Menschen, wie alle Säugetiere, verbrauchen Energie, um ihre Innentemperatur in einem gesunden Bereich zu halten. Moderne menschliche Städte – weil wir sie so gebaut haben – tun dasselbe.
Eine in der Zeitschrift veröffentlichte Studie PLOS-Klima wirft einen neuen Blick darauf, wie sich der Energieverbrauch im Haushalt bei steigenden Temperaturen ändert, und wendet dabei ein Modell an, das traditionell für die Untersuchung von Tieren verwendet wird.
Für Stadtplaner, Energieunternehmen und Notfallmanager hat die Arbeit Auswirkungen auf die Sicherheit des Energienetzes, Kostenvorhersagen und die Rettung von Menschenleben vor Hitzewellen. Und für die Seniorin der University of Arizona, die Hauptautorin der Studie, ist das Projekt der Höhepunkt einer Bachelor-Karriere und ein Sprungbrett auf ihrem Weg, Gemeinden dabei zu helfen, widerstandsfähiger gegen Umweltveränderungen zu werden.
Ein „Juckreiz, Forschung zu betreiben“
Halley Hughes ist wissenschaftliche Mitarbeiterin im Programm Bridging Biodiversity and Conservation Science am Arizona Institute for Resilience der Universität. Sie begann die Arbeit, die zu dem Zeitschriftenartikel führte, auf dem Höhepunkt des pandemischen Lockdowns. Sie war gelangweilt und sagte, sie habe „das Bedürfnis, Nachforschungen anzustellen“.
Hughes wandte einen Ansatz an, der Gebäude – und in größerem Maßstab Städte – so behandelt, als wären sie Lebewesen. In gewisser Weise, sagte sie, macht es Sinn.
„Menschen haben Gebäude gebaut, und wir nutzen Gebäude, um eine normale Temperatur für uns aufrechtzuerhalten. Dazu verwenden die Gebäude externe Energie in Form von fossilen Brennstoffen oder, wenn Sie Glück haben, alternative Energiequellen“, sagte sie.
Der Ansatz wurde von Richard Hill entwickelt, einem inzwischen pensionierten Biologen an der Michigan State University, der ein mathematisches Modell anwendete, das zur Untersuchung der Regulierung der Körpertemperatur von Säugetieren auf einem völlig neuen Gebiet entwickelt wurde: Er untersuchte, wie menschengemachte Infrastruktur Energie auf die gleiche Weise nutzt, um Innenräume zu regulieren in kalten Klimazonen.
Die Studie von Hughes erweitert die Arbeit von Hill und wendet das Modell an, um die Auswirkungen von heißem Wetter auf den Energieverbrauch in Gebäuden zu untersuchen.
„Dr. Hill hat sich kalte Stellen angeschaut“, sagte sie. „Wir haben uns ganz Arizona angesehen, einschließlich Städte, die bis zu 120 Grad Fahrenheit heiß werden können.“
Hughes verwendete öffentlich zugängliche Daten von 10 großen Energieunternehmen in Arizona, um den Energieverbrauch in Bezug auf die Außentemperatur für eine große Mehrheit der Bevölkerung des Bundesstaates zu untersuchen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass Gebäude mehr Energie benötigen, um die Innentemperatur zu regulieren, wenn es heißer ist. Hughes hat gezeigt, dass die Zusammenführung wissenschaftlicher Disziplinen zur Untersuchung des städtischen Energieverbrauchs Stadtplanern effektive Werkzeuge zur Vorbereitung auf hohe Temperaturen an die Hand geben kann.
Der „Vorteil unserer Unterschiede“
Ein wesentlicher Vorteil dieser Arbeit besteht darin, dass sie zur Vorhersage des zukünftigen Energiebedarfs verwendet werden kann, sagte Hughes. Für Energieunternehmen, erklärte sie, könne die vorherige Kenntnis des Energiebedarfs eines Versorgungsgebiets dazu beitragen, Ereignisse wie Stromausfälle zu vermeiden.
„Das hier dokumentierte allgemeine Muster und seine Übereinstimmung mit der allgemeineren Theorie ist wirklich aufregend und eindrucksvoll zu sehen“, fügte ihr Mentor Dave Breshears hinzu, ein Regents-Professor an der School of Natural Resources and the Environment.
Hughes fand auch Hinweise auf Energieunsicherheit in Stadtteilen mit niedrigem Einkommen, indem sie das Pro-Kopf-Einkommen aus Volkszählungsdaten mit ihrer Karte des Energieverbrauchs verglich.
„An diesen Orten zögern die Menschen wahrscheinlich, ihre Energie einzuschalten, um Geld zu sparen“, sagte sie, „was zunehmend gefährlich werden könnte, wenn die Energiekosten und Temperaturen weiter steigen.“
Der Co-Autor der Studie, Ladd Keith, Assistenzprofessor für Planung und nachhaltige gebaute Umgebungen der UArizona am College of Architecture, Planning and Landscape Architecture und wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fakultät am Udall Center for Studies in Public Policy, stimmte zu.
„Diese Studie liefert einen wichtigen Kontext für die Wärmeplanung und -steuerung, da das Hitzerisiko in unseren Gemeinden aufgrund des Klimawandels weiter zunimmt“, sagte er.
Da Hughes Open-Access-Daten aus nationalen und universitären Datensätzen verwendete, kann jeder die Studie wiederholen oder replizieren, was bedeutet, dass die Forschung auf jede Region im ganzen Land angewendet werden könnte.
Neben Hughes, Breshears und Keith hat auch Kimberly Cook, eine Bibliotheks- und Informationswissenschaftlerin und Doktorandin am Department of Biology der University of Kentucky, zu dem Artikel beigetragen. Und Joseph Robert „Robbie“ Burger, ein ehemaliger Postdoktorand des Bridging Biodiversity and Conservation Science-Programms, steuerte die Idee bei, Hills Ansatz anzuwenden, um Städte zu untersuchen, die durch Hitze gestresst sind.
„Interdisziplinäre Arbeit in der Forschung ist so entscheidend, um wirklich aufschlussreiche und nützliche Ergebnisse zu liefern“, sagte Hughes und merkte an, dass sie schätzte, wie die Autoren verschiedene Fachgebiete in ihre Studie einbrachten. „All diese unterschiedlichen Interpretationen haben uns geholfen, die Daten besser zu verstehen. Es war ein großer Vorteil unserer Unterschiede.“
Hughes, ein ausgezeichneter Student, wird dieses Jahr seinen Abschluss mit einem doppelten Hauptfach in Ökologie des globalen Wandels und Stadt- und Regionalentwicklung am College of Agriculture and Life Sciences machen. Ihre Abschlussarbeit untersucht die Auswirkungen von Wärme auf den Energieverbrauch in Fertighäusern in Tucson.
Sie hofft, dass ihre Erfahrung in der Forschung und frühen Veröffentlichung dazu beitragen kann, andere Studenten im Grundstudium zu inspirieren, sich ebenfalls in der Wissenschaft zu engagieren.
„Studenten sollten sich nicht von der Forschung einschüchtern lassen“, sagte sie. „Es ist ein ermächtigender Prozess, und es gibt so viele Möglichkeiten an der University of Arizona, sich in der Wissenschaft zu engagieren.“
Ihren Kommilitonen schlägt sie vor: „Zögern Sie nicht, mit der Forschung zu beginnen, nur weil Sie Student sind. Sie können auch eine Arbeit schreiben.“
Die UArizona Undergraduate Research Task Force zielt darauf ab, alle Universitätsstudenten mit vielfältigen Forschungsmöglichkeiten zu verbinden.
Neben ihrer Liebe zur Wissenschaft interessiert sich Hughes auch leidenschaftlich für Wissenschaftskommunikation, ein Interesse, das sie als Liverman-Stipendiatin bei den Bildungsinitiativen des Arizona Institute for Resilience und als preisgekrönte Korrespondentin für Planet Forward, ein Projekt der George Washington University, das lehrt, fördert , feiert und belohnt effektives Geschichtenerzählen zu Umwelt und Wissenschaft durch eine Vielzahl von Medien. Sie ist Co-Direktorin von UArizona Students for Sustainability und Mitglied des Beratungsteams für den neuen Nachhaltigkeits- und Klimaschutzplan der Universität.
„Halleys Arbeit ist ein perfektes Beispiel dafür, wie unsere Resilienzinitiativen im AIR (dem Arizona Institute for Resilience) darauf abzielen, Bildung, Forschung und Wirkung zu kombinieren“, sagte Kevin Bonine, Direktor des Programms für Bildungsinitiativen von AIR. „Die von unserem Programm angebotenen Praktika und Stipendien befähigen Studenten zu praktischen Erfahrungen und lehren sie, wie sie durch Wissenschaft und Umweltkommunikation sinnvolle Veränderungen in ihren Gemeinden und auf der ganzen Welt bewirken können.“
Mehr Informationen:
Halley B. Hughes et al., Reaktion des Haushaltsenergieverbrauchs auf extreme Hitze mit einem biophysikalischen Modell der Temperaturregulierung: Eine Fallstudie aus Arizona, PLOS-Klima (2023). DOI: 10.1371/journal.pclm.0000110