蒸汽管网：纽约的 Steam Networks
认识 Viktor
虽然 Viktor Zhdanov 的名字今天鲜为人知，但他率先启动了历史上最伟大的项目之一。他是谁？他做了什么？
阅读更多 →
第 18 期
焦点文章
作者：
Jamie Rumbelow
Steam networks
2025年3月13日 27分钟 纽约的摩天大楼高耸于一个世纪前建造的蒸汽管网之上，该管网至今仍在为这座城市供暖。当世界其他地方都转向热水时，曼哈顿人仍然以兆磅为单位购买蒸汽。
自 1882 年以来，曼哈顿一直在向居民和企业输送蒸汽。它被用于：在华尔道夫酒店熨烫亚麻制品；在餐厅清洁陶器和加热食物；在干洗店清洗衣服；在纽约长老会医院对医疗设备进行消毒；以及被大都会艺术博物馆用于控制其艺术品周围的湿度和温度。曼哈顿的居民也在使用它，无论是在标志性建筑还是普通公寓楼中，都用它来加热空间和用水。
蒸汽像其他任何公用设施一样运作：集中生产、计量，并通过 105 英里长的管道网络输送到家庭和企业。与电力、污水和水一样，它在城市的日常运作中发挥着不可或缺的作用。
如今，曼哈顿蒸汽系统负责为 18 亿平方英尺的住宅、7 亿平方英尺的商业和 9000 万平方英尺的工业楼面空间供暖。这占曼哈顿住宅总面积的四分之三以上。
蒸汽的利用促进了曼哈顿的发展，为日益垂直的城市提供了有效的供暖。许多其他城市也采用了区域供暖系统，但很少有城市使用蒸汽来分配能源。为什么有些基础设施能够幸存下来，而另一些却被淘汰？
供暖简史
供暖约占全球终端用户能源消耗的一半。这些能源大部分用于为家庭、办公室和水供暖——用于烹饪、清洁和洗涤——但大约一半用于各种工业用途，较小一部分用于农业。保持空间温暖是最基本的一种能源利用方式。
在现代中央供暖系统出现之前，保持房屋温暖是效率低下、不方便，有时甚至是致命的。大多数住宅建筑都以壁炉或火炉为中心，通常燃烧木材、煤炭、剩余作物或粪便。传统的壁炉效率极低，每分钟吸入 300 立方英尺的空气用于燃烧，并将高达 85% 的热量——以及热量——从烟囱排出。它们很不方便，因为燃料来源需要定期补充：砍伐、运输和劈柴可能需要每人每年长达两个月的人工劳动。而且它们是致命的，因为这些充满杂质的固体燃料具有高度的污染性。最近的一项研究发现，壁炉每燃烧一公斤木柴会排出 58 毫克的直径小于 2.5 微米的颗粒物（PM2.5）。这意味着在有壁炉烧木柴的房间里每待一小时，你的寿命就会缩短大约 18 分钟，相当于吸 1.5 支香烟。
效率和污染问题促使人们重新发现和改进中央供暖系统，将热量的产生从消耗地转移开来。James Watt 在 1700 年代后期奠定了基础，将管道系统连接到他自己家中的中央锅炉。
1805 年，William Strutt 使用煤炭加热冷空气，并通过管道将其分配到整个房屋；大约在同一时间，法国一些富裕的家庭开始使用类似的火管热风炉。
到 1863 年，散热器已经形成了明确的形式，这也许是现代家庭供暖最重大的突破。通过将蒸汽穿过多次折叠的管道，可以在紧凑的空间内实现大量的表面积。然后，热量通过对流和直接辐射到房间中，从蒸汽传递到周围环境中。单个散热器也可以安装阀门，从而可以逐个房间地控制供暖。
虽然散热器可以更好地在建筑物内分配热量，但每栋建筑物都需要自己的锅炉。但是，现场锅炉，尤其是大型建筑物的锅炉，在经济和人体工程学方面都存在局限性。蒸汽供暖需要大型锅炉、煤炭存储区和广泛的管道系统，这会占用宝贵的楼面空间。随着系统变得越来越先进，它们通常也变得越来越复杂，需要熟练的技术人员进行安装和维护。
煤炭物流也带来了一系列问题。定期交付、储存和处理大量的煤炭需要大量的人力和空间：为帝国大厦供暖每天需要超过 45 吨煤炭，大约相当于两个集装箱的煤炭。Thomas Edison位于 Pearl Street 的第一个发电站在 1890 年开业，每天需要 20 多吨煤炭。所有这些煤炭都需要通过桥梁或船只运到曼哈顿岛上储存，而在一个空间日益稀缺的城市里，黄金地段的价格在 1790 年代到 1880 年代之间上涨了十倍，从 1825 年的每英亩 400 美元飙升至世纪末的每英亩 100 多万美元（按今天的美元计算超过 3000 万美元）。
而且并非所有煤炭都是一样的。锅炉和火炉需要一种昂贵的煤炭才能燃烧得足够热。无烟煤的碳含量高（在 92% 到 98% 之间），杂质很少，燃烧得又热又干净，但很难点燃：一位恼火的用户宣称，“如果世界着火了，Lehigh 煤矿将是最安全的退路，是最后一个燃烧的地方”。（这将是一个糟糕的策略：1962 年，位于 Lehigh County 以西 25 英里的宾夕法尼亚州 Centralia 下方的无烟煤煤层着火了，至今仍在燃烧。）
烟煤要柔软得多，碳含量较低（在 45% 到 86% 之间）；因此，它的燃烧能量较低，污染也更大。所有煤炭都需要定期储存、处理和清理灰烬。
烟灰和烟雾的令人不快导致美国城市在 1880 年代开始立法禁止它，尽管这些限制经常被忽视。当罢工导致 1902 年无烟煤价格上涨，一些纽约市工厂转而使用烟煤时，由此产生的烟雾呛到了这座城市，违反了当地法令，并引起了居民的恐慌。污染刺激了发明：从 1830 年代到 1880 年代，“专利局……充斥着节省燃料、消除烟雾、蒸发水和利用蒸汽的发明……仍然留下了巨大的需求未得到满足”，根据当时的说法。
十九世纪曼哈顿的发展
1850 年至 1900 年间，纽约的人口激增。仅曼哈顿就从 515,000 居民增加到 180 万居民。这种增长导致了严重的过度拥挤，某些地区的人口密度达到了每平方英里 632,000 人，是今天的十倍。
过度拥挤导致了道德和公共卫生问题，并出台了反贫民窟立法，试图改善生活条件。这使得曼哈顿的空间更加稀缺。高架铁路线，如 1878 年开通的 Ninth Avenue Line，使城市的有效规模得以扩大，并使外围城市部分郊区化。但是，票价不够便宜，无法让低工资劳动者定期往返于上城正在形成的新社区。如果这座城市要继续发展，就需要向上发展。
两项重大创新使得建造更高的建筑物成为可能。亲自爬楼梯——带上食物、水和燃料——对建筑物实际上可以有多高设置了一个实际的限制：无论地价上涨多少，古罗马、中世纪拜占庭或 Hausmannian 住宅建筑都不会超过六层。Elisha Otis 在 1852 年推出的安全电梯使更高的建筑物变得实用和理想。Otis 的设计包含一个安全制动器，如果提升缆绳断裂，该制动器会启动，从而减轻了对灾难性坠落的恐惧。
与安全电梯同时出现的是钢结构框架的使用。传统的砖石结构面临着一些限制，阻止它们超过大约 12 层，其中最重要的是重量分配：随着建筑物变得更高，上层的重量会对下面的楼层产生巨大的压力。
钢铁生产的进步，包括 Bessemer 工艺——通过向熔融铁中鼓入空气来氧化杂质——使得使用钢结构框架既经济又划算，从而使强度重量比提高了十倍。围绕垂直钢柱和水平工字钢的骨架设计建筑物，使建筑物能够将其重量重新分配到该结构中，从而释放墙壁和地板的拉伸压力。这意味着建筑物的其余部分可以使用较轻的非承重材料制成，从而使建造更高的高度成为可能。
因此，纽约腾飞了。1890 年，最高的建筑物达到了 18 层。到 1899 年，Park Row Building 延伸至 31 层，1908 年，Singer Building 甚至达到了 41 层。垂直扩张使这座城市能够创造更多的住宅和商业空间，但这些空间需要供暖、供电和供水。
纽约蒸汽公司
为了解决这个问题，纽约转向了区域供暖，这是 Birdsill Holly（1820-94 年）的一项发明，他是一位来自纽约 Lockport 的白手起家的人。Holly 深刻理解十九世纪城市的问题。随着城市人口的膨胀，火灾风险变得灾难性的：在 1776 年至 1845 年间，曼哈顿的大部分地区将在三场大火中被摧毁。早期的手摇泵消防车每分钟只能输送 30 加仑的水。Holly 最早的专利中包括水泵，例如“椭圆形旋转泵”——他的蒸汽动力消防车的前身，于 1856 年问世。
他的“城市、城镇和乡村直接供水和消防保护 Holly 系统”以压力向家庭和消防栓提供持续的供水，降低了成本，并消除了对水库和立管的需求。它非常成功，以至于其他 23 个城市未经 Holly 授权就抄袭了它，后来被美国最高法院强迫向他支付赔偿金。在 1870 年代，他开始在尼亚加拉瀑布开展一个摩天大楼项目，然后将其带到长岛，这表明可以通过向上建造来改善过度拥挤的状况。他被嘲笑为“来自西部的农民”，完全放弃了该项目，回到了 Lockport。
Holly 回到了管道行业。从他对蒸汽动力泵、管道工程和城市密度的研究中汲取灵感，他开始为区域供暖系统制定计划。如果他能像分配水一样将蒸汽分配到建筑物中，那么多个建筑物就可以由一个锅炉供暖，从而降低火灾风险并集中供暖物流。他首先通过 1.5 英寸的管道输送蒸汽，后来升级为 3 英寸的管道，这些管道由木制沟渠支撑，并用石棉隔热。蒸汽将在他位于栗树街 31 号的地下室的锅炉中产生，并通过他的花园进入邻居的房屋。
到 1877 年，他启动了他的系统在区域规模上的第一个实际测试。在这一年中，随着 Holly 解决问题并注册客户，该网络扩展到周围地区。每个阶段都需要新的发明：用于从总管中抽取蒸汽的阀门、用于稳定压力的调节器、用于处理冷凝水的疏水阀、用于处理管道热膨胀的支架，以及用于测量流速并相应地向客户收费的仪表。
到冬天来临时，已经注册了 20 户人家。到这个阶段，该网络包含三英里的管道，由三个锅炉以每平方英寸 25 到 30 磅的压力供电。根据当时的说法，“所有在冬季提供蒸汽的房屋都得到了最舒适的供暖，并且消除了旧方法的弊端……可以以低得多的成本提供热量。”
该测试取得了成功，因此他成立了 Holly Steam Combination Company，为其 50 多项发明申请了专利，并将区域蒸汽供暖出口到其他城市。到 1882 年，至少有 20 个 Holly 蒸汽系统在运行，包括：科罗拉多州丹佛市；纽约州奥本市；纽约州特洛伊市；马萨诸塞州斯普林菲尔德市；密歇根州底特律市；以及康涅狄格州哈特福德和纽黑文。（丹佛的系统最古老，自 1880 年以来一直持续运行。）然而，到目前为止，最大的系统位于纽约市。
曼哈顿已经拥有一些市政公用事业：在 1830 年代，该市开始铺设水管，通过 41 英里的封闭式渡槽从威斯特彻斯特县的 Croton 河引入淡水。在 1850 年代，曼哈顿煤气照明公司等私营公司开始在街道上铺设煤气总管，取代了整个城市的油灯。
但是，在镀金时代的美国，以城市规模分配蒸汽的想法有点大胆。John D. Rockefeller 的一位合伙人 Wallace Andrews 以及他的工程合作伙伴 Charles E. Emery 发现了 Holly 的设计，并决定在纽约市实施。Andrews 致力于安排融资，并说服纽约市议会批准开发蒸汽系统。（Edison 已经开始挖掘街道以安装电缆，这使得这项任务变得更加容易；Emery 和 Edison 甚至在地下相遇。）
1882 年，在其运营的第一年，New York Steam的总收入达到了 200,000 美元（按通货膨胀调整后约为 600 万美元）。一个早期的蒸汽站建在格林威治街 172-176 号，即今天的世贸中心遗址；它包含 64 个 250 马力的锅炉，分布在四个楼层。煤炭被运到建筑物的上层，在那里通过斜槽为锅炉供电；灰烬以相同的方式落入建筑物的地下室。到 1884 年，该公司已拥有 5 英里的在用管道——向 250 个消费者提供蒸汽，从南部的炮台延伸到现代市政中心的 Murray St——并且实现了盈利。
用中央系统取代单个锅炉具有显著的城镇规划和公共卫生效益。在曼哈顿这样密集的城市，煤炭物流是一个日益严重的问题——纽约蒸汽公司估计其中央系统取代了 120 万吨煤炭以及来自超过 2,500 个烟囱的烟雾，每年 300 天每天需要 700 辆五吨卡车来处理煤炭和灰烬——而且死于火灾的风险正在增加（保险费也在上涨）。
Andrews 本人于 1899 年死于一场房屋火灾。但他帮助创建的系统比他活得更久，并且被证明具有极强的灵活性，能够适应城市向上和向天空的快速发展。随着纽约的扩张，许多新建筑物都接入了其不断增长的蒸汽管网，从而节省了建造自己的供暖系统的成本和复杂性。每个新建筑物都使该系统变得更加高效，因为铺设管道和运输煤炭的成本可以分摊到更多客户的账单上。
第一个客户主要是办公楼，例如百老汇和华尔街的第一国民银行，但用户包括繁忙的餐厅（一家餐厅每天供应一万份餐点）、发电机、洗衣店和公共浴室。管网蒸汽甚至被用来融化街道上的积雪。20 年代和 30 年代的大多数装饰艺术摩天大楼都由纽约蒸汽公司提供，包括标准石油大厦、丽思大厦、纽约人寿保险公司、派拉蒙大厦、克莱斯勒大厦、华尔道夫酒店、洛克菲勒中心和帝国大厦。
1931 年——从 1910 年代财务动荡中走出来，该公司于 1918 年进入破产管理——其年度利润已达到 200 万美元。到 1932 年，它是世界上最大的区域供暖系统，拥有 65 英里的管道，为 2,500 多栋建筑物提供供暖。
现代纽约蒸汽系统
如今，该网络由公用事业巨头 Consolidated Edison（ConEd）拥有，在曼哈顿运营四个蒸汽生产基地，在皇后区运营一个。他们还从布鲁克林的一家 322 兆瓦的工厂购买额外的蒸汽，该工厂由一家独立公司管理。ConEd 最大的工厂坐落在东河沿岸，占据了第 14 街城市街区的大部分。在这家工厂，十几个大型锅炉将水加热到大约 177 摄氏度，并以每平方英寸 150 磅（大约相当于十个大气压）的压力将其推入管网。
Consolidated Edison 工厂，E 14th Street。
图片
来源：Pexels
所有这些规模都相当可观。这六个锅炉站的总容量约为每小时 1150 万磅蒸汽；在高峰时段，它们使用超过 900 万磅。每加仑水产生略多于八磅的蒸汽，这意味着该系统在冬季每小时消耗近两个奥林匹克游泳池的水。
一旦加热，蒸汽就会通过称为总管的大型管道从工厂输送出去，这些管道通常直径在两到三英尺之间，然后再通过一个由 105 英里长的较小管道组成的网络扩散，这些管道像格子一样位于城市街道下。
较旧的管道由铸铁制成，通常仍然涂有 Emery 用石棉包裹的材料，这可能会在定期维护和管道破裂时引起问题。（当 2023 年发生上次重大破裂时，该市关闭了七个街区，并出于“高度谨慎”而冲洗了附近的建筑物和街道。）新管道由碳钢合金制成，并包裹在绝缘材料（通常是矿棉）中，并位于预制的混凝土管道内，这既减少了运输过程中的热量损失，又防止了附近的其他管道和电线受到影响。
这些管道中的大多数比其他公用设施更深，位于街道下方四到 15 英尺的任何地方。最深的总管管道位于 Park Avenue Tunnel 下方，位于往返布朗克斯和中央车站的通勤列车下方 30 英尺处。可以通过街道上的沙井盖进入管道，工人使用特殊的伸缩工具打开和关闭调节系统压力的阀门。管道的各个部分焊接在一起，并用称为锚的金属条固定在混凝土中。当温度变化时，金属会膨胀和收缩，因此在总管沿线的各个点上，管道会通过伸缩缝，以安全地吸收这种移动。
Consolidated Edison 最常使用“孔板”流量计向其客户收费。孔板是一个薄而扁平的金属板，中心有一个精密加工的孔，它位于管道内，垂直于流动方向。当蒸汽被迫通过孔时，传感器会测量压力下降，并反向计算流量。1
根据来自纽约市建筑局的数据，位于中城的东 62 街 201 号是一栋拥有 70 套公寓的世纪中期住宅楼，2021 年消耗了大约 5,962 兆磅的蒸汽。其蒸汽服务每月花费该建筑物大约 16,741.23 美元，或每套公寓每月 239.16 美元。位于西区大街 150 号的林肯大厦大约在同一时间建造，拥有 454 套公寓，每月至少支付 47,370.80 美元，用于其 19,483 兆磅的蒸汽，或每套公寓每月 104.34 美元；定价结构强烈奖励密度。2
维护网络的一大工程挑战是管理蒸汽在整个系统中移动时压力如何变化，并在移动时被排放到建筑物中。工程师可以使用服务阀门两侧的阀门非常精确地控制任何给定客户的入口压力，并使用传感器监控整个系统的使用情况。当压力过高时，阀门会打开并通过格栅排出蒸汽，从而使游客感到高兴，并激怒出租车司机。如果压力在一段时间内过高，ConEd 会关闭一些锅炉。如果压力过低，ConEd 可以通过打开新锅炉或关闭其他地方的阀门来增加供应。这种反馈机制的很大一部分现在已实现自动化，现代电子传感器和高精度阀门使整个系统能够以高效率运行：端到端 60%。3
当蒸汽冷却时，它会凝结成称为_冷凝水_的水滴，这种物质会积聚在管道系统的低