一體化設(shè)計的能效奇跡

Jon+Creyts+Robert+McIntosh

零下44攝氏度卻毋須供暖設(shè)施，熱能與水的需求降低99%，電力消耗降低90%，產(chǎn)生這一奇跡僅僅是因為更新了建筑設(shè)計理念

1983年，落基山研究所（RMI）聯(lián)合創(chuàng)始人盧安武在海拔2200米的大山中修建了一棟建筑作為自己的住宅和辦公室。雖然當?shù)囟熳罾鋾r有零下44攝氏度，但這棟建筑卻沒有安裝任何供熱系統(tǒng)。它依靠完美的設(shè)計滿足了使用者對舒適度的需求：超高能效窗戶引入自然光的同時鎖住了室內(nèi)熱量;具有良好蓄熱功能的地面基礎(chǔ)使室內(nèi)溫度保持恒定，保證了舒適度;屋頂太陽能發(fā)電板為室內(nèi)的電器供電;位于住宅中心的開放式溫室為使用者提供自然光。

這棟住宅憑借設(shè)計本身就節(jié)約了99%的熱能與水的需求，節(jié)約了其他方面90%的用電需求，且整個項目在不到10個月就收回了新增成本。這一創(chuàng)新設(shè)計為后來歐洲“被動房屋”運動中3萬余座類似建筑以及落基山研究所最新落成的巴索爾特創(chuàng)新中心提供了靈感。今天，我們將這種設(shè)計概念稱為“一體化設(shè)計”。

一體化設(shè)計能夠以一次性的投資成本實現(xiàn)多重效益，并要求打破傳統(tǒng)思維模式來確保創(chuàng)新解決方案。這是一種牽涉面遠超過建筑設(shè)計的概念，要實現(xiàn)這些突破性的解決方案需要重視下列三個核心理念。

首先，關(guān)注終端用戶的價值需求。房屋使用者并不一定需要電力、煤炭、天然氣或是空調(diào)與冰箱，他們需要的是溫度適宜的茶水和舒適的房間，并且要以高度便捷的方式滿足這些需求。因此，如何以最低的成本提供這些價值才是我們的目標。通過一次性投資實現(xiàn)多重效益，能夠確保資本及其回報得到優(yōu)化。例如，在居住空間中心設(shè)計一處天井能夠帶來新鮮空氣、熱度、濕度以及光照。

其次，在關(guān)注終端用戶價值的同時，打破設(shè)計局限進行全系統(tǒng)考慮。在傳統(tǒng)設(shè)計中，效率常常意味著通過重復工作提高生產(chǎn)力：機械、結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計等標準各自獨立進行，并根據(jù)過往經(jīng)驗進行復制或調(diào)整，常常出現(xiàn)設(shè)計過度或性能不佳的狀況。通過整合設(shè)計，我們就有可能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的浪費：選擇高性能窗戶能夠大幅提高建筑的隔熱性能，因此能夠降低對暖通空調(diào)系統(tǒng)容量的需求，使用超高效照明與電器能夠減少它們散發(fā)的熱量，從而降低建筑對空調(diào)系統(tǒng)的需求。如果設(shè)計得當，我們可以完全擺脫管道和空調(diào)系統(tǒng)，除了節(jié)約系統(tǒng)成本以外，這樣做還能節(jié)約更多空間供用戶使用、出租或縮小建筑規(guī)模，從而提高項目的整體經(jīng)濟性。

最后，在對比不同方案時，考慮整個系統(tǒng)壽命周期的成本與收益，而不僅關(guān)注前期投資。無論是在商業(yè)投資還是個人投資決策制定過程中，前期成本常常具有決定性作用。智能設(shè)計往往會增加前期投資，但收回成本也很快。高能效表現(xiàn)的窗戶與電器、加厚的混凝土地基、太陽能發(fā)電板和其他調(diào)整手段確實增加了盧安武住宅的建設(shè)成本。但是，電費和天然氣節(jié)約在不到一年的時間里就收回了這些成本，并且這些節(jié)約將會持續(xù)積累。當然，并不是所有項目都有這么高的經(jīng)濟性，但許多創(chuàng)新融資機制能夠更好地平衡前期成本增量和長期收益之間的關(guān)系，從而克服此類項目可能會遇到的投資障礙。

落實了一體化設(shè)計的這三個關(guān)鍵點，我們就有更多機會在各個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大的經(jīng)濟價值，無論是基礎(chǔ)工業(yè)工程還是城市設(shè)計等。

全球大約60%的電力用來驅(qū)動電機，而其中超過一半的電機用來驅(qū)動泵和風扇。根據(jù)不同電機的使用年限和型號，能夠通過許多已知的經(jīng)濟手段提高電機效率，降低其總能源消耗達50%。但如果我們退后一步思考，利用一體化設(shè)計改造泵系統(tǒng)，將會獲得更大的能源節(jié)約。

泵系統(tǒng)用來移動液體，通常是利用低價、標準的管道系統(tǒng)直角鋪設(shè)。但若將直徑小且彎曲的長管道替換為直徑較大且彎角更平穩(wěn)的短管道，就可以讓泵系統(tǒng)的體積變小，大大降低泵系統(tǒng)所需的能源，且達到同樣目的：移動液體。這樣做不但能節(jié)約能源，同時還能降低三倍的空氣污染和碳排放。

大約20年前，荷蘭地毯制造商Interface Nederland公司在其上海的工廠建設(shè)項目中采用了一體化設(shè)計理念。通過重新設(shè)計進料系統(tǒng)，該公司降低了86%的能源需求，在降低成本的同時也減少了生產(chǎn)設(shè)施所占空間。通過以更短距離和直線路徑輸送液體（最終價值），用小泵和大直徑管道替代大泵和小直徑管道（通過全系統(tǒng)設(shè)計），雖然增加了前期建設(shè)成本，但打造出更高效的系統(tǒng)，很快就收回了投資成本。

類似的做法也可以應用在工廠的整體設(shè)計中。2009年，美國得州儀器公司運用一體化設(shè)計原理設(shè)計了其位于得克薩斯州理查德森的一處芯片制造廠，建筑面積約10萬平方米。采用優(yōu)化了的泵系統(tǒng)、變速電機、重力設(shè)計廢物排放系統(tǒng)和深度余熱回收系統(tǒng)，最終將制造廠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%，同時降低建筑運營成本達30%。這一標志性能效提升案例為日后所有芯片制造廠樹立了一體化設(shè)計范例。

除了改變單個工廠外，我們還可以利用一體化設(shè)計改善整個產(chǎn)業(yè)部門能效。

如今，出行方式、電氣化和無人駕駛等發(fā)展趨勢在社會上得到廣泛宣傳。從一體化設(shè)計角度來看，它們創(chuàng)造的價值是實實在在的，我們面對的問題則來自當前以汽車為中心的交通系統(tǒng)中惰性的資本和效率低下的技術(shù)。

從終端用戶需求入手，大部分汽車擁有者并不需要汽車，他們需要的是個性化出行方式。為了滿足這一需求，一直以來大部分美國人的選擇是購買汽車。但事實上，私家車在95%的時間里都閑置在停車場。而當汽車上路時，由于交通擁堵，只在約2%的時間里汽車能夠高效地將乘客運送到目的地。這是一個效率非常低下的系統(tǒng)！更糟糕的是，在美國，多數(shù)汽車里只坐著一名乘客。我們計算了使用重達1500千克的汽車運送重量僅為80千克乘客的能量轉(zhuǎn)化率，結(jié)果是汽車消耗的能源中僅有1%直接用于為乘客提供出行服務。顯然，這是一個亟須一體化再設(shè)計的低能效系統(tǒng)。

汽車電氣化和輕體化都是對前期投資要求較高的技術(shù)，但它們能夠通過行駛過程中的能源節(jié)約來收回成本，而且大幅提升出行系統(tǒng)中的能源轉(zhuǎn)換效率。優(yōu)步和滴滴等提供的車輛分享服務能夠提高個體車輛的利用率，有助于加快此類技術(shù)的投資回收速度。而自動駕駛技術(shù)能夠進一步提高利用率并將司機成本從系統(tǒng)中剔除，以更低的成本提供更多出行服務，從而更顯著地改善系統(tǒng)效率。因此，蘋果、谷歌、百度等商業(yè)巨頭都如此專注于開發(fā)此類解決方案。

從社會角度來看，以全系統(tǒng)思維模式重新布局城市系統(tǒng)能夠進一步實現(xiàn)優(yōu)化出行的經(jīng)濟效益。在這里，我們可以通過開發(fā)更多多功能社區(qū)和更適于步行的城市區(qū)域來降低市民長距離出行的需求，這樣我們就可以通過一體化設(shè)計使市民更加便捷地滿足其各自的工作、生活和娛樂等需求。

通過研發(fā)輕體汽車、電動車以及自動駕駛汽車，能夠在不久的將來重新定義人與汽車的關(guān)系。我們的研究分析表明，未來幾年美國汽車持有量將達到峰值，然后開始下降，而且每乘客每公里平均成本將比現(xiàn)有水平降低四分之三。

一體化設(shè)計能夠發(fā)現(xiàn)和解決消費者的真正需求，無論是舒適度、傳輸液體、制造產(chǎn)品還是完成出行。一體化設(shè)計可以催生重新思考、重新設(shè)計或重新制造產(chǎn)品或服務的市場機遇，落基山研究所預計，僅在美國，這些市場機遇的潛在規(guī)模就可超過每年1萬億美元。

當今是一個技術(shù)和商業(yè)模式都處在顛覆式變革的時代，一體化設(shè)計就是這樣的雙重顛覆。通過幫助我們建設(shè)更好的建筑，制造更好的汽車，搭建更好的交通網(wǎng)絡(luò)以及基礎(chǔ)設(shè)施，一體化設(shè)計將成為新時代下的經(jīng)濟核心要素。

（Jon Creyts 為落基山研究所常務董事，Robert McIntosh為該所高級咨詢師，編輯：馬克）