公寓屋顶雨水收集系统

摘要：项目位于北京的一个中高密度社区，这是一个运用家庭水生态基础设施的理念，充分利用收集的雨水，将高能耗的住宅建筑向绿色建筑转化的实验性性项目，本文主要介绍的是项目屋顶雨水收集和再利用的方式。

这是一个运用家庭水生态基础设施的理念，充分利用收集的雨水，将高能耗的住宅建筑向绿色建筑转化的实验性性项目，具体做法如下：

1、改造阳台结构，收集雨水

由于北京较恶劣的气候时间很长，两个主要卧室外的阳台得不到高效使用。但阳台的优点是与室外环境的衔接，相比室内环境来说，没有对干湿、温度等更多的要求，这也是选择阳台进行此次实验的一个原因。改造前的阳台是一个未封闭的空间，每当下雨时，雨水洒落在阳台上，通过阳台上的落水管排到城市排水管网中，该项目的目标就是把每次的降雨留下来，储存在阳台上，再根据人们的需要加以利用。

首先是雨水收集，设计选择整个建筑的屋顶作为雨水收集面，根据屋顶原有的排水结构和原有的落水管结构，在落水口设置集水檐，使雨水流入连接雨水储存箱的管道。管道口设置了过滤网，防止管道的阻塞，管道下方连接雨水过滤装置，进一步净化雨水。该过滤装置设置在阳台靠近墙壁的一侧，可整体拆卸，方便定期维护。雨水经过处理后，直接进入雨水储存箱进行存放，储存箱设有通风换气的装置，防止水体变质。储存箱围绕阳台四周设置，以尽量减少占用空间，但也力求在有限的空间内，尽量多的收集雨水。储存箱与水池连通，水池水面到达一定高度，则通过溢流装置流入建筑落水管，防止雨量过多时，储水箱无法存放。

整个雨水收集设施与建筑排水相结合，将屋顶原本要排走的雨水，收集在阳台上，在无法收集更多时，选择将其排出，在雨洪管理系统中，这就是一个贮留池（retention basin）的概念，在城市暴雨过程中，对减少洪峰，具有非常明显的作用，而对于家庭来说，对收集的雨水进行利用，也不失为经济的选择。

2、雨水的利用方式：阳台菜园和花园

为了使阳台更加美观，改造设计是将它们转化为温室花园，一个是服务于厨房的生产性蔬菜园，另一个是为主卧室准备的可食用芬芳花园（如图所示）。这两个花园的平面布局和空间结构完全相同，由中间的水池和汀步构成的花园，允许人们到达每一个角落。水池采用整体的钢板结构，结合种植槽的形状，完整的嵌入整体的结构中，良好的避免了水池渗水的情况。另外，通过控制雨水储存箱的水阀，可以轻易增添水池的水量，并平衡储水箱和水池的水位。种植槽由钢板制成，放置在雨水储存箱的上方，呈台地式布置四周，这样为种植区节省了空间，也使得植物能够充分接受阳光。种植槽内以适合场地的尺寸灵活划分，槽内放置可拆卸的种植箱，又便于后期的清理维护。种植箱旁堆积轻质多孔的上水石，设计成小型跌水，水的来源即为收集的雨水，通过管道和小型水泵就可以实现良好的景观效果，在调节阳台湿度和温度的同时，还为苔藓类植物提供了生长的空间。跌水、水池和储水箱三者是一个连通的结构，跌水可增加水含氧量，保证了两个花园水中所养游鱼对水质的要求。游鱼和跌水不仅可供娱乐，更重要的是维护水质，避免收集的雨水中蚊蝇滋生。与卧室连接的木质平台漂浮于水面上，可以成为纳凉和晨练的场所，业主甚至可将它作为可以仰观星星的另一卧床。面向花园的卧室外墙面和温室顶部由木格栅构建，木格栅采用3cmx3cm木条以20cmx20cm间距排布，以便垂直绿化，使空间的尺度和质感更加宜人，并调节进入温室内的光线。

由于阳台上的设施要求，阳台无法进行防水工程的改造，设计者在水池、储水箱、种植箱等下方均设有2-3cm高的垫块，其彼此之间又均为相对独立的结构，仅有管道输送雨水，这样的设计完全满足了阳台的防水需求。在种植箱底部有渗水的小孔，其上铺设无纺布后，再放入土壤种植植物，保证了植物根部的呼吸。种植箱底部渗出的水均利用阳台原有的排水装置，通过2-3cm垫高的空间，进入落水管，而不会对水池、储水箱等结构造成影响。

尽管结构相同，但两个阳台花园选用植物材料完全不同。在蔬菜园中，通过对种植槽中不同蔬菜的色彩、高度、形态、习性的选取，制定了四季可以轮作的种植方案：花园春季可以采收香菜、油菜，夏季可以品尝番茄、黄瓜，秋季可以收获葫芦、葡萄，冬季可以乐享生菜、辣椒（如图所示）。在芳香园中，选用亚热带的芳香植物，例如栀子花、桂花、夜来香、茉莉、白兰、薄荷等。这些植物为卧室创造了一个芳香的休息环境，而且都是可食用的。

阳台花园的设计成为了室外环境与室内环境的缓冲区域。炎热的夏天，室外高温的空气经过花园温度降低，使得室内空气更加凉爽；严寒的冬季，室外寒冷干燥的空气经过花园的升温和加湿，使屋内更加保温和舒适。同时，花园成为了主人室内空间向室外的延伸，在高密度的城市中，独享属于自己的绿色空间，体会生产性景观的乐趣和艺术。

3、雨水的利用方式：生态墙

为了改善室内温湿，设计师将分隔这两个公寓单元的隔墙设计成为一个“生态墙”，该项设计获得发明专利，比传统的空调制冷加湿更加低碳环保，且具有装饰室内环境的作用。更重要的是，利用收集的雨水创造景观的生态墙，为家庭雨水利用增添了新的理念。

该上水石生态水景墙，由钢板构成主要框架，内侧与墙体通过连接固定，外侧挂接以大理石胶粘合的上水石墙，上水石墙外侧上端布置溢水槽，由循环水泵通过输水管将水送至溢水槽，向上水石喷洒淋水体，墙下端设置与钢板一体化的水池，水池外侧为木质挡水台，水池底部布置循环水泵、泄水管和进水管。该发明充分发挥了上水石优良的吸水性，幕墙所占空间小，与空气接触面大，能维持墙体潮湿，发挥其散发湿气、自然降温的作用。由于上水石材质较轻，对地面增加的负荷较轻，不需要对地板进行额外的加固处理。而且该生态墙是一个整体结构，不需要额外的防水处理，可利用上水石间空隙，以及在石体上凿孔，种植绿色植物，上水石上也易于形成青苔，很快就能形成生态型绿色水景。

整个墙面由块状的多孔上水石镶嵌而成，墙顶留溢水槽。利用上水石多孔渗水的特征，吸收和滞留墙顶流下的水体，同时上水石也能给予苔藓和草本植物以生长的环境，从而使整个墙体成为一个气候的调节器。在炎热的夏季，蕴含水分的墙体蒸发带来了阵阵清凉，替代室内空调的使用；在干燥的冬季，带来充沛的湿气；墙体上的苔藓和绿色，散发出来自大自然芬芳。而且此种上水墙不必保证持续的水流，墙体不需清洁，降低了维护成本。

生态墙上循环的雨水，携带着植物的种子，不断循环在箱体和储水池之间，一种植物生长在墙上的一个角落，不久就会遍布满墙。主人可通过调节上水墙上水的频率和水量，控制植物生长的速度和面积，还可根据个人喜好，将合适的种子洒落在水池中，或将植物放置在上水石的缝隙中。客厅作为家庭装修最重要的部分，往往也是家庭装修花费最多的区域，但装修后的空气质量却令人堪忧。而上水石生态水景墙的客厅设计，不仅经济环保，更是自然的空气净化器，是绿色家居生活的绝佳选择。

4、利用自然通风和阳光，乐享低碳生活

阳台的温室罩面用玻璃和遮阳格栅结合而构成，以便控制光线进入强度，形式室内和室外的温差。同时窗户可以手动开启，便于空气流通，使小气候得以方便进行地人工调控。利用风压和热压相结合的方式，巧妙的利用屋顶，引导自然风进入阳台和室内。设计还特意使用了方钢管，对整体结构进行加固，保证大风天气玻璃罩面的稳固。另外，屋顶安装太阳能光热板，收集的太阳辐射提供家庭厨房及洗浴需要的热水，将屋面的利用最大化。

雨水、风和太阳能这些自然的元素，免费构建了这一家庭水生态基础设施，将一个高能耗的住宅建筑，转化为绿色低碳的居家环境，并附赠家庭量身定做的微气候。

5、工程实施效果

生态效益

经过一年多的实验，改造的设想基本得到了实现，节能和改善环境的效益是明显的，收集的雨水对一个家庭来说还是相当可观的，两个阳台收集的雨水每年可达到52m3左右，具体数据如表所示。

表3.7-1北京褐石园单个阳台花园2009-2010年度雨水收集利用数据统计

阳台的生产性景观，创造了良好的经济效益，生产的蔬菜产量相当可观，主人可以每天享受一盘沙拉，以及一些豆类和水果等，具体的蔬菜产量如表所示：

表3.7-2北京褐石园单个阳台花园2009-2010年度蔬菜生产数据统计

通常250多平方米的复式洋房采用10匹的空调主机，室内配置10个末端，一个末端按30W计算。在一般情况下家里只有4-5个末端同时开启，10匹的全变频中央空调(按8小时计算)大概一天耗电30-40度左右。按夏季100天计算，每套住宅共节约电能3000-4000度。按此计算，两个公寓的总面积为500平米，由于阳台花园对户外环境的缓冲作用和生态墙的降温作用，整个夏季都不需要空调而维持较舒适的室内环境，仅此一项，两套公寓就节省6000-8000度电。

社会效益

该项目建成后吸引了大量的人员前来参观，起到了良好的教育启智作用。本案例过雨水收集、太阳能和生态墙的设计，用极低的投入，将一个本来耗能的建筑，改造为低碳的绿色建筑，有效地降低了能源的开销，同时提供了兼具生产功能的舒适居住环境。这栋公寓富有教育意义，它表明将生态设计作为一种系统策略，整合技术资源，用最少的投入、最简单的方式将一个普通住宅向绿色建筑进行转化的可行性。同时，这一建筑环境的使用亦是可持续的，通过阳台花园和生态墙的使用和体验，教育城市公民，倡导低碳的生活方式。

后期经验和建议

阳台通风问题：由于施工时难以实现，玻璃罩面的顶部未设置可开启的窗户，后期使用也发现阳台的通风效果并不理想，冬天相对舒适，而夏天相对较热。而对于南北通透的住宅来说，这一影响将会减轻，与阳台相连接的房间对空调的使用也会大大降低。若对玻璃罩面进行改造，可在罩面外侧的顶部增加电动的遮阳蓬，其上利用30cm高的钢结构撑起另一附加的玻璃罩面，形成保温隔热的空气层，主人可自行控制遮阳蓬改善室内温度，对目前夏天较热的状况会有很大改善。

储水箱容量问题：由于受阳台面积以及承重能力的影响，雨水储存箱的设计容量较低，并不能完全满足全年阳台和生态墙的用水量，加之北京的降雨全年分布不均，需要更大容量的储水箱才能持续供水。而对于南方全年降雨比较充沛的地区来说，对雨水储存箱的容量要求则会降低许多，该实验在南方地区的适宜性远远高于北方。

阳台水循环问题：实验之初设计的储水箱，仅有水阀可直接取用雨水，储水箱和水池并未与种植槽连接，仍需要手动浇灌植物，水池的水体更换也必须将水排入落水管。更新的设计则可将水池的水通过管道，采取滴管的技术，对种植槽中的植物进行浇灌，进一步循环利用水资源。对家庭而言，自行用水池中的水浇灌植物也是可取的。

生态墙上水问题：后期的实验发现，生态墙上植物的分布与水体经过的路径密切相关，呈现植物生长于落水路径一致的现象，上水管道的设置是生态墙景观效果的关键。该实验项目中，一侧生态墙由于落水管落水的效果不理想，导致生态墙植物生长较少，而在更换了更合适的落水管后，生态墙的植物生长增多。

投资和维护问题：该实验的两个生态墙共投资45000元，维护方便简单，在雨水利用方面取得了良好的效果。阳台花园的投资则较多，总计约为20万元，对普通家庭来说是一笔不小的费用。后期维护虽不多，但花园仍是需要人用心管理的。故结合以上建议中自动化的管理则更适合现代人的生活方式，相信在以后的阳台花园设计中，类似的问题将会逐一解决。

未来的家庭水生态基础设施，需要更加科学化的管理。若希望雨水持续供应，则需要根据当地的降雨量、雨水收集面积、水日需求量等数据，精确计算雨水储存箱的容量。或许这对于单一家庭来说，建立一套家庭水生态基础设施较为困难，而未来的社区可几户人家共享一套设施，则会更加经济高效，且对于促进社区邻里关系有着积极的作用。