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美國帝國大廈：建筑減排的綠色地標
如果要為建筑節能減排豎立一座地標,再也沒有比帝國大廈改造項目更具代表性的了。2008年2月,由克林頓氣候行動計劃(TheClintonClimateInitiative,簡稱CCI)發起的帝國大廈減排項目悄然啟動。一年半之后,在這座久負盛名的建筑幾乎看不到變化的外表之下,綠色的心臟已經開始搏動。改造完成后,帝國大廈將比過去減少38%的二氧化碳排放量。 作為紐約市乃至美國的標志性建筑,帝國大廈(EmpireStateBuilding,其中EmpireState是紐約州的別稱)建成于1931年。對于人來說,78歲是一個垂邁的年齡。但在建筑學上,帝國大廈正值壯年。在1933年的電影《金剛》及2005年的重拍版中,金剛爬到帝國大廈頂端和戰斗機一番搏斗之后,跌落而死,但大廈巍然不動。直到今天,這座位于第五大道和西三十四街交叉口的102層摩天大樓,仍被美國土木工程師協會喻為世界七大工程奇跡之一。它以及其底層地基被紐約城市標志保護委員會指定成為1986年的國家歷史標志。 帝國大廈建造時采用了當時最先進和昂貴的材料科技,這使它堅不可摧。同時,帝國大廈的內部裝修以豪奢著稱,這反映了美國在那個時代對經濟奇跡的追求。帝國大廈建成時,正值西方經濟大蕭條,當時的人們對花費巨資建造這樣一座高樓不乏爭論。不過當經濟復蘇之后,美國很快進入了帝國式的野心擴張時代,帝國大廈也被人們視為美國在逆境中不放棄夢想與野心的象征,并與自由女神一起成為紐約市的地標建筑。 2008年,美國又一次陷入經濟危機。與70多年前不同的是,這一次,人們終于承認不應只追求住在更高、更大、更昂貴的房子里,而應轉向關注如何在不破壞自然生態的條件下實現可持續生存。帝國大廈注定在這一次變革中擁有不可替代的位置。一批環保主義者發動起來,他們不僅發起和參與了帝國大廈的減排項目,更將其視為帝國資本主義時代結束的標志,呼吁人們改變自己的生活和消費習慣,呼吁商業機構以尋求“綠金”的方式提供支持。 在這座美國的地標建筑面前展開的,不僅僅是一座建筑的節能改造計劃,而是屬于下一個時代的經濟夢想。 克林頓與帝國大廈 即便在摩天高樓鱗次櫛比的曼哈頓,帝國大廈也是一道單獨的風景。幾乎每一個來紐約的人,都希望登上帝國大廈1050英尺高的觀景平臺,從那里俯瞰紐約全貌。它的一舉一動是如此引人關注,以至于節能改造計劃提出后不久,就變成了一個公眾項目。CCI由美國前總統比爾?克林頓于2006年8月發起成立,隸屬于克林頓基金會(ClintonFoundation)。退休后的克林頓熱衷于公益活動,曾被授予“杜魯門公共服務獎”。CCI致力于減少全球40座大城市的溫室氣體排放,對抗氣候變暖。 政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2007年發布的報告指出,人類是造成近250年來氣候劇變的主要原因。所有那些曾經被用來展示人類改造自然的雄心的工業活動,包括石油、鋼鐵和建筑產業在內,所排放的二氧化碳對氣候帶來的影響,超過了之前40萬年的總和。按照現在的排放增長速度,人類很有可能在這個世紀末面臨生存危機。作為行動計劃中最重要的內容之一,CCI希望通過與能源服務公司、金融機構以及政府的合作,為那些能耗驚人的現代建筑提供節能減排方案。對帝國大廈的改造,就是這個計劃中至關重要的一步。CCI首先要說服帝國大廈的所有者,讓他們同意為這個巨人動一個“小手術”。CCI向帝國大廈的管理團隊承諾說,手術將不影響帝國大廈的日常運營,租戶仍然可以在改造期間在這里正常工作,游客們仍然可以到“金剛曾攀爬過”的頂層觀光。一切改造都將是靜悄悄的。 紐約并不是最需要減排改造的城市。事實上,橫亙在帝國大廈腳下的這塊土地,是美國最環保的城市之一。由于發達的公共交通網絡,極高的人口密度以及較小的平均住宅面積,紐約市的人均碳排放量僅為美國平均水平的1/3。同時,紐約還聲稱到2030年,要將目前的碳排放量再減少30%。但CCI的目標是建立一個讓全美國仰視的地標,用一個項目去影響整個世界。最終,這一點打動了決策人。“帝國大廈變綠的主意能夠同樣激勵其他國家的建筑所有者,因為帝國大廈被視為是紐約的代表性建筑。”凱蘿?威利斯說,她是紐約摩天大樓博物館的創始人和館長。 帝國大廈所能影響的建筑行業,是全球二氧化碳排放量占比最大的領域。在美國,現有建筑的氣體排放占到了城市溫室氣體排放總量的50%-80%。根據建筑所有者及管理者協會的統計,80%的建筑樓宇生命周期成本都發生在其建成之后,其中18%來自使用成本。這說明了建筑節能改造項目在經濟上的必要性。 一開始,說服帝國大廈接受節能改造項目的工作并不順利。但2008年金融危機的蔓延,讓局面發生了戲劇性的變化。當一個國家的經濟因為過度揮霍而陷入危機時,你有什么理由拒絕一個別人已經伸出援手的節能項目呢?帝國大廈不僅是一棟建筑,更是一個年直接營業額超過2000萬美元,擁有上千家知名跨國公司入駐的商業王國。“對于可持續性,我們有一個十分深厚的承諾。”帝國大廈公司可持續項目負責人托尼·馬金說,“如果不將可持續性納入到我們的商業和生活考慮之中,我們將會對未來產生極大的危害。” 2008年2月,在CCI與帝國大廈達成關鍵共識之后,相關機構的工程師們迅速圍繞這個項目組織起來。項目的參與者都是行業精英,他們想在歷史上留下自己的足跡。CCI負責資源組織和行動傳播,仲量聯行(JLL)是項目管理人,江森自控(JCI)是首選的能源服務公司,落基山研究院(RMI)提供可持續策略的專家支持。 膝蓋法則 為帝國大廈這樣一座建筑制定節能減排計劃,顯然沒有百科全書可以參照。合作團隊建立之初,在2008年4月到11月的最初6個多月中,一直都在為一個問題爭論不休:究竟該設定多高的減排目標? 這是一個很容易理解的矛盾:你完全可以讓整棟大樓實現零排放。當然,這也許意味著上億美元的投入。如果不能在可衡量的時間段內收回投資,項目就會變成一個自欺欺人的笑話,這將違反建立“綠色地標”的初衷。但如果只考慮成本的話,那么最好干脆不要開工,因為對于這棟擁有204385平方米建筑面積的巨人來說,任何一個微小項目的改造都耗資巨大。僅僅更換6500扇窗戶,就需要投入上百萬美元。如果要更新空調系統,更是一個天文數字。 最終,工程師們達成了共識。他們繪制了一條成本收益曲線。橫軸是投入,縱軸是減排量。曲線與預計的一樣,投入是隨減排量增加而增加的。但在基數較小的情況下,如果增加投入,減排效果很明顯,這時曲線的斜率是陡峭的。而當投入達到一定數值之后,曲線的斜率會變緩,換句話說,隨投入增加而帶來的減排效果就不那么顯著了。最終,他們選擇了曲線上斜率發生最大轉折的點,這個點被稱為“膝蓋”,它代表了在一定情況下,投入產出比最為經濟的一點。 在“膝蓋”點上,那些在現有設備基礎上進行的改良和效率提升行為,通常優先于那些依賴新設備投資的節能措施。項目組達成的共識可以用一句話來概括:我們沒有辦法將墻壁推倒重建,但我們可以選擇改造對象。一個例子是空氣控制單元改造方案的設計。工程師們認為,與其以同樣的設備替換掉老設備,不如嘗試使用不同速率的風扇。盡管邊際成本會更高,但根據溫度來控制風速能夠更有效地提高能效,并且帝國大廈只需要在每層的兩個點而不是過去的四個點安裝風扇。 另一個例子是蒸汽散熱器(即暖氣片)的改造方案設計。帝國大廈現有散熱器的效率并不高,原因在于大樓的隔熱效果不佳,現有散熱器的熱量有一半都通過墻壁傳到大樓以外。只要在散熱器后面安裝隔熱裝置,就可以實現采熱效率的提升。根據設計,這個項目完成后,每年可減少480噸二氧化碳排放,節能6.9千兆英熱單位(Britishthermalunit,簡稱Btu),節省成本19萬美元。 盡管投入有限,但根據“膝蓋”點設計的改造方案,最后的減排空間仍然巨大。工程師們希望帝國大廈能夠在未來15年內,降低38%的能耗,減少105000噸二氧化碳的排放。與此相比,普通的建筑節能改造工程通常只能帶來10%-20%的能耗節省。 玻璃工廠與租戶管理 在工程師們最終選定的8項改造項目中,多半是對現有設備和能耗管理方式的改造,在設計和施工中,它們或許比安裝新設備要更復雜。不過,工程師們更愿意看到其中蘊藏的創意空間。對于他們來說,作為上一個時代的建筑,帝國大廈在能源使用的每一個細節上都過于浪費了。 窗戶是一個很容易被忽視的細節。帝國大廈有超過6500扇窗戶,這就像是6500個導熱孔。窗戶的隔熱效果比墻壁更差。冬季,房間內的熱量會通過窗戶流失,這意味著需要更多的供暖才能保持溫度。夏季,房間內的冷氣也會通過這里逃逸,這意味著更多的空調耗電。工程師們設計了一項窗戶改造計劃,他們通過對夾層內進行覆膜和充入惰性氣體,從而阻止窗戶的熱傳導。考慮到大廈南北日照的不同,選擇不同的覆膜和氣體可以實現更精細的能耗節約。這項改進每年將為大廈節省41萬美元的開支。 有趣的是,最早的改造計劃并不包括窗戶在內。直到后來,工程師們發現增加這個項目的邊際成本并不高。“如果你本來就要打擾到租客,讓他們搬來搬去,不如一起換了更節能的玻璃。”卡羅琳說。 仲量聯行的建筑師指出,為雙層玻璃覆膜和充氣并不是什么新技術,但用在這里簡單有效。這正是很多改造項目的特色所在。“我們使用原有的窗框,替換掉原來的窗扇,保留并清潔原有的玻璃。但是在兩層玻璃之間,我們會插入一層低發射率的薄膜。所以即使被稱為是三重玻璃,其實只是在兩層既有的玻璃之間插入了一層薄膜。”更換窗戶的工作由江森自控負責。2009年3月份起,帝國大廈的窗戶被分批更換。這項工作本身也是一個可持續的挑戰。帝國大廈不希望改造工作被那些前往86層觀光的游客們發現。更重要的是,帝國大廈是紐約這個活力之都的心臟,它根本不 可能為了配合改造而停止自己的運轉。此外在這個擁堵不堪的紐約繁華地段,幾乎沒有運輸、裝卸這些大件的條件。 最終,工程師們在帝國大廈5層建立一個玻璃工廠。白天生產玻璃,晚上則進行更換工作。在整個的過程中,沒有一塊窗戶離開大廈。每天工人們可以更換50塊窗戶,整個大廈的窗戶完成更換,大約需要4個月的時間。現在,這項工作已經接近尾聲。盡管算不上高效率,但在現有的條件下,這畢竟是最好的選擇了。 “玻璃工廠”式的創新,在帝國大廈的改造方案中并不鮮見。其中最具特色的,還有租戶能耗管理方案。 工程師們確認了3個與租戶的能源使用相關的關鍵項目:租戶預先裝修項目,租戶設計準則以及租戶能源管理項目。基于預先裝修的設計準則將提高帝國大廈的環保標準。而這一設計準則,每年將為租戶帶來每平方 英尺0.7-0.9美元的運營成本節省。更重要的是,租戶們在日常辦公中,可以根據技術、經濟因素來調整建議措施中的組合。為此,帝國大廈細分了每個辦公空間,并建立一套反饋系統,租戶只要登陸互聯網,就可以查詢他們的能源使用和改進情況。 統計數據顯示,四年內,大約有40%的帝國大廈的租戶會發生變動。因此,向租戶推廣能耗管理方案是一種長期的銷售工作,而非一次性的技術開發工作。對于新的租戶來說,重要的是得到及時的指導。為此,帝國大廈在第42層開辟了一個專門空間,為潛在的租戶提供節能管理方案的展示。租戶們在這里會了解到節能方案中的關鍵設計及其節能管理方法,包括低壓空調系統、照明系統、高性能玻璃、輕型貨架和窗簾以及當 地生產的高回收率的建筑材料等。 三年回本 在整個設計中貫徹“膝蓋”原則,不僅是為了滿足帝國大廈對成本的考慮,同時也是為了檢驗改造方案的可復制性。美國75%的商業建筑的樓齡都在20年以上,改造現有的建筑變得至關重要。它們沒有條件按照理論上的方式,從設計開始進行綠化。但帝國大廈的實踐證實,在舊建筑的基礎上進行有限投入的節能改造,仍能建立一條卓有成效的減排路徑。如果一座二戰前的建筑能夠達到節能38%的標準,其他建筑為什么不能呢? 仲聯量行的工程師承認,那些辦公大樓的業主們是否接受減排方案,主要取決于投資回報率。要證明可持續性改造的合理性,必須說服業主和租戶們相信這種投資是可以得到回報的。帝國大廈的節能改造證明,除去結構性升級之外,總投入為1320萬美元。這包括了設備采購、安裝和系統調試的全部費用。改造完成之后,每年帶來的節約為440萬美元。拋開利息不談, 大約3年就可以收回投資。 對于很多建筑所有者來說,資金問題是改造項目最大的阻礙。對此,帝國大廈項目還進行了另外一個嘗試,即通過能源績效合同進行融資,降低投入資金的風險。這種方式的實質是建筑所有者以合同為擔保申請貸款,并保證在若干年內,節省下來的費用將用于償還改造項目的成本投入。通過這種方式,建筑所有者將風險轉嫁給了那些更有能力控制風險并提供節能技術服務的商業機構。在帝國大廈的項目中,扮演關鍵角色的是江森自控,它們為帝國大廈提供了一套特殊的合同設置和條件,包括精簡采購、透明定價等,用以減少項目成本,保證節能目標的實現。 在帝國大廈最終選定的8個項目中,有5項適用能源績效合同。采取這些措施的總成本是2000萬美元,這些項目將節省240萬美元(包括在440萬的總節省中)。目前,帝國大廈的所有者正在向各個相關的金融機構申請貸款計劃,以便在未來的15-20年內償還所有的金額。整個項目的施工進度,也將配合貸款的執行情況分期決定。 更有說服力的一點是,在實現投資回報的過程中,整個項目沒有用到任何一種新技術。所有項目使用的技術,都是現有的成熟技術,只不過工程師們對它們進行了重新組合。這意味著,對舊建筑的節能改造并沒有高不可攀的門檻。CCI希望帝國大廈成為其他舊建筑節能改造的樣板。因為在美國,每年有10億平方英尺的新建筑生成,很多商業機構把精力放在了說服這些建筑的投資商身上,希望他們設計綠色建筑,但地產行業有既定的投資回報規則,這些努力往往無功而返。相比之下,將帝國大廈的經驗復制到720億平方英尺的現有建筑上,不僅意味著一個更廣視野的市場,其商業上的可行性亦得到了驗證。 “帝國大廈是紐約的地標,它變綠的主意能夠激勵其他的樓宇所有者。”凱蘿?威利斯說。 鏈接：帝國大廈節能改造三步曲 第一步:減輕負擔———測定那些用于為大廈提供最核心服務的能耗可以縮減多少。 1.窗戶:普通窗戶的隔熱效果很差,導致制冷制熱系統的負擔過重。改造項目將更換帝國大廈6500多扇窗戶,每扇窗戶都會在大樓里被重新制造和更換。一層薄膜和一種氣體混合物將被注入現有的雙層玻璃之間。這項工程將會通過減少大廈內外的熱量對流來降低能耗。每年將降低二氧化碳排放1150噸,節能11.4千兆英熱單位,節省成本41萬美元。2.照明、插座:辦公大樓通常會在白天使用大量的能源來提供人工照明。這項工程將首先測定最大限度可用的自然日光,并設計更為有效的照明控制系統。插座也通過安裝感應裝置來節電。該項目年降低二氧化碳排放2060噸,節能13.7千兆英熱單位,節省成本94.1萬美元。3.隔熱裝置:帝國大廈的6500多扇窗下都有一個蒸汽散熱器(即暖氣片),只有一半的熱量會通過散熱器進入大樓中,而另一半則透過墻壁跑到外面去了。改造項目將在散熱器與墻壁之間添加一個隔熱裝置,以保證大部分的熱量能夠進入大樓中。該項目年降低二氧化碳排放480噸,節能6.9千兆英熱單位,節省成本19萬美元。 第二步:提高既有裝備的效率———當大廈所需的能耗被降到最低之后,讓既有的裝備在最有效率的系統下運行。 1.空氣過濾:將現有的超過300個空氣過濾裝置換成更少、更新、更高效的空氣過濾裝置。新設備的運行更簡便,空氣過濾效果更好,也更節能。該項目年降低二氧化碳排放1520噸,節能11.4千兆英熱單位,節省成本70.3萬美元。2.制冷機改造:由于有了更隔熱的窗戶,制冷機的需求將大大減少。因此,無需重新安裝全部的制冷系統,帝國大廈只需更換部分既有的制冷機。制冷機的外殼是可以反復使用的,而內部的風葉、電機等等是可以更換的。這種改造能夠有效地提供能效利用率和制冷機的可控性。該項目年減少二氧化碳排放1430噸,節能11.4千兆英熱單位,節省成本67.6萬美元。 第三步:控制能源使用———控制和監視能源的實際使用情況,對節能系統進行調節以適應條件的變化。 1.租戶能耗管理:鼓勵現有租戶在大樓節能的持續性方面做出努力,以實現未來幾年的節能。通過更為細分的計算方法,租戶們可以在線獲得精確而透明的能源使用數據,并與其他租戶對比,進行不斷改進。該項目年減少二氧化碳排放743噸,節能6.9千兆英熱單位,節省成本38.7萬美元。2.按需控制的換氣系統:所有的建筑都有一個對新鮮空氣需求的底限,該項目通過測量空氣中的二氧化碳濃度來決定需要從外面引入的新鮮空氣的量。這不僅是為了節能(因為新鮮空氣進入大樓需要被加熱或冷卻),也能夠有效地控制空氣質量。該項目年減少二氧化碳排放量300噸,節能4.6千兆英熱單位,降低成本11.7萬美元。3.直接數控平衡:對既有以及新安裝的大樓控制系統的升級,能夠優化暖通空調(HVAC)系統的運行效率并提供有關電能使用的更多細節。該項目年減少二氧化碳排放1900噸,節能20.6千兆英熱單位,節省成本74.1萬美元。
編輯：royal |
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