零下44摄氏度毋须供暖设施 一体化设计创造能效奇迹

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零下44摄氏度，不需要供暖设施。热能和水的需求减少了99%，耗电量减少了90%。这个奇迹仅仅是由建筑设计理念的更新引起的。

(鲁的住宅是最好的代言综合设计。1983年，落基山研究所(rmi)的联合创始人鲁·在海拔2200米的山上建了一座大楼，作为自己的住所和办公室。虽然当地最冷的冬天是零下44摄氏度，但这座建筑没有配备任何供暖系统。它依靠完美的设计来满足用户对舒适的需求:超高效窗户引入自然光，锁住室内热量；具有良好蓄热功能的地基保持室内温度恒定，保证舒适；屋顶太阳能板为室内设备供电；位于住宅中心的开放式温室为用户提供自然光。

凭借其设计，该住宅节省了99%的热能和水的需求以及90%的其他地区的电力需求，整个项目的新成本在不到10个月的时间内就收回了。这一创新设计为欧洲被动式住宅运动中的30，000多栋类似建筑和洛基山研究所新建成的巴索特殊创新中心提供了灵感。今天，我们称这种设计概念为集成设计。

集成设计可以以一次性投资成本实现多重效益，需要打破传统思维模式，确保创新解决方案。这是一个远不止建筑设计的概念。为了实现这些突破性的解决方案，我们需要注意以下三个核心概念。

首先，关注最终用户的价值需求。住宅用户不一定需要电、煤、天然气或空冰箱。他们需要的是温度适宜、房间舒适的茶，这些需求应该以非常方便的方式得到满足。因此，如何以最低的成本提供这些价值是我们的目标。通过一次投资实现多种效益，可以保证资本及其收益的最优化。例如，在客厅/起居室中央设计一个露台可以带来新鲜空气、热量、湿度和光线。

其次，在关注最终用户价值的同时，我们应该打破设计局限，考虑整个系统。在传统设计中，效率通常意味着通过重复工作来提高生产率:机械、结构和电气设计标准是独立执行的，并根据过去的经验进行复制或调整，这通常会导致过度设计或性能不佳。通过综合设计，我们可能会发现系统中的浪费:选择高性能的窗户可以大大提高建筑物的隔热性能，因此可以降低对空空调系统容量的需求，而使用超高效的照明和电器可以减少它们散发的热量，从而降低建筑物对空空调系统的需求。如果设计得当，我们可以完全摆脱管道和空监管系统，这可以为用户节省更多的空房间使用，出租或减少建筑规模，从而提高项目的整体经济性。

最后，在比较不同的方案时，不仅要考虑前期投资，还要考虑整个系统生命周期的成本和效益。前期成本在企业投资和个人投资的决策过程中往往起着决定性的作用。智能设计通常会增加前期投资，但成本会很快收回。窗户和电器的高能效、厚实的混凝土基础、太阳能电池板等调节手段确实增加了陆住宅的建设成本。然而，电力和天然气的节省在不到一年的时间里收回了这些成本，这些节省将继续积累。当然，并非所有项目都具有如此高的经济性，但许多创新的融资机制可以更好地平衡前期成本增量和长期效益之间的关系，从而克服此类项目可能遇到的投资障碍。

通过实施综合设计的这三个关键点，我们将有更多的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。

世界上大约60%的电力用于驱动马达，其中一半以上用于驱动泵和风扇。根据不同电机的使用寿命和型号，可以通过多种已知的经济手段提高电机的效率，总能耗可降低50%。然而，如果我们退一步考虑一下，我们将通过使用集成设计来改造泵系统，从而节省更多的能源。

泵系统用于输送液体，通常采用低成本的标准管道系统以直角铺设。但是，如果用直径更大、弯曲角度更平滑的短管代替直径更小、弯曲度更大的长管，就可以减小泵系统的体积，大大减少泵系统所需的能量，达到同样的目的:移动液体。这不仅可以节约能源，而且可以将of/きだよ 0的污染和碳排放减少三倍。

大约20年前，荷兰地毯制造商interface nederland在其上海工厂建设项目中采用了集成设计理念。通过重新设计进料系统，公司减少了86%的能源需求，同时减少了生产设备。通过较短的距离和直线路径输送液体(最终值)，用小泵和大直径管道代替大泵和小直径管道(通过整个系统设计)，虽然增加了早期建设成本，但创建了一个更高效的系统，并快速回收了投资成本。

类似的实践也可以应用于工厂的整体设计。2009年，德州仪器在德州理查森设计了一个芯片制造工厂，建筑面积约10万平方米。通过采用优化的泵系统、变速电机、重力设计的废物排放系统和深度余热回收系统，工厂的年能耗、二氧化碳排放量、污水排放量和建筑运行成本分别降低了20%、50%和35%。这一具有里程碑意义的能效提升案例为未来所有芯片制造商树立了一个集成设计榜样。

除了改变单个工厂，我们还可以使用集成设计来提高整个工业部门的能源效率。

如今，出行方式、电气化和无人驾驶的发展趋势已经在社会上广为宣传。从集成设计的角度来看，他们创造的价值是真实的，而我们面临的问题来自于当前以汽车为中心的交通系统中的惰性资本和低效技术。

从最终用户需求来看，大多数车主不需要汽车，他们需要个性化的出行方式。为了满足这一需求，大多数美国人总是选择买车。但事实上，私家车95%的时间都闲置在停车场。当汽车在路上行驶时，由于交通拥挤，汽车只能在大约2%的时间内高效地将乘客运送到目的地。这是一个非常低效的系统！更糟糕的是，在美国，大多数汽车只有一名乘客。我们计算了一辆重1500公斤的汽车运送仅重80公斤的乘客的能量转换率。结果表明，汽车消耗的能量中只有1%直接用于为乘客提供出行服务。显然，这是一个低效的系统，需要以集成的方式重新设计。

车辆电气化和轻量化都是早期阶段需要高投资的技术，但它们可以通过在驾驶过程中节约能源来回收成本，并大大提高行驶系统中的能量转换效率。优步和滴滴提供的车辆共享服务可以提高个人车辆的利用率，并有助于加快此类技术的投资回收。然而，自动驾驶技术可以进一步提高利用率，从系统中消除驾驶员的成本，并以较低的成本提供更多的旅行服务，从而显著提高系统效率。因此，苹果、谷歌、百度等商业巨头都非常专注于开发这样的解决方案。

从社会的角度来看，用整个系统的思维模式重新安排城市系统，可以进一步实现优化旅游的经济效益。在这里，我们可以通过开发更多更适合步行的多功能社区和城市区域来降低市民的长途出行需求，从而通过一体化设计让市民更方便地满足工作、生活和娱乐需求。

通过开发轻型汽车、电动汽车和自动驾驶汽车，我们可以在不久的将来重新定义人和汽车之间的关系。我们的研究和分析表明，在未来几年里，美国汽车拥有量将达到峰值，然后开始下降，每公里每名乘客的平均成本将比目前水平低四分之三。

集成设计可以发现并解决消费者的真实需求，无论是舒适、液体输送、产品制造还是旅行。集成设计可以为重新思考、重新设计或再制造产品或服务创造市场机会。落基山研究所估计，仅在美国，这些市场机会的潜在规模每年就可能超过1万亿美元。

如今，技术和商业模式都在发生颠覆性的变化，集成设计就是这样一种双重颠覆。通过帮助我们建造更好的建筑、制造更好的汽车、建造更好的交通网络和基础设施，综合设计将成为新时代的核心经济要素。

(乔恩·克雷塔斯是落基山研究所的常务董事，罗伯特·麦金托什是该研究所的高级顾问，由马克编辑)

Jon creyts，robert mcintos/ Wen

(本文首次发表在2017年5月29日出版的《财经》杂志上)