依照室温要求自动变色：若室内温度过高，它就会变暗；若室内温度过低，它就会变亮。新的建筑规范有助于推广这些节能理念，进而扩大相关产品的市场并推动其成本下降。我们可以建造很多高能效的建筑物，尽管它们不可能座座都像布利特中心一样节能。
图8-2 位于西雅图的布利特中心
我们现在已经讲完了温室气体排放的5个主要来源：电力生产与存储、生产和制造、种植和养殖、交通运输，以及制冷和取暖。我希望以下3点已经讲清楚了：
1. 这个问题极其复杂，涉及几乎所有的人类活动。
2. 我们手头已经有了一些现在就应该部署的减排工具。
3. 但我们还没有掌握所需要的全部工具。我们必须降低各个部门的绿色溢价，而这也意味着需要更多的发明。
在第十章到第十二章，我会给出具体的行动步骤。我认为，在开发和部署所需的工具方面，这些步骤会为我们提供最大可能性。但首先我想直面一个让我夜不能寐的问题：到目前为止，本书所讲的内容全都是关于如何减少排放，以及怎样才能把温度控制在我们所能承受的范围内，对于已然发生的气候变化，我们能够做什么呢？特别是，我们怎样才能够帮助极端贫困人口？要知道，他们在气候变化问题上要负的责任最小，遭受的损失却最大。
[1] A. A’zami, “Badgir in Traditional Iranian Architecture,” Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment conference, Santorini, Greece,May 2005.
[2] U.S. Department of Energy, “History of Air Conditioning,” www.energy.gov.“The Invention of Air Conditioning,”Panama City Living, March 13, 2014,www.panamacityliving.com.
[3] International Energy Agency, “The Future of Cooling,” www.iea.org.
[4] 电力占了全世界空间冷却系统所用能源的99%。在剩余的1%中，天然气占大头，主要用于驱动制冷设备。基于天然气的空调系统适用于独栋住宅，但占有的市场份额极小，以至于美国能源信息管理局都不采集这方面的数据。
[5] International Energy Agency, www.iea.org.
[6] The Future of Cooling, IEA (2018), www.iea.org/statistics. 版权所有；比尔·盖茨投资有限责任公司修改。
[7] The Future of Cooling, IEA (2018), www.iea.org/statistics. 版权所有；比尔·盖茨投资有限责任公司修改。
[8] U.S. Environmental Protection Agency, www.epa.gov.
[9] 荣鼎咨询。该表显示的是新建住宅中空气源热泵相较于天然气暖炉和电动空调的净现值。成本按7%的折现率计算，电力和天然气价格为截至2019年夏的价格，热泵生命周期为15年。
[10] U.S. Energy Information Administration, www.eia.gov.
[11] Rhodium Group, Evolved Energy Research, IRENA, and Agora Energiewende.零售价为2015—2018年美国国内的平均价格，“零碳”选项为当前预估价格。
[12] Rhodium Group, Evolved Energy Research, IRENA, and Agora Energiewende.零售价为2015—2018年美国国内的平均价格，“零碳”选项为当前预估价格。
[13] 图片来源：Nic Lehoux.
[14] Bullitt Center, www.bullittcenter.org.
