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    屋頂雨水收集再利用技術——北京褐石公寓

    時間:2018-07-31  來源:北京土人城市規劃設計股份有限公司  編輯:defent  瀏覽:614次
    項目位于北京的一個中高密度社區——北京褐石園,這是一個運用家庭水生態基礎設施的理念,充分利用收集的雨水,將高能耗的住宅建筑向綠色建筑轉化的實驗性性項目,本文主要介紹的是項目的雨水收集和再利用的方式。

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    項目位于北京的一個中高密度社區——北京褐石園,社區由5層多家庭公寓組成,容積率高達1.2。北京氣候惡劣,冬季寒冷(一般夜間最低溫度可以降到-15℃到-10℃),夏季炎熱(日間最高溫度可高達35℃到38℃);春季和秋季干燥,且晝夜溫差很大,春季還會出現沙塵暴。年降水量達到500mm,主要集中在夏季,春季和秋季干旱少雨。我們使用了社區內兩個位于5層的相鄰公寓單元進行實驗,主要的改造集中在公寓中兩個主臥外南向的陽臺和分隔這兩個公寓的隔墻上。兩個陽臺因為北京惡劣的氣候不能被很好的使用,每個大概30平方米;隔墻墻面大概11平方米。

    這是一個運用家庭水生態基礎設施的理念,充分利用收集的雨水,將高能耗的住宅建筑向綠色建筑轉化的實驗性性項目,具體做法如下:

    1、改造陽臺結構,收集雨水

    由于北京較惡劣的氣候時間很長,兩個主要臥室外的陽臺得不到高效使用。但陽臺的優點是與室外環境的銜接,相比室內環境來說,沒有對干濕、溫度等更多的要求,這也是選擇陽臺進行此次實驗的一個原因。改造前的陽臺是一個未封閉的空間,每當下雨時,雨水灑落在陽臺上,通過陽臺上的落水管排到城市排水管網中,該項目的目標就是把每次的降雨留下來,儲存在陽臺上,再根據人們的需要加以利用。

    首先是雨水收集,設計選擇整個建筑的屋頂作為雨水收集面,根據屋頂原有的排水結構和原有的落水管結構,在落水口設置集水檐,使雨水流入連接雨水儲存箱的管道。管道口設置了過濾網,防止管道的阻塞,管道下方連接雨水過濾裝置,進一步凈化雨水。該過濾裝置設置在陽臺靠近墻壁的一側,可整體拆卸,方便定期維護。雨水經過處理后,直接進入雨水儲存箱進行存放,儲存箱設有通風換氣的裝置,防止水體變質。儲存箱圍繞陽臺四周設置,以盡量減少占用空間,但也力求在有限的空間內,盡量多的收集雨水。儲存箱與水池連通,水池水面到達一定高度,則通過溢流裝置流入建筑落水管,防止雨量過多時,儲水箱無法存放。

    整個雨水收集設施與建筑排水相結合,將屋頂原本要排走的雨水,收集在陽臺上,在無法收集更多時,選擇將其排出,在雨洪管理系統中,這就是一個貯留池(retention basin)的概念,在城市暴雨過程中,對減少洪峰,具有非常明顯的作用,而對于家庭來說,對收集的雨水進行利用,也不失為經濟的選擇。

    2、雨水的利用方式:陽臺菜園和花園

    為了使陽臺更加美觀,改造設計是將它們轉化為溫室花園,一個是服務于廚房的生產性蔬菜園,另一個是為主臥室準備的可食用芬芳花園(如圖所示)。這兩個花園的平面布局和空間結構完全相同,由中間的水池和汀步構成的花園,允許人們到達每一個角落。水池采用整體的鋼板結構,結合種植槽的形狀,完整的嵌入整體的結構中,良好的避免了水池滲水的情況。另外,通過控制雨水儲存箱的水閥,可以輕易增添水池的水量,并平衡儲水箱和水池的水位。種植槽由鋼板制成,放置在雨水儲存箱的上方,呈臺地式布置四周,這樣為種植區節省了空間,也使得植物能夠充分接受陽光。種植槽內以適合場地的尺寸靈活劃分,槽內放置可拆卸的種植箱,又便于后期的清理維護。種植箱旁堆積輕質多孔的上水石,設計成小型跌水,水的來源即為收集的雨水,通過管道和小型水泵就可以實現良好的景觀效果,在調節陽臺濕度和溫度的同時,還為苔蘚類植物提供了生長的空間。跌水、水池和儲水箱三者是一個連通的結構,跌水可增加水含氧量,保證了兩個花園水中所養游魚對水質的要求。游魚和跌水不僅可供娛樂,更重要的是維護水質,避免收集的雨水中蚊蠅滋生。與臥室連接的木質平臺漂浮于水面上,可以成為納涼和晨練的場所,業主甚至可將它作為可以仰觀星星的另一臥床。面向花園的臥室外墻面和溫室頂部由木格柵構建,木格柵采用3cmx3cm木條以20cmx20cm間距排布,以便垂直綠化,使空間的尺度和質感更加宜人,并調節進入溫室內的光線。

    由于陽臺上的設施要求,陽臺無法進行防水工程的改造,設計者在水池、儲水箱、種植箱等下方均設有2-3cm高的墊塊,其彼此之間又均為相對獨立的結構,僅有管道輸送雨水,這樣的設計完全滿足了陽臺的防水需求。在種植箱底部有滲水的小孔,其上鋪設無紡布后,再放入土壤種植植物,保證了植物根部的呼吸。種植箱底部滲出的水均利用陽臺原有的排水裝置,通過2-3cm墊高的空間,進入落水管,而不會對水池、儲水箱等結構造成影響。

    盡管結構相同,但兩個陽臺花園選用植物材料完全不同。在蔬菜園中,通過對種植槽中不同蔬菜的色彩、高度、形態、習性的選取,制定了四季可以輪作的種植方案:花園春季可以采收香菜、油菜,夏季可以品嘗番茄、黃瓜,秋季可以收獲葫蘆、葡萄,冬季可以樂享生菜、辣椒(如圖所示)。在芳香園中,選用亞熱帶的芳香植物,例如梔子花、桂花、夜來香、茉莉、白蘭、薄荷等。這些植物為臥室創造了一個芳香的休息環境,而且都是可食用的。

    陽臺花園的設計成為了室外環境與室內環境的緩沖區域。炎熱的夏天,室外高溫的空氣經過花園溫度降低,使得室內空氣更加涼爽;嚴寒的冬季,室外寒冷干燥的空氣經過花園的升溫和加濕,使屋內更加保溫和舒適。同時,花園成為了主人室內空間向室外的延伸,在高密度的城市中,獨享屬于自己的綠色空間,體會生產性景觀的樂趣和藝術。

    3、雨水的利用方式:生態墻

    為了改善室內溫濕,設計師將分隔這兩個公寓單元的隔墻設計成為一個&ldquo;生態墻”,該項設計獲得發明專利,比傳統的空調制冷加濕更加低碳環保,且具有裝飾室內環境的作用。更重要的是,利用收集的雨水創造景觀的生態墻,為家庭雨水利用增添了新的理念。

    該上水石生態水景墻,由鋼板構成主要框架,內側與墻體通過連接固定,外側掛接以大理石膠粘合的上水石墻,上水石墻外側上端布置溢水槽,由循環水泵通過輸水管將水送至溢水槽,向上水石噴灑淋水體,墻下端設置與鋼板一體化的水池,水池外側為木質擋水臺,水池底部布置循環水泵、泄水管和進水管。該發明充分發揮了上水石優良的吸水性,幕墻所占空間小,與空氣接觸面大,能維持墻體潮濕,發揮其散發濕氣、自然降溫的作用。由于上水石材質較輕,對地面增加的負荷較輕,不需要對地板進行額外的加固處理。而且該生態墻是一個整體結構,不需要額外的防水處理,可利用上水石間空隙,以及在石體上鑿孔,種植綠色植物,上水石上也易于形成青苔,很快就能形成生態型綠色水景

    整個墻面由塊狀的多孔上水石鑲嵌而成,墻頂留溢水槽。利用上水石多孔滲水的特征,吸收和滯留墻頂流下的水體,同時上水石也能給予苔蘚和草本植物以生長的環境,從而使整個墻體成為一個氣候的調節器。在炎熱的夏季,蘊含水分的墻體蒸發帶來了陣陣清涼,替代室內空調的使用;在干燥的冬季,帶來充沛的濕氣;墻體上的苔蘚和綠色,散發出來自大自然芬芳。而且此種上水墻不必保證持續的水流,墻體不需清潔,降低了維護成本。

    生態墻上循環的雨水,攜帶著植物的種子,不斷循環在箱體和儲水池之間,一種植物生長在墻上的一個角落,不久就會遍布滿墻。主人可通過調節上水墻上水的頻率和水量,控制植物生長的速度和面積,還可根據個人喜好,將合適的種子灑落在水池中,或將植物放置在上水石的縫隙中。客廳作為家庭裝修最重要的部分,往往也是家庭裝修花費最多的區域,但裝修后的空氣質量卻令人堪憂。而上水石生態水景墻的客廳設計,不僅經濟環保,更是自然的空氣凈化器,是綠色家居生活的絕佳選擇。

    4、利用自然通風和陽光,樂享低碳生活

    陽臺的溫室罩面用玻璃和遮陽格柵結合而構成,以便控制光線進入強度,形式室內和室外的溫差。同時窗戶可以手動開啟,便于空氣流通,使小氣候得以方便進行地人工調控。利用風壓和熱壓相結合的方式,巧妙的利用屋頂,引導自然風進入陽臺和室內。設計還特意使用了方鋼管,對整體結構進行加固,保證大風天氣玻璃罩面的穩固。另外,屋頂安裝太陽能光熱板,收集的太陽輻射提供家庭廚房及洗浴需要的熱水,將屋面的利用最大化。

    雨水、風和太陽能這些自然的元素,免費構建了這一家庭水生態基礎設施,將一個高能耗的住宅建筑,轉化為綠色低碳的居家環境,并附贈家庭量身定做的微氣候。

    5、工程實施效果

    a.生態效益

    經過一年多的實驗,改造的設想基本得到了實現,節能和改善環境的效益是明顯的,收集的雨水對一個家庭來說還是相當可觀的,兩個陽臺收集的雨水每年可達到52m3左右,具體數據如表所示。

    表3.7-1北京褐石園單個陽臺花園2009-2010年度雨水收集利用數據統計

    雨水收集量(2009年07月至2010年06月)
    月份季度雨水收集量(m&sup3;)年雨水收集總量(m&sup3;)
    2009年07月-2009年09月15.826
    2009年10月-2009年12月1.9
    2010年01月-2010年03月2.1
    2010年04月-2010年06月6.2

    注:以&ldquo;蔬菜園”為核算依據,兩個花園的雨水收集量為上表的兩倍

    b.經濟效益

    陽臺的生產性景觀,創造了良好的經濟效益,生產的蔬菜產量相當可觀,主人可以每天享受一盤沙拉,以及一些豆類和水果等,具體的蔬菜產量如表所示:

    表3.7-2北京褐石園單個陽臺花園2009-2010年度蔬菜生產數據統計

    蔬菜產量(一個生長周期)
    品種產量(㎏)
    小白菜13.8
    豆角3.6

    注:表中數值以小白菜、豆角種植為例,在一個生長周期內,按小白菜種植面積9.2平米,單產1.5㎏/㎡,豆角種植面積1.8平米,單產2.0㎏/㎡計算。

    通常250多平方米的復式洋房采用10匹的空調主機,室內配置10個末端,一個末端按30W計算。在一般情況下家里只有4-5個末端同時開啟,10匹的全變頻中央空調(按8小時計算)大概一天耗電30-40度左右。按夏季100天計算,每套住宅共節約電能3000-4000度。按此計算,兩個公寓的總面積為500平米,由于陽臺花園對戶外環境的緩沖作用和生態墻的降溫作用,整個夏季都不需要空調而維持較舒適的室內環境,僅此一項,兩套公寓就節省6000-8000度電。

    c. 社會效益

    該項目建成后吸引了大量的人員前來參觀,起到了良好的教育啟智作用。本案例過雨水收集、太陽能和生態墻的設計,用極低的投入,將一個本來耗能的建筑,改造為低碳的綠色建筑,有效地降低了能源的開銷,同時提供了兼具生產功能的舒適居住環境。這棟公寓富有教育意義,它表明將生態設計作為一種系統策略,整合技術資源,用最少的投入、最簡單的方式將一個普通住宅向綠色建筑進行轉化的可行性。同時,這一建筑環境的使用亦是可持續的,通過陽臺花園和生態墻的使用和體驗,教育城市公民,倡導低碳的生活方式。

    d.后期經驗和建議

    陽臺通風問題:由于施工時難以實現,玻璃罩面的頂部未設置可開啟的窗戶,后期使用也發現陽臺的通風效果并不理想,冬天相對舒適,而夏天相對較熱。而對于南北通透的住宅來說,這一影響將會減輕,與陽臺相連接的房間對空調的使用也會大大降低。若對玻璃罩面進行改造,可在罩面外側的頂部增加電動的遮陽蓬,其上利用30cm高的鋼結構撐起另一附加的玻璃罩面,形成保溫隔熱的空氣層,主人可自行控制遮陽蓬改善室內溫度,對目前夏天較熱的狀況會有很大改善。

    儲水箱容量問題:由于受陽臺面積以及承重能力的影響,雨水儲存箱的設計容量較低,并不能完全滿足全年陽臺和生態墻的用水量,加之北京的降雨全年分布不均,需要更大容量的儲水箱才能持續供水。而對于南方全年降雨比較充沛的地區來說,對雨水儲存箱的容量要求則會降低許多,該實驗在南方地區的適宜性遠遠高于北方。

    陽臺水循環問題:實驗之初設計的儲水箱,僅有水閥可直接取用雨水,儲水箱和水池并未與種植槽連接,仍需要手動澆灌植物,水池的水體更換也必須將水排入落水管。更新的設計則可將水池的水通過管道,采取滴管的技術,對種植槽中的植物進行澆灌,進一步循環利用水資源。對家庭而言,自行用水池中的水澆灌植物也是可取的。

    生態墻上水問題:后期的實驗發現,生態墻上植物的分布與水體經過的路徑密切相關,呈現植物生長于落水路徑一致的現象,上水管道的設置是生態墻景觀效果的關鍵。該實驗項目中,一側生態墻由于落水管落水的效果不理想,導致生態墻植物生長較少,而在更換了更合適的落水管后,生態墻的植物生長增多。

    投資和維護問題:該實驗的兩個生態墻共投資45000元,維護方便簡單,在雨水利用方面取得了良好的效果。陽臺花園的投資則較多,總計約為20萬元,對普通家庭來說是一筆不小的費用。后期維護雖不多,但花園仍是需要人用心管理的。故結合以上建議中自動化的管理則更適合現代人的生活方式,相信在以后的陽臺花園設計中,類似的問題將會逐一解決。

    未來的家庭水生態基礎設施,需要更加科學化的管理。若希望雨水持續供應,則需要根據當地的降雨量、雨水收集面積、水日需求量等數據,精確計算雨水儲存箱的容量。或許這對于單一家庭來說,建立一套家庭水生態基礎設施較為困難,而未來的社區可幾戶人家共享一套設施,則會更加經濟高效,且對于促進社區鄰里關系有著積極的作用。

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