居住的可持续性

文：乔治白·拉·弗朗卡
by Giuseppe La Franca
 
树叶房是一幢零排放的房子，容纳有六套实际住人的房间，另外还作为实验室，用于监测可持续生活方式和技术。
Leaf House is a zero-emission case which has six apartments actually inhabited and it’s also a laboratory for monitoring the technology and lifestyle of sustainability. 
 
 
一座高效的纯家庭住宅，它自动生产能量，能量被消耗的话也不向大气排放，用高性能的技术和产品来建造和配备：这就是树叶房（英文：Leaf House，Leaf是 life，energy and future 的缩写），它只是更宏大设计的基点，这个更宏大的设计被称为树叶社区，这是最有意思的意大利首创之一，它针对人类居住布局生态兼容性，由罗巧尼（Loccioni）集团推广和实施。通过两年多的运行，今天可以得到树叶房在其第一年运行中的可持续平衡状态的相关数据，这些数据确证了相关的初期评估，它不仅降低了能源和其它宝贵的自然资源的消耗，而且还节约了普通管理的经济成本。
 
 
 
 

图1：树叶房由罗巧尼集团建造，是碳中性房屋的样例，内有6套实际住人的房间，采用永久监控的可持续性技术。

生命、能源、未来
树叶房是树叶社区的居住类建筑的原型，在这里，人们使用生态可兼容的交通工具，小孩上太阳能学校，人们在由可再生能源供给的生态可兼容的楼房里工作。
树叶房坐落于安科纳省中部罗索拉市的安洁丽镇，在连接杰西市和发布利亚诺市的一条道路旁。这座楼位于一个丘陵的一侧，像其它居民楼一样有好几层，里面有6套房及其相关设施（洗衣房、箱子等等）总共可居住面积约480m²。这是一个真实住人的“碳中性”建筑，其整个运作所需要的能源完全由可再生资源产生，不向大气排放二氧化碳。除了普通功能外，还设立有一个建筑、能源、管路设备和家用技术应用监控实验室，它符合可持续性标准。
这个模式是受树叶房设计概念的启发，采用马尔凯区传统分益佃农式的房子，在这个自给自足的小天地中，资源量少，需要谨慎使用，力求预防用竭，同时，达到最大效率的利用，基本没有浪费。在菲德里克·布台拉教授的科学管理下，在该项建筑设计之前，根据“最干净的能源是节省下来的能源”的理念，在物理方面和能量方面对将要进行的建造工程进行了细心周密的研究。可持续建筑研究室（lo studio Architetture Sostenibili）的专家对影响能源和环境性能的主要因素（朝向、外表面的暴露情况、内部外部的分布、建筑材料和管道系统的选择等等）进行了模拟，以确定最有效的解决方案并指导后面的进一步深入研究。建筑师帕奇菲克·拉玛左第和工程师路易基·特里里尼，分别进行了建筑设计和管路设计，罗巧尼集团的内部技术人员团队合作作业。该集团是最早从事于以下领域的企业之一：从建筑到热力，从电气到装饰。
这种进行设计方法倾向于指定所安装的每件产品，它可能是由树叶房贡献给同时代的专业领域最有价值的方法。所采用的解决方案和技术（包括最先进、质量最好的那些）市场上都有，价格不高，谁都买得起。他们共同完成了一个连贯完整的施工，管理中心和所有得到的结果使得罗巧尼集团的事业及其树叶房得到真正增值，带来了对可持续建筑的讨论。
 
图2：采用市场上的常规产品，为居民提供具有最大的舒适度、最好的健康条件和人体工学设计的居住空间。
可利用的资源
制作树叶房所采用的策略是基于对周围环境特点的适应，以及必要的时候集成生产能量和资源，同时又不排放污染物。建筑体南面向阳，有利于最佳地利用太阳能：

• 一台光伏设备设置于楼顶（115片单晶硅板，总功率19.8 kW）；
• 热力太阳能接受板表面（7片，每片2kW）；
• 在冬天和在过渡季节有直接的好处；
• 在夏季，以凸出建筑元素的简单几何形状使房间内阴凉。

楼下面的地层是另一种能源：一个连接到地层导管的热泵供内部房间的空调使用。大楼的一部分靠在丘陵的山坡上：没有直接面对自然光的房间通过太阳能管解决其照明问题，太阳管横在楼顶的玻璃天窗上，把白天的光线带给下面的楼层。机械通风所采用的外部空气在到达处理单元之前通过一个长约10米的地下线路进行了自然预调控。通过使用各种可用水源，水回收系统解决了总消耗的一半以上。雨水被收集到两个储存水箱里，每个11000L，两个水箱设置在花园下面，用来供给：

• 灌溉系统（在必要的时候也可以使用在大楼附近的自流井和导水管）；
• 饮用，在厨房经净化处理绝对干净（盥洗池配备有三通水龙头：热水、冷水和可饮用水）。

还有第三个水箱，3000L，通过在建造工作过程中露出来的一个水道给厕所水箱供水；如果太满了，多余的水被注入其它水池中。
 
图3:技术中心还包括（从左到右）：用于加热和提供卫生热水的锅炉、水循环系统、控制中心和空气处理单元。

图4：由处理单元采用了一个热函回收器，将热泵产生的流体送到通风设备以及空气质量设备。
最小化地降低消耗
所采用的材料是同时代居住型楼房的典型材料：钢筋混凝土支撑结构、木质地板和瓷砖地板、粉刷墙体、低矮的石膏板天花板。大楼外墙设计采用了高绝缘性能的建筑材料，因此热力需求减少到最低。从低到高，接触地层的水平部分，按距离隔开布置有带有通风空隙（19cm）的卵石防潮空隙地板层（厚度11.5cm）、钢筋水泥板（20cm）、沥青层、置于两个薄混凝土层（5cm）之间的聚氨酯绝缘层（4cm）和瓷砖地板（Uc=0.41）。
外面墙壁（30cm）用一层18cm 的聚苯乙烯（λ = 0.036）填塞砖瓦制成，其结果相当于传统的1.5m 厚的墙。特别注意于消除在水平和竖直结构中的热桥效应：比如，阳台与钢筋水泥板的连接采用带热绝缘件的精确金属连接件，放在支撑太阳能集热设备的外部柱子上。
和被动式房屋类似，对开口进行限制：门窗预先安装制作好的各种形状的块，带绝缘层的侧扶壁、副框架、带开关的隔热百叶窗匣；外部门窗里面是木质三层薄板，中间是热泡沫，外面是铝制外表面，安装单片氩气中空玻璃（6 + 14 + 4 mm；Ug = 1.1 W/m²K）。得到的传热系数在Uw = 1.3 W/m²K 和 Uw = 1.49 W/m²K之间。
楼顶从内到外有：三层石膏板、防潮层、木质纤维板（10cm）、石棉（10cm）、瓦下透气鞘、透气间隙（4cm）、衫木板条层（2cm）和铜制覆盖层。外壳绝热性能好，还有明显的降噪效果，噪声在43dB(A)以下。
 
图5：由光伏场生产的多余电能用来分解水分子，产生氢，储存起来，可以被利用再来生产电能。
能量：生产和存储
通过楼顶上约150m²的光伏设备，年产电约25000kWh，足够满足包括空调设备在内的大楼内部全部电力需求。该设备完美地安装在朝南的斜面上（倾斜20°），有最高的能量鼓励税率。在光伏板工作的顶峰阶段，生产出来的超出需求的过多电能供应到一个 Enel 的电解池里，分离水分子，得到氢，然后储存到一个系统中，这个系统以燃料电池的形式使用金属氢化物，在产电不足的时候重新供应电。目前正在评测其它电能存储系统。
树叶房还从阳光中得到必要的热能，以代替或者协同热泵一起来进行卫生热水的生产以及在冬季加热流体。板型太阳能集热器（总面积19m²）相对于第三层的窗户凸出来，在夏天可以遮挡阳光。有两个水箱：一个1000L，用以加热，另一个300L，在第一个的下游，用以加热卫生热水。为了随时都有热水可用，还要避免浪费，这套设备采用了一个循环系统，它每5分钟运行一次，每次运行30秒：水温永远都是保持在理想水温左右，沿管道的热量散失被降低到了最小。
在每套房里面都有许多传感器，测量温度、湿度等等：测量二氧化碳的传感器开动人工通风设备，以得到人体舒适和环境卫生所需要的空气流通（最低0.5体积/小时）。当窗户打开时，建筑管理系统切断空气供应，以避免能源的浪费。通过空气处理单元（排量1500m³/h）中的一个热函回收器，从排出的空气中回收大量的热量，转化到引入的空气中。在空气排出管中，还有一个防耗散层，用以冷却要被注入到地热管中的流体。自然光通过太阳能管被送到在一层楼和二层楼上的无窗卫生间，其组成部分有：带光学内反射折射装置的收集器（吸收和反射低于照进自然光的8%）；内反射表面管，它可以长距离铺设，并且可以弯曲（光线每次接触反射壁损失0.5%的光照强度）；室内散光器（吸收和散失最多达到20%）。

图6：节省能源的方案有利于大楼里的所有设备和现有应用，包括人工照明设备。
舒适在线
由一个地热泵给各房间供热、供冷（有效加热功率16.6kW；制冷功率13kW；吸收电力功率3.6kW），这个地热泵通过三条约100米深的地热管道和地层（15℃）产生热交换。热泵的高效率来自两个因素：地层富含水的特点有利于热交换；采用一个制冷制热混合系统，这个系统采用辐射地板，冬季温度低（低于40℃），夏季温度高（超过17℃）。
在冬天，太阳能板能免费地贡献热水，夏季的大部分时间里，地板通过免费取冷进行降温，因此，不需要热泵的热力参与，在蛇形管和地热管之间直接热交换就可以了。在夏天，和空气处理单元一起设置有一些干燥器，它们可以消除地板上的水汽凝结，同时有利于皮肤的自然呼吸，在潮湿的天气中减少闷热感。除了减少消耗外，这个系统还有一系列的好处：由大面积的温度接近于气温所带来的广泛的舒适感；没有散热器的妨碍，空间更加宽敞，可以更自由地安排房间陈设；减少灰尘传播，减少结构的潮湿。在第二层的住房和丘陵之间的一个房间里设置技术中心，其中有所有的能源生产及管理系统，还有最先进的家庭自动化系统、控制系统、测量系统和自动化系统，这些都由罗巧尼集团研制生产。由树叶房得到的数据由 IEA（国际能源机构）进行研究，从而在国际的层面上确定碳中性建筑的参数，以及制造新仪器（任务40-子任务 A 和 B）。
在树叶房中共有1000多个传感器和控制器，分布于各个系统，包括警报系统、防暴系统和远程住宅系统。该大楼通讯连接树叶社区的其他部分以及全世界，采用了由罗巧尼集团研发落实的创新技术，其中有无线宽带连接（第一个无线宽带连接点安装在马尔凯大区，其波段由相关部门授权），它可以管理各种高级功能，如移动、安全和视频监控。每一套房都有内部 WI-FI 覆盖所提供的个人网络和电话网络会议功能的集中控制，使居民们（都是该集团的职员）可以高效地开展远程办公。
 
图7：太阳能管把自然光导入底层房间的无窗卫生间。
家用的可持续性
在较高楼层的几套房，其中之一是一个 LOFT，带复折屋顶，用来展示和试验生态产品，以及教导消费者可持续性，对应于生态可持续的主题，采用一系列能源效率高的家用电器。尤其是，洗衣机和洗碟机的热水入口直接来自卫生热水设备，这样可以避免设备内部阻力产生的能源消耗。其照明设备具有本领域最先进的技术：为了不增加内部热力负载，采用热辐射很低并且照明效率很高的光源（荧光灯和 LED 灯），以及把各种设备和建筑管理系统连接起来的电子元件。
这些系统设备的全部运行都由建筑管理系统（b.m.s.）监控和管理，b.m.s.集成在家用自动化系统里，在每户里都配备有触摸显示屏。除了选择低消耗的家用电器（比如，用液晶电视，用笔记本电脑，而不用普通台式 PC）以及自动系统来控制备用机之外，居民们还可以看到从电表测量的数据以图表的形式显示出来，从而增加自己行为的了解，修正用电习惯，以达到更好的效率。
不同风格陈设装饰的选择需要考虑到正常的安全要求、质量要求和功能要求，而且还要考虑到和其生长相关联的环境因素（使用大部分的木材来自经管理认证的森林，对已使用的化学物质的检测，回收和循环再利用的可能性）以及材料和相关零件的有益健康的特点。厨房空间采用了人体工学设计，用餐区、书房和卧室设计在自然采光最好的方位。

图8：通过一个容易操作的界面，建筑管理系统为居民们提供了监控自己能耗的宝贵信息。
第一年的管理
从2009年1月1日到2009年12月31日的可持续性的年平衡表最近被罗巧尼集团公布了，里面有类似的一幢新建成的楼（480m²的居住面积）。这个共用的小居民楼平均需要100 kWh/m²a 和30 kWh/m²a来进行制热和制冷，而对于树叶房来说，27 kWh/m²a 和 20 kWh/m²a就足够了。用于浇灌的雨水（441100L）以及卫生热水的循环利用（51100L）满足了树叶房总水量消耗（6715000L）的69%（492200L）。照明和使用的平均标准电力消耗估计在20000kWh，而整个树叶房消耗9658kWh。6638kWht 用于卫生热水，63%（4227kWht）由太阳能板提供。烹饪所使用的天然气全由屋顶光伏设备自动产生的能量生产。从环境的角度看，通过减少能量消耗以及光伏电力生产，减少对大气中二氧化碳排放量总共达34080kg，然而最吸引人的数据恐怕还是经济方面。
在意大利，像树叶房这样规模的普通居民楼每年平均管理成本总共有12254欧元。除了科研目的的大楼运行监控花费外，树叶房的总成本为4563欧元，其中363欧元用于供水（209300L），其余用于电力消耗（25000kWhe）。同期光伏场电力生产（24954kWhe）返还经济价值14967欧元。其差异对应于10404欧元正差额，同时还考虑了相对于相当的普通楼房多出的支出项目，总共得到22658欧元的盈余。在这些数据的基础上，树叶房的大部分建造成本——相对于参考普通楼房费用多出约20%——和管理经济性仅需8年就可达到收支平衡。
在很长时期中，总成本是减少的，直到第20年能量鼓励税率停止。继而，从法令中+26%的差额到所参考的大楼的不利条件，估计能耗年支出增长5%，虽然总成本转为增加（+4%在其后的10年中），但不管怎样走势都比普通大楼更低。

图9：罗巧尼集团的戴维·纳迪·切撒里尼说：“树叶房所采用的方案和技术，在市场上都能获得，并且很经济，谁都买得起。”
项目信息
客户：                    罗巧尼（Gruppo Loccioni）集团
技术监管：          教授、工程师 Federico Maria Butera，能源顾问 可持续性建筑设计 F. M. Butera
建筑设计：          建筑师 Pacifico Ramazzotti
热力系统设计：Luigi Trillini
供应商
电泵：                                             Grundfos
热泵和锅炉：                               Viessman
太阳能热力和光伏集热板：Schüco
光伏并网逆变器：                   Sma Italia
辐射地板和干燥器：                 Rehau
空气处理单元：                          Rocchegiani
排量调节器：                              Trox
保温：                                            Rofix
百叶窗匣：                                  Alpac
门窗：                                           Internorm
玻璃：                                           Saint Gobain
太阳能管：                                 Solarspot