3
Totten Sustainable Worldview Column, Solar Today magazine, Jan/Feb 2009 Cool Cities hold promise to reduce climate change Research shows lightcolored roofs and pavements are costeffective ways to save energy and reduce atmospheric pollution. By Michael Totten For a quarter century, working at the Lawrence Berkeley National Laboratory, the inimitable Dr. Art Rosenfeld (now Commissioner on the California Energy Commission), and his research partner Dr. Hashem Akbari ("Dr. Cool"), have been accumulating evidence on the immense value cities can accrue by increasing the albedo  that is, the reflectivity  of  road and rooftop surfaces. Incredibly, the cost of  transforming a city into a solarreflecting mirror saves money, while achieving significant CO2 mitigation at a negative cost. In the recent issue of  the  journal Climatic Change, Akbari, Rosenfeld and their colleague Surabi Menon estimate cumulative worldwide economic savings could exceed $1 trillion while effectively displacing the equivalent of  44 gigatons of  CO2 from the atmosphere. Sound too good to be true? That's what Los Angeles officials thought back in the 1980s. Rosenfeld and Akbari estimated that if  the city could reduce its heat island effect with higher albedo surfaces, it might save half  a billion dollars a year in energy and pollutionabatement costs. This would include a 12 percent reduction in lungsearing ozone pollutants. The rest, one could say, was making history. In the current times when politicians are rushing to subsidize ridiculously costly and risky solutions to society's energy and climate problems, Akbari and Rosenfeld offer a refreshing dose of  fiscal frugality while leveraging globalscale benefits. The following Q&A captures their pioneering spirit of  innovative research that moved their insights from the lab to the marketplace. MT: Art, what prompted the idea of  cooler cities? AR: Back in 1985 my LBNL colleagues Hashem Akbari, Haider Taha and I realized that hot, dark roofs and pavements were half  of  the cause of  summer urban heat islands, which in turn increased the smog (ozone, O3) in Los Angeles and many other large cities. We already disliked hot roofs because they raise airconditioning demand by 20 percent, and we had long been trying to get building energy codes to give credit for cool roofs. Throughout the world, cities are summer  heat islands. They are  to 10º F hotter than their surroundings, and as cities grow, they typically add  F each decade. A few percent of  this heating is manmade (from cars and air conditioners, for instance), but overwhelmingly it comes from two roughly comparable sources: air blows over darkcolored roofs and pavements and warms by conduction, and trees, which cool the air by evapotranspiration,  are disappearing. MT: As you further analyzed these scientific observations, what emerged in terms of  economic opportunities for changing this urban heat island effect? AR: The saving of  electricity and avoidance of  smog costs little. At the time of  roof  replacement, a new lightreflecting roof  costs little more than a dark one, but will last longer. Pavements can be cooled two different ways: retain asphalt as the binder, but use white aggregate that will 

Totten Column Cool Cities Solar TodayJan-Feb 09 Final Version

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Totten Column Cool Cities Solar TodayJan-Feb 09 Final Version

8/6/2019 Totten Column Cool Cities Solar TodayJan-Feb 09 Final Version

http://slidepdf.com/reader/full/totten-column-cool-cities-solar-todayjan-feb-09-final-version 1/3

Totten Sustainable Worldview Column, Solar Today magazine, Jan/Feb 2009 

Cool Cities hold promise to reduce climate change 

Research shows light‐colored roofs and pavements are cost‐effective ways to save energy and 

reduce atmospheric pollution. 

By Michael Totten 

For a quarter century, working at the Lawrence Berkeley National Laboratory, the inimitable Dr. 

Art Rosenfeld (now Commissioner on the California Energy Commission), and his research 

partner Dr. Hashem Akbari ("Dr. Cool"), have been accumulating evidence on the immense value 

cities can accrue by increasing the albedo — that is, the reflectivity — of  road and rooftop 

surfaces. Incredibly, the cost of  transforming a city into a solar‐reflecting mirror saves money, 

while achieving significant CO2 mitigation at a negative cost. In the recent issue of  the  journal 

Climatic Change, Akbari, Rosenfeld and their colleague Surabi Menon estimate cumulative 

worldwide economic savings could exceed $1 trillion while effectively displacing the equivalent 

of  44 gigatons of  CO2 from the atmosphere. 

Sound too good to be true?  That's what Los Angeles officials thought back in the 1980s. 

Rosenfeld and Akbari estimated that if  the city could reduce its heat island effect with higher 

albedo surfaces, it might save half  a billion dollars a year in energy and pollution‐abatement 

costs. This would include a 12 percent reduction in lung‐searing ozone pollutants.  The rest, one 

could say, was making history. In the current times when politicians are rushing to subsidize 

ridiculously costly and risky solutions to society's energy and climate problems, Akbari and 

Rosenfeld offer a refreshing dose of  fiscal frugality while leveraging global‐scale benefits. The 

following Q&A captures their pioneering spirit of  innovative research that moved their insights 

from the lab to the marketplace. 

MT: Art, what prompted the idea of  cooler cities? 

AR: Back in 1985 my LBNL colleagues Hashem Akbari, Haider Taha and I realized that hot, dark 

roofs and pavements were half  of  the cause of  summer urban heat islands, which in turn 

increased the smog (ozone, O3) in Los Angeles and many other large cities. We already disliked 

hot roofs because they raise air‐conditioning demand by 20 percent, and we had long been 

trying to get building energy codes to give credit for cool roofs. Throughout the world, cities are 

summer heat islands. They are 3º to 10º F hotter than their surroundings, and as cities grow, 

they typically add 1º F each decade. A few percent of  this heating is manmade (from cars and air 

conditioners, for instance), but overwhelmingly it comes from two roughly comparable sources: 

air blows over dark‐colored roofs and pavements and warms by conduction, and trees, which 

cool the air by evapotranspiration, are disappearing. 

MT:  As you further analyzed these scientific observations, what emerged in terms of  economic 

opportunities for changing this urban heat island effect? 

AR: The saving of  electricity and avoidance of  smog costs little. At the time of  roof  replacement, 

a new light‐reflecting roof  costs little more than a dark one, but will last longer. Pavements can 

be cooled two different ways: retain asphalt as the binder, but use white aggregate that will 

Page 2: Totten Column Cool Cities Solar TodayJan-Feb 09 Final Version

8/6/2019 Totten Column Cool Cities Solar TodayJan-Feb 09 Final Version

http://slidepdf.com/reader/full/totten-column-cool-cities-solar-todayjan-feb-09-final-version 2/3

show as the dark asphalt wears down to the light aggregate color, or “white top” with concrete, 

which is stronger and actually cheaper in the long run. In Los Angeles, trees shading a lawn 

actually save water because the trees, after a few years of  watering, survive on natural ground 

water, whereas the cooler lawn requires less municipal water. 

MT: That was nearly a quarter century ago. Hashem, what is your current assessment given the 

extensive research, testing, and cumulative evidence? 

HA: These two simple technologies, cool roofs and cool pavements, which have been around for 

thousands of  years, should be the first geoengineering techniques used to combat global 

warming. This is due to a combination of  the direct and indirect effects of  light‐colored surfaces. 

Directly, light‐colored roofs reflect solar radiation, reducing air‐conditioning use. For highly 

absorptive roofs, the difference between the surface and ambient air temperatures may be as 

high as 90° F, while for highly reflective roofs with similar insulative properties, the difference is 

only about 10° F. For this reason, "cool" roofs are effective in reducing cooling energy use. 

Indirectly, the light‐colored surfaces in a neighborhood alter the surface radiative energy 

balance, resulting in lower ambient temperature. The higher albedo (heat‐reflecting) surfaces 

directly cool the world (0.01 Kelvin) quite independent of  avoided CO2. 

MT:  Can you further explain the benefit of  altering the surface radiative energy balance? 

HA: Albedo is defined as a number between 1 and 0 indicating the fraction of  incident radiation 

that is reflected, including the invisible ultraviolet and near‐infrared parts of  the spectrum. 

Planet Earth now has an average albedo of  0.3 — that is, it reflects about 30 percent of  the 

sunlight that lands on it. There is great potential in the United States and worldwide for cool 

roofs. Currently more than 90 percent of  the roofs in the United States are dark colored, with an 

average albedo of  approximately 0.15. The higher albedo of  a cool roof  instantly reduces the 

amount 

of  

heat 

that 

can 

be 

trapped 

by 

the 

Earth’s 

greenhouse 

gases. 

MT: What do you estimate in savings by shifting to a higher albedo cool roof? 

HA: Most existing flat roofs are dark and reflect only 10 to 20 percent of  sunlight. Resurfacing 

the roof  with a cool white material that has a long‐term solar reflectance of  0.60 or more 

increases its solar reflectance by at least 0.40. We estimate that retrofitting 100 square meters 

(1,076 square feet) of  roof  offsets 10 metric tonnes of  CO2 emission. That would be worth $250 

at the current European Trading System price. 

It is fairly easy to persuade (or to require) the owners of  buildings to select white materials for 

flat roofs, and in California this has been required since 2005. However, the demand for white 

sloped roofs is limited in North America, so California compromises by requiring only “cool 

colored” surfaces for sloped roofs. This rule takes effect in July 2009. Use of  cool‐colored 

surfaces increases solar reflectance by about 0.20 and yields a CO2 offset of  about five tonnes 

per 100 m², or about half  that achieved with white surfaces. The solar reflectance of  pavement 

can be raised on average by about 0.15, offsetting about four tonnes of  CO2 per 100 m². 

The solar reflectance of  a freshly installed asphalt pavement is about 0.05. Aged asphalt 

pavements have a solar reflectance between 0.10‐0.18, depending on the type of  aggregate 

Page 3: Totten Column Cool Cities Solar TodayJan-Feb 09 Final Version

8/6/2019 Totten Column Cool Cities Solar TodayJan-Feb 09 Final Version

http://slidepdf.com/reader/full/totten-column-cool-cities-solar-todayjan-feb-09-final-version 3/3

used in the asphalt mix. A light‐color (low in carbon content) concrete can have an initial solar 

reflectance of  0.35‐0.40 that will age to about 0.25‐0.30. 

Over 50 percent of  the world population now lives in urban areas, and by 2040 that fraction is 

expected to reach 70 percent. Pavements and roofs comprise over 60 percent of  urban surfaces 

(roofs 20 to 25 percent, pavements about 40 percent).  The global roof  area is about 380,000 

square kilometers, and paved surface area about 530,000 km². So, the cumulative total of  global 

atmospheric CO2 equivalency potentials for cool roofs and cool pavements are 12 gigatonnes 

and 10 Gt of  CO2, respectively. Given that only 52 percent of  the emitted CO2 stays in the 

atmosphere, the total global emitted CO2 equivalent potential for cool roofs and pavements is 

actually 44 Gt of  CO2. 

Permanently retrofitting urban roofs and pavements in the tropical and temperate regions of  

the world with solar‐reflective materials, and offsetting 44 billion tonnes of  emitted CO2, is 

worth $1.1 trillion at $25 per tonne. 

MT: How can such opportunities be captured in cities around the world? 

HA: Installing cool roofs and cool pavements in cities worldwide does not require delicate 

international negotiations about capping CO2 emission rates. An international cool cities 

program can be used as a model to organize the world’s efforts to mitigate global warming. We 

propose an international campaign to use solar reflective materials when roofs and pavements 

are initially built or resurfaced in temperate and tropical regions. Let developed countries offer 

$1 million per large city in a developing country, to trigger a cool roof  and pavement program in 

that city. Such an international “cool cities” program is a win, win, win proposition. 

Pull quote: Installing cool roofs and cool pavements in cities worldwide does not require delicate 

international negotiations about capping CO2 emission rates. And it can save 44 billion metric 

tonnes 

of  

CO2 

annually. 

Caption: [Editor: check with Dr. Hashem Akbari ‐ email is [email protected] ‐ for high‐quality 

photos of  several large white‐surfaced buildings]  This Los Angeles warehouse, roofed in white, 

saves about (TKK) in air‐conditioning costs and offsets roughly TKK tons of  CO2 annually.