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传奇建筑低碳改造:帝国大厦花7年 纽约投5亿美元

出品|网易科学人栏目组 翟中超      微信|公号ID:WYKXR163图注:帝国大厦标志性的灯光也进行了改造,现在配置的发光二极管(LEDs)使得数以百万计的颜色组合成为可能。除了地标建筑,纽约也正在着手解决非标志性建筑的能效问题。纽约……

专题: 悉尼歌剧院的建筑功能 南阳山陕会馆 生活大爆炸 最好笑 小明的笑话 

出品|网易科学人栏目组 翟中超      

微信|公号ID:WYKXR163

图注:帝国大厦标志性的灯光也进行了改造,现在配置的发光二极管(LEDs)使得数以百万计的颜色组合成为可能。除了地标建筑,纽约也正在着手解决非标志性建筑的能效问题。纽约为改造该城市上百万座建筑物投资了近5亿美元。此外,纽约还是美国第一个放弃化石燃料的城市。(图/盖瑞·赫肖恩/盖蒂图片社)

世界标志性建筑之所以能获得非凡的地位是因为其建筑的架构与风格经受住了时间的考验。但这些不朽的表象之下隐藏着什么呢?

设计和工程学迅速发展,有很多世界级现代化城市的建筑都建造的比较早,比如纽约市将近一半的办公空间实是在1945年之前建成的,但当时并没有可持续性、气候变化之类的概念,甚至没有回收利用、资源循环的想法,这就导致了资源浪费及效率低下。

现在进入了改造的时代。老化的建筑配备上了新型窗户、照明设备、管道设施以及供暖和冷却系统。最终,这不仅节省所有者和经营者的资金,更节约了能源。

在美国,建筑物消耗了73%的电力,并且间接造成了38%的二氧化碳排放,这一碳排放比例比工业和运输业还要高!为了赢得与气候变化的斗争,城市需要更高效的建筑。

这些历史性地标为其他建筑的升级开辟了一条新道路。

帝国大厦

2012年,帝国大厦展示了令人眼花缭乱的LED灯光,这吸引了全纽约的注意。灯光的颜色以前只有9种,而现在能的色彩千变万化,但原因不止于此,这种新灯光的耗电量只需原来灯光的四分之一。夜晚的灯光秀吸引了人们的注意,一个更微妙的转变也正在进行中,这一彻底改造甚至可以证明,即使是旧的摩天大楼也能重获新生。

2008年金融危机期间,帝国大厦的3万名办公室承租者进行了长期的投诉,大楼的所有者需要解决好这件事。投诉原因如下,在夏季,建筑物内部会变得很热,而空调系统不能充分给室内降温。如果按传统的解决方案,就需要更强大的冷却装置,比如说巨型空调机组,但成本会超过1700万美元。管理层放弃了传统方案,他们决定对能源节约的改进方案进行投资,并希望通过改造来提高收益。

一组专家对帝国大厦进行了分析,当时他们提出了60个想法,经过计算机模拟后减少为8个想法,这8个是最实用最值得做的方案。升级范围很多,比如改造加热和冷却组件,还设计了白天自动变暗的灯光。为了防止暖气热量的流失,还加装了简单实用的保温板。

帝国大厦的6500个双层窗能造成很大的资源浪费。但是他们没有更换,而是将旧的先摘下来,然后就地翻新,搞好再安上去,这些改造是在业余时间进行的。两层玻璃之间添加了一个充气薄膜,这可以充当隔热的第三块玻璃。相比以前,现在这种“三层超级窗户”能将夏天的热增量和冬天的热损量减少一半以上。

图注:美国多个城市都提倡使用绿色屋顶,芝加哥就是其中之一。市区的标志性建筑芝加哥市政厅的楼顶上就长满绿植,这样不仅楼顶有了生机盎然的颜色,而且还能降低夏季室内的温度。(图/戴安·库克;伦恩·简谢尔)

图注:自上世纪60年代以来,德国一直堪称发展绿色屋顶的全球领导者。德国也有相关激励措施,会对使用这种屋顶的城市给予奖励。波恩市艺术展览馆的楼顶就有绿植,而且还有步行道和锥形天窗。(图/戴安·库克;伦恩·简谢尔)

图注:在伦敦,建筑师贾斯廷·贝雷(Justin Bere)的房子不仅靠太阳能供能,而且房顶还种满一片野花与草甸。这些自然的色彩让邻居都感到很有活力,不仅能隔热,还能提高能源效率。(图/戴安·库克;伦恩·简谢尔)

图注:种满绿植的房顶除了隔热和美观外还有其他好处,加拿大温哥华的费尔蒙特海滨酒店就是个例子。该海滨酒店还会种植食物,比如说当地厨师做菜用的月桂叶。(图/戴安·库克;伦恩·简谢尔)

图注:被绿色包围的篮球场。在德国盖斯林根,玛格购物中心(MAG Galleries Shopping Center)将其屋顶的花园改造成环绕着植物的公共娱乐场所。(图/戴安·库克;伦恩·简谢尔)

图注:楼顶不一定非是平的才能种绿植。在德国达姆施塔特,森林螺旋城公寓大楼(Waldspirale Apartment Complex)倾斜而弯曲的楼顶上就种着植物,使得原本色彩斑斓的建筑更加有趣。(图/戴安·库克;伦恩·简谢尔)

图注:瑞士巴塞尔市莱茵河畔的一处医院的屋顶上,生命力顽强的景天属植物、昆虫和鸟类几乎把这儿占领了。这座城市的其他建筑物屋顶上也需要些绿色。(图/戴安·库克;伦恩·简谢尔)

图注:植物和太阳能电池板只能二选其一?东京帝国酒店表示两者可以兼得,他们把这两种元素以花园池塘的形状融合在一起。(图/戴安·库克;伦恩·简谢尔)

图注:纽约市发起了一项活动,他们要种植100万棵树,而且不只在地上种。霍雷肖街95号西海岸建筑的屋顶上就种着绿植。(图/戴安·库克;伦恩·简谢尔)

帝国大厦在2013年完成了1300万美元的节能改造,这些升级使能源消耗减少了近40%,每年能节省400多万美元,预计将在15年内减少10.5万吨二氧化碳排放。

“我们希望人们能认识到整栋建筑改造背后的金融案例,这个案例引人注目。这种模式在业界起到了巨大的催化剂作用。”落基山研究所的卡拉·卡迈克尔(Cara Carmichael)说道。该研究所与帝国大厦的改造工程有合作关系。

图注:一个农业项目成了波士顿芬威公园的特色,这些工程能为公园的餐厅和小超市提供食材。2017年,芬威公园的农场里种植的农作物就有莙荙菜、羽衣甘蓝、茄子、花椰菜和草莓。“在新英格兰,棒球赛季与植物生长季节完美的结合在一起。”球场农业项目经营者、绿色城市种植者(Green City Growers)组织的成员杰西·班哈儿(Jessie Banhazl)说道。(图/爱丽丝·阿门多拉/美联社)

芬威公园

波士顿芬威球场是美国职业棒球大联盟最早的球场,球场左外野墙上的绿色怪物也是这里的标志物。在2015年芬威球场的一个开放日,管理方向粉丝展示了一个很多人都意想不到的特色项目——公园在近500平方米的屋顶上建了个农场。

这片农场就和波士顿红袜队的行政办公室差不多大,但去年,芬威公园的农场项目利用成排的改造过的装牛奶瓶的板条箱种植了近5500斤的有机食物。芬威农场项目与这里的厨师合作,农场向芬威公园正式餐厅提供食材,而公园方则对农场租金给予优惠。而且农场到正式餐厅只有90米的距离。现在,羽衣甘蓝和热狗、薯条一样成了公园市场的供给品。

波士顿红袜队在2007年发起了这项农场项目,这是其可持续发展努力的一部分,也是和美国自然资源保护协会(Natural Resources Defense Council)合作的成果。一年前,芬威公园成为棒球大联盟中第一个安装太阳能板的球场,这项投资能减少对天然气的依赖,节省37%的天然气。还有个项目,叫做绿色团队(Green Team),他们把志愿者送到一处适合开垦的垃圾区来收集可循环利用的废物,共收集了400吨原本要当垃圾处理的废弃物。

对红袜队来说,芬威公园农场的出现显得很亲切。“如果你在城市长大,那你就没怎么接触过农业,”绿色城市种植者组织的执行总裁杰西·班哈儿说道。该组织主要经营农场并利用城市中未使用的空间。班哈儿表示公园中的农场不仅能提供食物,还能让城市居民看到食物的生长过程。

芬威公园的例子扩展成了更大的运动。现在,绿色体育联盟(Green Sports Alliance)会帮助专业参赛队和大学生团队参与到可持续发展的实践当中,共计16个联赛、193个球队成为该联盟的成员,这其中包括所有的职业性球类运动联盟。

图注:埃菲尔铁塔经历了4年的改造,帮巴黎实现到2020年减少25%的能源消耗和碳排放的目标。古斯塔夫·埃菲尔(Gustave Eiffel)当年设计铁塔时最担心的抗风能力。而现在,铁塔的第一层上还安装了两个涡轮装置,这是要用风来发电。(图/雅克·德玛松/法新社)

埃菲尔铁塔

去年11月4日,巴黎协定中关于气候变化的条款开始生效,埃菲尔铁塔上著名灯光开成绿色以纪念这一时刻。但这座铁塔不只是在当天提醒公众加强低碳意识。埃菲尔铁塔当年就是先进工程技术的象征,现在也要开启新的技术,为期4年、耗资3700万美元的翻修工程使这座塔重获生机。

在铁塔57米高的第一层,一座餐厅、一处会议厅和一个商店经过了改造升级。攒尖式屋顶四周安装了约10平米的太阳能板,这一层中一半的热水就是由这些电池板加热的。新的雨水收集器通过漏斗与洗手间相连,既节约水,就降低了电泵的工作负荷。相比以前的旧灯,LED灯降低了用电量。在夏季,结合空调的使用,玻璃上涂抹的釉质能减少25%的太阳辐射热获得(solar heat gain)。

埃菲尔铁塔还有自己的亮点,在第二层餐厅的上方有两个熟铁架子组成的空间,空间里装着两个5米多高的风力发电涡轮机。122米高的高空风力条件很好,不管风向如何,涡轮机的垂直轴总是在极速旋转。这两个涡轮机每年能产生1万千瓦时的电量,虽然和铁塔全部用电需求相差甚远,但为高能效的第一层供电还是足够了。

图注:澳大利亚的标志性建筑悉尼歌剧院打算在2023年,也就是其建院50周年时实现碳中和(carbon neutral)。(图/斯楠·卡马克)

悉尼歌剧院

悉尼歌剧院是有机设计(organic design)的杰作,堪称道法自然的典范,其像撑满风一样的帆状建筑的灵感来就自于翅膀、棕榈树和贝壳。自1973年建成使用以来,悉尼歌剧院的空调系统就是用周边港域的海水来进行冷却,这是个开创性的解决方案,能减少淡水的使用量。

在过去的10年里,歌剧院管理方进一步发展可持续性应用,在这里举办的活动甚至都要求可持续性。将旧灯更化成LED灯,此举将音乐厅的用电量减少了75%,一年下来就能节省大约5万美元的电费。

管理方还求歌剧院工作人员、参观者和剧院餐厅减少废物的产生,而每年前来参观的人就有800万之多,所以积少成多,影响力还是很大的。回收材料的种类由以前的两种增加至现在的八种,这使总回收率从20%提高到65%,而且未来还有望涨至85%。浪费的食物也会针对性处理,有些被送到生物能源燃料生产商那里,可食用部分则会捐给当地的慈善团体。

不一定所有的解决方案都有较高的科技含量。为了延长建筑材料的使用寿命,剧院清洁组放弃了腐蚀性化学清洁剂,改用自然材料,这还能使室内空气质量更好。还比如,用小苏打清洗混凝土墙,用橄榄有和少量酒精来擦拭青铜制品。

“悉尼歌剧院在全世界都很知名,所以我们现在做的事能够对其他地方产生启发,”可持续性经理艾玛·波波纳托(Emma Bombonato)说道。“这是个非常重要的责任。我们正试着做个好榜样。”

图注:每年有250万游客前来参观德国国会大厦,很多人都是冲着圆形玻璃顶而来,这里很可能是世界上最环保的国会大厦。国会大厦中部的圆锥形镜子组与圆形玻璃屋顶相连,既能为室内提供自然光,又能促进空气流通。1933年国会纵火案以及后来的二战使这座建筑受到破坏,后来就装上了这种圆形的玻璃顶。(图/阿莱西奥·马莫)

德国国会大厦

1990年,柏林墙倒塌,德国统一,统一后的政府对之前的东德进行了巨额的投资。这时,对德国来说,一个现代化的规划就显得至关重要。与此同时,联邦议会所在地的国会大厦也经历了翻修。

首席建筑师给出的设计方案最突出的元素就是创新性的玻璃穹顶,后来,这一设计也被广泛认为是形式与功能结合的杰作。圆锥形的镜子组离将自然光反射进室内,使人工照明的需求降到了最低。环绕着圆锥形镜子组的自动化遮阳装置能够阻挡阳光直射、消除眩光,还能减少吸热,而屋顶的太阳能电池板就是这种遮阳装置电能来源。圆形屋顶还能当做排气装置,这种装置没有风扇,但能将室内的热空气排出去。在夜里,立法部门下方的人造光反射到外面,“这就像是一座灯塔,这是德国民主化进程活力的显示。”福斯特说道。

德国国会大厦的电力系统和空调系统都具有创新性和环保性。一个由生物燃料驱动的现场发电机能为大楼提供80%的电量、90%的热量。地源热泵提升了该系统的效率,这种热泵通过地下管道回路系统能排出多余的热量或冷气。其结果是,碳排放骤降94%。

德国的能源目标宏大,而建筑对其实现目标来说非常重要。现行政策目标为,到本世纪中叶,能源使用量减少50%。而到彼时,通过加快翻修和使用就地可再生能源,建筑物要承担起削减能源需求的80%的重任。

图注:在先进的可持续性项目(包括建筑节能)城市排名中,旧金山经常位居榜首。高度近260米的泛美金字塔曾是旧金山的最高建筑,而且还是世界上最高的“绿色建筑”,这是对其实践的评价。(图/伯努瓦·佩斯尔)

泛美金字塔

自1972年完工以来,泛美金字塔的锥形塔尖就一直是旧金山天际线上的标志性构造。这座建筑不仅造型突出,其地基也经过高度加强,这使得这座建筑能够经受住地震。

与传统不同,这座建筑的屋顶平台有许多结构,该创新设计也为当年的时代创造出一个相当绿色环保的建筑。反光的白石英构成了外形,三角形顶部还能减少吸收太阳热量,这就减少了冷却建筑所需的能量,这个好处是后来偶然发现的。

2000年代,泛美金字塔的拥有者开始了一系列的检修,其中一部分是为了响应旧金山的绿色建筑要求。“照明可以很容易就搞到,但发光二极管不会产生多少热量,”生态建筑专家巴里·贾尔斯(Barry Giles)说道。贾尔斯负责泛美金字塔改LED灯的升级。

绿色建筑的能够产生长远效益,建筑管理人员加大投资力度,其中就包括耗资400万美元在地下停车场建造燃气热电站。

据贾尔斯估计,美国560万座商业建筑中大约十分之一已经成为“高效能建筑”,这就是升级改造的结果。“现在的难题是尝试这把这些成功经验复制给剩下的十分之九,”BREEAM USA的执行总裁贾尔斯说道。“我们必须想出新办法来向大家展示做出改变不是件难事儿。绿色改造不仅能改善收益,更能节约能源、减少碳排放。”

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