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零下44摄氏度毋须供暖设施 一体化设计创造能效奇迹
Jon Creyts,落基山研究所常务董事;Robert McIntosh,落基山研究所高级咨询师



卢安武的居所是一体化设计的最佳代言。

零下44摄氏度却毋须供暖设施,热能与水的需求降低99%,电力消耗降低90%,产生这一奇迹仅仅是因为更新了建筑设计理念

1983年,落基山研究所(RMI)联合创始人卢安武在海拔2200米的大山中修建了一栋建筑作为自己的住宅和办公室。虽然当地冬天最冷时有零下44摄氏度,但这栋建筑却没有安装任何供热系统。它依靠完美的设计满足了使用者对舒适度的需求:超高能效窗户引入自然光的同时锁住了室内热量;具有良好蓄热功能的地面基础使室内温度保持恒定,保证了舒适度;屋顶太阳能发电板为室内的电器供电;位于住宅中心的开放式温室为使用者提供自然光。

这栋住宅凭借设计本身就节约了99%的热能与水的需求,节约了其他方面90%的用电需求,且整个项目在不到10个月就收回了新增成本。这一创新设计为后来欧洲“被动房屋”运动中3万余座类似建筑以及落基山研究所最新落成的巴索尔特创新中心提供了灵感。今天,我们将这种设计概念称为“一体化设计”。

一体化设计能够以一次性的投资成本实现多重效益,并要求打破传统思维模式来确保创新解决方案。这是一种牵涉面远超过建筑设计的概念,要实现这些突破性的解决方案需要重视下列三个核心理念。

首先,关注终端用户的价值需求。房屋使用者并不一定需要电力、煤炭、天然气或是空调与冰箱,他们需要的是温度适宜的茶水和舒适的房间,并且要以高度便捷的方式满足这些需求。因此,如何以最低的成本提供这些价值才是我们的目标。通过一次性投资实现多重效益,能够确保资本及其回报得到优化。例如,在居住空间中心设计一处天井能够带来新鲜空气、热度、湿度以及光照。

其次,在关注终端用户价值的同时,打破设计局限进行全系统考虑。在传统设计中,效率常常意味着通过重复工作提高生产力:机械、结构和电气设计等标准各自独立进行,并根据过往经验进行复制或调整,常常出现设计过度或性能不佳的状况。通过整合设计,我们就有可能发现系统中的浪费:选择高性能窗户能够大幅提高建筑的隔热性能,因此能够降低对暖通空调系统容量的需求,使用超高效照明与电器能够减少它们散发的热量,从而降低建筑对空调系统的需求。如果设计得当,我们可以完全摆脱管道和空调系统,除了节约系统成本以外,这样做还能节约更多空间供用户使用、出租或缩小建筑规模,从而提高项目的整体经济性。

最后,在对比不同方案时,考虑整个系统寿命周期的成本与收益,而不仅关注前期投资。无论是在商业投资还是个人投资决策制定过程中,前期成本常常具有决定性作用。智能设计往往会增加前期投资,但收回成本也很快。高能效表现的窗户与电器、加厚的混凝土地基、太阳能发电板和其他调整手段确实增加了卢安武住宅的建设成本。但是,电费和天然气节约在不到一年的时间里就收回了这些成本,并且这些节约将会持续积累。当然,并不是所有项目都有这么高的经济性,但许多创新融资机制能够更好地平衡前期成本增量和长期收益之间的关系,从而克服此类项目可能会遇到的投资障碍。

落实了一体化设计的这三个关键点,我们就有更多机会在各个领域实现更大的经济价值,无论是基础工业工程还是城市设计等。

全球大约60%的电力用来驱动电机,而其中超过一半的电机用来驱动泵和风扇。根据不同电机的使用年限和型号,能够通过许多已知的经济手段提高电机效率,降低其总能源消耗达50%。但如果我们退后一步思考,利用一体化设计改造泵系统,将会获得更大的能源节约。

泵系统用来移动液体,通常是利用低价、标准的管道系统直角铺设。但若将直径小且弯曲的长管道替换为直径较大且弯角更平稳的短管道,就可以让泵系统的体积变小,大大降低泵系统所需的能源,且达到同样目的:移动液体。这样做不但能节约能源,同时还能降低三倍的空气污染和碳排放。

大约20年前,荷兰地毯制造商Interface Nederland公司在其上海的工厂建设项目中采用了一体化设计理念。通过重新设计进料系统,该公司降低了86%的能源需求,在降低成本的同时也减少了生产设施所占空间。通过以更短距离和直线路径输送液体(最终价值),用小泵和大直径管道替代大泵和小直径管道(通过全系统设计),虽然增加了前期建设成本,但打造出更高效的系统,很快就收回了投资成本。

类似的做法也可以应用在工厂的整体设计中。2009年,美国得州仪器公司运用一体化设计原理设计了其位于得克萨斯州理查德森的一处芯片制造厂,建筑面积约10万平方米。采用优化了的泵系统、变速电机、重力设计废物排放系统和深度余热回收系统,最终将制造厂年度能源消耗降低了20%,二氧化碳排放降低了50%,污水排放降低了35%,同时降低建筑运营成本达30%。这一标志性能效提升案例为日后所有芯片制造厂树立了一体化设计范例。

除了改变单个工厂外,我们还可以利用一体化设计改善整个产业部门能效。

如今,出行方式、电气化和无人驾驶等发展趋势在社会上得到广泛宣传。从一体化设计角度来看,它们创造的价值是实实在在的,我们面对的问题则来自当前以汽车为中心的交通系统中惰性的资本和效率低下的技术。

从终端用户需求入手,大部分汽车拥有者并不需要汽车,他们需要的是个性化出行方式。为了满足这一需求,一直以来大部分美国人的选择是购买汽车。但事实上,私家车在95%的时间里都闲置在停车场。而当汽车上路时,由于交通拥堵,只在约2%的时间里汽车能够高效地将乘客运送到目的地。这是一个效率非常低下的系统!更糟糕的是,在美国,多数汽车里只坐着一名乘客。我们计算了使用重达1500千克的汽车运送重量仅为80千克乘客的能量转化率,结果是汽车消耗的能源中仅有1%直接用于为乘客提供出行服务。显然,这是一个亟须一体化再设计的低能效系统。

汽车电气化和轻体化都是对前期投资要求较高的技术,但它们能够通过行驶过程中的能源节约来收回成本,而且大幅提升出行系统中的能源转换效率。优步和滴滴等提供的车辆分享服务能够提高个体车辆的利用率,有助于加快此类技术的投资回收速度。而自动驾驶技术能够进一步提高利用率并将司机成本从系统中剔除,以更低的成本提供更多出行服务,从而更显著地改善系统效率。因此,苹果、谷歌、百度等商业巨头都如此专注于开发此类解决方案。

从社会角度来看,以全系统思维模式重新布局城市系统能够进一步实现优化出行的经济效益。在这里,我们可以通过开发更多多功能社区和更适于步行的城市区域来降低市民长距离出行的需求,这样我们就可以通过一体化设计使市民更加便捷地满足其各自的工作、生活和娱乐等需求。

通过研发轻体汽车、电动车以及自动驾驶汽车,能够在不久的将来重新定义人与汽车的关系。我们的研究分析表明,未来几年美国汽车持有量将达到峰值,然后开始下降,而且每乘客每公里平均成本将比现有水平降低四分之三。

一体化设计能够发现和解决消费者的真正需求,无论是舒适度、传输液体、制造产品还是完成出行。一体化设计可以催生重新思考、重新设计或重新制造产品或服务的市场机遇,落基山研究所预计,仅在美国,这些市场机遇的潜在规模就可超过每年1万亿美元。

当今是一个技术和商业模式都处在颠覆式变革的时代,一体化设计就是这样的双重颠覆。通过帮助我们建设更好的建筑,制造更好的汽车,搭建更好的交通网络以及基础设施,一体化设计将成为新时代下的经济核心要素。

文章原载于《财经》杂志