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我第一次参观这座房子的场地时,它坐落在霍米尼山谷中一个树木繁茂的小山丘上的一片空地上,我能想象到多年前矗立在空地中心的古老农舍。我的客户已经拥有这处房产11年了,很容易理解他们为什么想在这里建房。这里不仅有一片宽阔的平地,可以建房子和花园,而且从各个方向都可以看到极好的景色,包括南面毗斯迦山的壮丽景色。由于极好的南向曝光,这个位置是被动和主动太阳能设计的理想选择。
能源效率是一个优先考虑的问题,但客户也希望将一些吠陀设计原则纳入项目。这些原则据说是为了促进和谐、健康和繁荣,主要影响了房间之间和场地之间的关系。房子被设计成从东边靠近,让光线从东到西,从北到南,并在它的中心包括天窗,让光线从中心进入。
设计零能耗并不是我们最初讨论的内容。我知道首先要做好的是被动式太阳能的设计。然后我们添加了其他节能和收获技术,因为它们在项目和预算中是有意义的。事实上,现在的房子产生的能源比消耗的要多,这是在整个设计和建造过程中做出的许多明智决策的间接结果。
被动式太阳能可以减少50%的能源消耗
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被动式太阳能房收集太阳热量的美妙之处在于它的简单性。除了太阳、地球和云,被动加热和冷却不需要任何运动部件。被动式太阳能设计元素包括朝南的窗户,在冬天让阳光进来;内部的热质量,用来储存太阳能;适当的屋顶和棚架可以在夏天遮挡阳光。
这栋房子有一面长长的中央墙,两侧是两个相对的棚子屋顶。较长的东西轴线为朝南的窗户提供了充足的机会。在三个地方,弹出式屋顶可以上升到南部的天空。这些屋顶允许自然光渗透到房子里,使它感觉更大,使内部空间朝向自然世界,模糊了室内和室外之间的界限,并为太阳能热量的获得提供了一个巨大的缝隙。
为了适当地为弹出式屋顶下的窗户遮阳,随着窗户高度的增加,悬挑的尺寸也会增加,为屋顶增添了戏剧性的效果。确定遮阳设备的正确大小是通过按比例绘制剖面图来完成的。在计算机上模拟窗户和悬垂物可以提供关于一年中任何一天进入房屋的阳光数量的完整视觉信息。除了所有朝南的窗户上的屋顶外,两个带顶棚的门廊在夏天保持房子的凉爽,因为它可以阻挡从厨房朝东的窗户射进来的早晨的太阳,以及从主卧室朝西的窗户射进来的下午的太阳。
在冬天,如果房子里没有适当的热质量,加热仍然很困难。木炉和拱门周围的瓷砖覆盖的混凝土板和石雕吸收了白天多余的热量,然后在晚上慢慢释放出来。这种热质量也在夏季提供了重要的被动冷却。平板建筑还有其他好处。保持居住空间接近地面,意味着室内外之间没有台阶或经过压力处理的甲板;此外,不需要爬行空间或地下室,这两个空间在室内空气质量方面存在问题。混凝土板也是辐射式地板采暖的理想选择。
节能的细节
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气密的外壳适合温和的气候
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从能源和耐久性的角度来看,在增加墙壁的r值之前,有时考虑减少建筑物的空气渗透可能更重要。在我们相对温和但潮湿的气候中尤其如此。考虑到这一点,我的公司选择了2×4而不是2×6的墙框,并把省下的钱用于外墙和天花板的泡沫隔热喷涂。为了测试信封的密封性,我们在安装干墙板之前进行了吹风机门测试,用烟棒彻底检查是否有泄漏。为了确保紧凑房屋的优良室内空气质量,我们使用了低voc的室内饰面,并安装了Venmar能量回收通风机(ERV),为生活空间提供新鲜空气,并从排风中回收大部分热量。
我们选择了防风窗的细长窗框轮廓。低辐射的涂层可以很好地提高窗户的隔热值,也可以阻挡部分太阳热量。对于被动式太阳能住宅朝南的窗户,通常是在白天收集更多的热量和晚上损失更多的热量之间进行权衡,或者白天收集的热量更少,晚上损失的热量更少。考虑到这个项目的特殊配置和过去项目的经验,我们选择了后者,整个项目都采用了充满氩气的绝缘低辐射玻璃。
混凝土地板计划采用辐射供暖,我们用2英寸的隔热板边缘。-厚闭孔刚性绝缘。
来自地球和太阳的热水
随着设计的发展,客户开始考虑使用地源地热热泵来配合地板辐射输送系统。考虑到辐射采暖的输入温度较低,两者结合起来是有效的。由于地热热泵可以输出热或冷,因此可以在管道系统中放置盘管来处理空调和除湿需求——如果需要,还可以放置热。这个5吨重的地热热泵的大小是为了满足辐射地板的热水需求。
客房的空调系统有点让人困惑。出于美观的考虑,我们不想让管道系统从机械室穿过房子中心的开放空间。由于模具的考虑,我们也不热衷于在混凝土板下运行管道系统。相反,我们在客房的外墙上安装了一个9000 btu的迷你裂缝。
对于生活热水,我们在独立车库朝南的屋顶上安装了三个4×8主动热水太阳能电池板。我们在车库和房子之间挖了绝缘的供电和回线然后连接到120加仑的。电热水器。这个系统有点大,额外的热量用于补充空间供暖。使用连接到这个储存罐的底板散热器,我们创建了两个独特的加热区域,一个在办公室,另一个在主浴室。在阳光明媚的冬天,当辐射地板关闭时,这两个加热循环为远离被动式太阳能收集区的房间提供温度提升。
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一个关于净零的复杂方程
搬进来一年半后,客户认为是时候安装光伏发电系统了。我在设计独立车库时就考虑到了这一点。它位于房子的北侧,使面板从房子前面看不到,并且与空地南侧的冬季树木阴影保持安全距离。在施工过程中,我们把水管从车库连接到房子的主电器面板。因为车库还没有绝缘和干墙,所以很容易找到逆变器、子面板和额外的电线。
我们是零能量吗?我们开始意识到我们可能会成功,但我们不得不等一年,看看这一切是如何运作的。
在2010年夏天的大约六周时间里,客户们在晚上打开窗户呼吸山上的凉爽空气,第二天上午10点左右关闭窗户,下午早些时候开始开空调,持续五到六个小时。夏季其余的冷却是由热质量被动处理的。主动太阳能热水系统生产85%的生活热水,其余由电力加热。
2010年,6.45千瓦的光伏系统发电量为9095千瓦时。该系统与当地电网相连,因此不需要电池来储存电力。对于发电的公用事业客户来说,北卡罗来纳州是一个“全买全卖”的州。客户不会直接使用他们生产的电力;而是全部卖给公用事业公司,然后再从公用事业公司买回他们消耗的能源。因为产生的一千瓦时的价格与消耗的一千瓦时的价格往往不同,所以安装了两台电表。(这与净计量不同,净计量只使用一个表,可以向前和向后运行)。截至2010年底,已经消耗了6218千瓦时,全年的过剩产量为2877千瓦时。
这是接近但不是全部的故事。客户们在冬天会烧两捆左右的柴火,大部分是从房子里倒下的树木上收获的杨树,他们每年用15加仑的丙烷做饭。使用适当的转换因子和各种系统的效率假设,然后从2877kwh的超额生产中减去这一点,结果是在现场考虑零能量的有利方面。(这个计算没有考虑到当地公用事业公司在发电和输电过程中产生的能源损失。)
在气温较低或日照低于平均水平的年份,房屋消耗的能量比产生的能量略多一些。在气温较暖或日照较多的年份,房屋产生的能量会比消耗的多一点。不管怎样,住在一个与自然环境相适应的房子里感觉很好。
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克里斯·拉尔森(Chris Larson)是北卡罗来纳州阿什维尔的一名建筑师。他的网站是www.chrislarsonarchitect.com。照片由Rob Yagid拍摄,除非特别注明。绘画:Martha Garstang Hill。
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