如果要为建筑节能减排竖立一座地标,再也没有比帝国大厦改造项目更具代表性的了。2008年2月,由克林顿气候行动计划TheClintonClimateInitiative,简称CCI)发起的帝国大厦减排项目悄然启动。一年半之后,在这座久负盛名的建筑几乎看不到变化的外表之下,绿色的心脏已经开始搏动。改造完成后,帝国大厦将比过去减少38%的二氧化碳排放量。
作为纽约市乃至美国的标志性建筑,帝国大厦(EmpireStateBuilding,其中EmpireState是纽约州的别称)建成于1931年。对于人来说,78岁是一个垂迈的年龄。但在建筑学上,帝国大厦正值壮年。在1933年的电影《金刚》及2005年的重拍版中,金刚爬到帝国大厦顶端和战斗机一番搏斗之后,跌落而死,但大厦巍然不动。直到今天,这座位于第五大道和西三十四街交叉口的102层摩天大楼,仍被美国土木工程师协会喻为世界七大工程奇迹之一。它以及其底层地基被纽约城市标志保护委员会指定成为1986年的国家历史标志。
帝国大厦建造时采用了当时最先进和昂贵的材料科技,这使它坚不可摧。同时,帝国大厦的内部装修以豪奢著称,这反映了美国在那个时代对经济奇迹的追求。帝国大厦建成时,正值西方经济大萧条,当时的人们对花费巨资建造这样一座高楼不乏争论。不过当经济复苏之后,美国很快进入了帝国式的野心扩张时代,帝国大厦也被人们视为美国在逆境中不放弃梦想与野心的象征,并与自由女神一起成为纽约市的地标建筑。
2008年,美国又一次陷入经济危机。与70多年前不同的是,这一次,人们终于承认不应只追求住在更高、更大、更昂贵的房子里,而应转向关注如何在不破坏自然生态的条件下实现可持续生存。帝国大厦注定在这一次变革中拥有不可替代的位置。一批环保主义者发动起来,他们不仅发起和参与了帝国大厦的减排项目,更将其视为帝国资本主义时代结束的标志,呼吁人们改变自己的生活和消费习惯,呼吁商业机构以寻求“绿金”的方式提供支持。
在这座美国的地标建筑面前展开的,不仅仅是一座建筑的节能改造计划,而是属于下一个时代的经济梦想。
克林顿与帝国大厦
即便在摩天高楼鳞次栉比的曼哈顿,帝国大厦也是一道单独的风景。几乎每一个来纽约的人,都希望登上帝国大厦1050英尺高的观景平台,从那里俯瞰纽约全貌。它的一举一动是如此引人关注,以至于节能改造计划提出后不久,就变成了一个公众项目。CCI由美国前总统比尔·克林顿于2006年8月发起成立,隶属于克林顿基金会(ClintonFoundation)。退休后的克林顿热衷于公益活动,曾被授予“杜鲁门公共服务奖”。CCI致力于减少全球40座大城市的温室气体排放,对抗气候变暖。
政府间气候变化专门委员会(IPCC)2007年发布的报告指出,人类是造成近250年来气候剧变的主要原因。所有那些曾经被用来展示人类改造自然的雄心的工业活动,包括石油、钢铁和建筑产业在内,所排放的二氧化碳对气候带来的影响,超过了之前40万年的总和。按照现在的排放增长速度,人类很有可能在这个世纪末面临生存危机。作为行动计划中最重要的内容之一,CCI希望通过与能源服务公司、金融机构以及政府的合作,为那些能耗惊人的现代建筑提供节能减排方案。对帝国大厦的改造,就是这个计划中至关重要的一步。CCI首先要说服帝国大厦的所有者,让他们同意为这个巨人动一个“小手术”。CCI向帝国大厦的管理团队承诺说,手术将不影响帝国大厦的日常运营,租户仍然可以在改造期间在这里正常工作,游客们仍然可以到“金刚曾攀爬过”的顶层观光。一切改造都将是静悄悄的。
纽约并不是最需要减排改造的城市。事实上,横亘在帝国大厦脚下的这块土地,是美国最环保的城市之一。由于发达的公共交通网络,极高的人口密度以及较小的平均住宅面积,纽约市的人均碳排放量仅为美国平均水平的1/3。同时,纽约还声称到2030年,要将目前的碳排放量再减少30%。但CCI的目标是建立一个让全美国仰视的地标,用一个项目去影响整个世界。最终,这一点打动了决策人。“帝国大厦变绿的主意能够同样激励其他国家的建筑所有者,因为帝国大厦被视为是纽约的代表性建筑。”凯萝·威利斯说,她是纽约摩天大楼博物馆的创始人和馆长。
帝国大厦所能影响的建筑行业,是全球二氧化碳排放量占比最大的领域。在美国,现有建筑的气体排放占到了城市温室气体排放总量的50%-80%。根据建筑所有者及管理者协会的统计,80%的建筑楼宇生命周期成本都发生在其建成之后,其中18%来自使用成本。这说明了建筑节能改造项目在经济上的必要性。
一开始,说服帝国大厦接受节能改造项目的工作并不顺利。但2008年金融危机的蔓延,让局面发生了戏剧性的变化。当一个国家的经济因为过度挥霍而陷入危机时,你有什么理由拒绝一个别人已经伸出援手的节能项目呢?帝国大厦不仅是一栋建筑,更是一个年直接营业额超过2000万美元,拥有上千家知名跨国公司入驻的商业王国。“对于可持续性,我们有一个十分深厚的承诺。”帝国大厦公司可持续项目负责人托尼·马金说,“如果不将可持续性纳入到我们的商业和生活考虑之中,我们将会对未来产生极大的危害。”
2008年2月,在CCI与帝国大厦达成关键共识之后,相关机构的工程师们迅速围绕这个项目组织起来。项目的参与者都是行业精英,他们想在历史上留下自己的足迹。CCI负责资源组织和行动传播,仲量联行(JLL)是项目管理人,江森自控(JCI)是首选的能源服务公司,落基山研究院(RMI)提供可持续策略的专家支持。
膝盖法则
为帝国大厦这样一座建筑制定节能减排计划,显然没有百科全书可以参照。合作团队建立之初,在2008年4月到11月的最初6个多月中,一直都在为一个问题争论不休:究竟该设定多高的减排目标?
这是一个很容易理解的矛盾:你完全可以让整栋大楼实现零排放。当然,这也许意味着上亿美元的投入。如果不能在可衡量的时间段内收回投资,项目就会变成一个自欺欺人的笑话,这将违反建立“绿色地标”的初衷。但如果只考虑成本的话,那么最好干脆不要开工,因为对于这栋拥有204385平方米建筑面积的巨人来说,任何一个微小项目的改造都耗资巨大。仅仅更换6500扇窗户,就需要投入上百万美元。如果要更新空调系统,更是一个天文数字。
最终,工程师们达成了共识。他们绘制了一条成本收益曲线。横轴是投入,纵轴是减排量。曲线与预计的一样,投入是随减排量增加而增加的。但在基数较小的情况下,如果增加投入,减排效果很明显,这时曲线的斜率是陡峭的。而当投入达到一定数值之后,曲线的斜率会变缓,换句话说,随投入增加而带来的减排效果就不那么显著了。最终,他们选择了曲线上斜率发生最大转折的点,这个点被称为“膝盖”,它代表了在一定情况下,投入产出比最为经济的一点。
在“膝盖”点上,那些在现有设备基础上进行的改良和效率提升行为,通常优先于那些依赖新设备投资的节能措施。项目组达成的共识可以用一句话来概括:我们没有办法将墙壁推倒重建,但我们可以选择改造对象。一个例子是空气控制单元改造方案的设计。工程师们认为,与其以同样的设备替换掉老设备,不如尝试使用不同速率的风扇。尽管边际成本会更高,但根据温度来控制风速能够更有效地提高能效,并且帝国大厦只需要在每层的两个点而不是过去的四个点安装风扇。
另一个例子是蒸汽散热器(即暖气片)的改造方案设计。帝国大厦现有散热器的效率并不高,原因在于大楼的隔热效果不佳,现有散热器的热量有一半都通过墙壁传到大楼以外。只要在散热器后面安装隔热装置,就可以实现采热效率的提升。根据设计,这个项目完成后,每年可减少480吨二氧化碳排放,节能6.9千兆英热单位(Britishthermalunit,简称Btu),节省成本19万美元。
尽管投入有限,但根据“膝盖”点设计的改造方案,最后的减排空间仍然巨大。工程师们希望帝国大厦能够在未来15年内,降低38%的能耗,减少105000吨二氧化碳的排放。与此相比,普通的建筑节能改造工程通常只能带来10%-20%的能耗节省。
玻璃工厂与租户管理
在工程师们最终选定的8项改造项目中,多半是对现有设备和能耗管理方式的改造,在设计和施工中,它们或许比安装新设备要更复杂。不过,工程师们更愿意看到其中蕴藏的创意空间。对于他们来说,作为上一个时代的建筑,帝国大厦在能源使用的每一个细节上都过于浪费了。
窗户是一个很容易被忽视的细节。帝国大厦有超过6500扇窗户,这就像是6500个导热孔。窗户的隔热效果比墙壁更差。冬季,房间内的热量会通过窗户流失,这意味着需要更多的供暖才能保持温度。夏季,房间内的冷气也会通过这里逃逸,这意味着更多的空调耗电。工程师们设计了一项窗户改造计划,他们通过对夹层内进行覆膜和充入惰性气体,从而阻止窗户的热传导。考虑到大厦南北日照的不同,选择不同的覆膜和气体可以实现更精细的能耗节约。这项改进每年将为大厦节省41万美元的开支。
有趣的是,最早的改造计划并不包括窗户在内。直到后来,工程师们发现增加这个项目的边际成本并不高。“如果你本来就要打扰到租客,让他们搬来搬去,不如一起换了更节能的玻璃。”卡罗琳说。
仲量联行的建筑师指出,为双层玻璃覆膜和充气并不是什么新技术,但用在这里简单有效。这正是很多改造项目的特色所在。“我们使用原有的窗框,替换掉原来的窗扇,保留并清洁原有的玻璃。但是在两层玻璃之间,我们会插入一层低发射率的薄膜。所以即使被称为是三重玻璃,其实只是在两层既有的玻璃之间插入了一层薄膜。”更换窗户的工作由江森自控负责。2009年3月份起,帝国大厦的窗户被分批更换。这项工作本身也是一个可持续的挑战。帝国大厦不希望改造工作被那些前往86层观光的游客们发现。更重要的是,帝国大厦是纽约这个活力之都的心脏,它根本不
可能为了配合改造而停止自己的运转。此外在这个拥堵不堪的纽约繁华地段,几乎没有运输、装卸这些大件的条件。
最终,工程师们在帝国大厦5层建立一个玻璃工厂。白天生产玻璃,晚上则进行更换工作。在整个的过程中,没有一块窗户离开大厦。每天工人们可以更换50块窗户,整个大厦的窗户完成更换,大约需要4个月的时间。现在,这项工作已经接近尾声。尽管算不上高效率,但在现有的条件下,这毕竟是最好的选择了。
“玻璃工厂”式的创新,在帝国大厦的改造方案中并不鲜见。其中最具特色的,还有租户能耗管理方案。
工程师们确认了3个与租户的能源使用相关的关键项目:租户预先装修项目,租户设计准则以及租户能源管理项目。基于预先装修的设计准则将提高帝国大厦的环保标准。而这一设计准则,每年将为租户带来每平方英尺0.7-0.9美元的运营成本节省。更重要的是,租户们在日常办公中,可以根据技术、经济因素来调整建议措施中的组合。为此,帝国大厦细分了每个办公空间,并建立一套反馈系统,租户只要登陆互联网,就可以查询他们的能源使用和改进情况。
统计数据显示,四年内,大约有40%的帝国大厦的租户会发生变动。因此,向租户推广能耗管理方案是一种长期的销售工作,而非一次性的技术开发工作。对于新的租户来说,重要的是得到及时的指导。为此,帝国大厦在第42层开辟了一个专门空间,为潜在的租户提供节能管理方案的展示。租户们在这里会了解到节能方案中的关键设计及其节能管理方法,包括低压空调系统、照明系统、高性能玻璃、轻型货架和窗帘以及当地生产的高回收率的建筑材料等。
三年回本
在整个设计中贯彻“膝盖”原则,不仅是为了满足帝国大厦对成本的考虑,同时也是为了检验改造方案的可复制性。美国75%的商业建筑的楼龄都在20年以上,改造现有的建筑变得至关重要。它们没有条件按照理论上的方式,从设计开始进行绿化。但帝国大厦的实践证实,在旧建筑的基础上进行有限投入的节能改造,仍能建立一条卓有成效的减排路径。如果一座二战前的建筑能够达到节能38%的标准,其他建筑为什么不能呢?
仲联量行的工程师承认,那些办公大楼的业主们是否接受减排方案,主要取决于投资回报率。要证明可持续性改造的合理性,必须说服业主和租户们相信这种投资是可以得到回报的。帝国大厦的节能改造证明,除去结构性升级之外,总投入为1320万美元。这包括了设备采购、安装和系统调试的全部费用。改造完成之后,每年带来的节约为440万美元。抛开利息不谈,大约3年就可以收回投资。
对于很多建筑所有者来说,资金问题是改造项目最大的阻碍。对此,帝国大厦项目还进行了另外一个尝试,即通过能源绩效合同进行融资,降低投入资金的风险。这种方式的实质是建筑所有者以合同为担保申请贷款,并保证在若干年内,节省下来的费用将用于偿还改造项目的成本投入。通过这种方式,建筑所有者将风险转嫁给了那些更有能力控制风险并提供节能技术服务的商业机构。在帝国大厦的项目中,扮演关键角色的是江森自控,它们为帝国大厦提供了一套特殊的合同设置和条件,包括精简采购、透明定价等,用以减少项目成本,保证节能目标的实现。
在帝国大厦最终选定的8个项目中,有5项适用能源绩效合同。采取这些措施的总成本是2000万美元,这些项目将节省240万美元(包括在440万的总节省中)。目前,帝国大厦的所有者正在向各个相关的金融机构申请贷款计划,以便在未来的15-20年内偿还所有的金额。整个项目的施工进度,也将配合贷款的执行情况分期决定。
更有说服力的一点是,在实现投资回报的过程中,整个项目没有用到任何一种新技术。所有项目使用的技术,都是现有的成熟技术,只不过工程师们对它们进行了重新组合。这意味着,对旧建筑的节能改造并没有高不可攀的门槛。CCI希望帝国大厦成为其他旧建筑节能改造的样板。因为在美国,每年有10亿平方英尺的新建筑生成,很多商业机构把精力放在了说服这些建筑的投资商身上,希望他们设计绿色建筑,但地产行业有既定的投资回报规则,这些努力往往无功而返。相比之下,将帝国大厦的经验复制到720亿平方英尺的现有建筑上,不仅意味着一个更广视野的市场,其商业上的可行性亦得到了验证。
“帝国大厦是纽约的地标,它变绿的主意能够激励其他的楼宇所有者。”凯萝·威利斯说。
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帝国大厦节能改造三步曲
第一步:减轻负担———测定那些用于为大厦提供最核心服务的能耗可以缩减多少。
1.窗户:普通窗户的隔热效果很差,导致制冷制热系统的负担过重。改造项目将更换帝国大厦6500多扇窗户,每扇窗户都会在大楼里被重新制造和更换。一层薄膜和一种气体混合物将被注入现有的双层玻璃之间。这项工程将会通过减少大厦内外的热量对流来降低能耗。每年将降低二氧化碳排放1150吨,节能11.4千兆英热单位,节省成本41万美元。2.照明、插座:办公大楼通常会在白天使用大量的能源来提供人工照明。这项工程将首先测定最大限度可用的自然日光,并设计更为有效的照明控制系统。插座也通过安装感应装置来节电。该项目年降低二氧化碳排放2060吨,节能13.7千兆英热单位,节省成本94.1万美元。3.隔热装置:帝国大厦的6500多扇窗下都有一个蒸汽散热器(即暖气片),只有一半的热量会通过散热器进入大楼中,而另一半则透过墙壁跑到外面去了。改造项目将在散热器与墙壁之间添加一个隔热装置,以保证大部分的热量能够进入大楼中。该项目年降低二氧化碳排放480吨,节能6.9千兆英热单位,节省成本19万美元。
第二步:提高既有装备的效率———当大厦所需的能耗被降到最低之后,让既有的装备在最有效率的系统下运行。
1.空气过滤:将现有的超过300个空气过滤装置换成更少、更新、更高效的空气过滤装置。新设备的运行更简便,空气过滤效果更好,也更节能。该项目年降低二氧化碳排放1520吨,节能11.4千兆英热单位,节省成本70.3万美元。2.制冷机改造:由于有了更隔热的窗户,制冷机的需求将大大减少。因此,无需重新安装全部的制冷系统,帝国大厦只需更换部分既有的制冷机。制冷机的外壳是可以反复使用的,而内部的风叶、电机等等是可以更换的。这种改造能够有效地提供能效利用率和制冷机的可控性。该项目年减少二氧化碳排放1430吨,节能11.4千兆英热单位,节省成本67.6万美元。
第三步:控制能源使用———控制和监视能源的实际使用情况,对节能系统进行调节以适应条件的变化。
1.租户能耗管理:鼓励现有租户在大楼节能的持续性方面做出努力,以实现未来几年的节能。通过更为细分的计算方法,租户们可以在线获得精确而透明的能源使用数据,并与其他租户对比,进行不断改进。该项目年减少二氧化碳排放743吨,节能6.9千兆英热单位,节省成本38.7万美元。2.按需控制的换气系统:所有的建筑都有一个对新鲜空气需求的底限,该项目通过测量空气中的二氧化碳浓度来决定需要从外面引入的新鲜空气的量。这不仅是为了节能(因为新鲜空气进入大楼需要被加热或冷却),也能够有效地控制空气质量。该项目年减少二氧化碳排放量300吨,节能4.6千兆英热单位,降低成本11.7万美元。3.直接数控平衡:对既有以及新安装的大楼控制系统的升级,能够优化暖通空调(HVAC)系统的运行效率并提供有关电能使用的更多细节。该项目年减少二氧化碳排放1900吨,节能20.6千兆英热单位,节省成本74.1万美元。