現代家用生態暖房
陽光，雨水是上天給地球的最好的禮物。我們生活在地球上，怎樣在緊張、繁忙的工作後，充分的利用現代人智慧的科技理念，合理利用太陽能和天然雨水，花費最少的人力，建立起家用自動循環生態係統，為家庭自動生產健康的蔬菜、花卉、水生魚類（即可觀賞也可食用），一直是我們追求的目標。
在經過一番調查和研究之後，於去年這個時候2018年的七月四日，美國獨立日那天，全家著手動工組建了包括暖房在內的第一個後院生態係統。在ZONE 5這樣的地區，經過了四季實踐考驗後，不僅可以讓魚過冬，早春也先育好了苗，真正春天的時候，蔬菜可以成功移裁出院子，當然還有美麗的吊盆掛滿的房子的周圍，基本實現了生態循環係統的雛形。現在把所有的實際經驗做個總結和分享。希望有共同理想和愛好的朋友們能共同探討，一起改進更好的方法，讓生活中的樂事多起來，讓人們可以利用有限的都市空間裏享受大自然環境中的生活。
已有的整個係統雛形主要有以下幾個功能模塊組成：
一、暖房設計模塊。適宜過冬，采用雙層保暖透明有機玻璃，北側用全保濕牆，提供了四季植物生長的環境。
二、400加侖的魚缸和配套的硝化模塊。用自然方法降低水體酸性，消除廢料形成營養物質，魚缸另一功效是保持暖房溫差變化小，冬季不會結冰，夏季不會太熱。
三、天然雨雪水收集模塊。保證係統的水源供給，環保利用自然水資源。
四、200KW太陽能板能源供給模塊。做為整個係統能源自供給，常年支持係統四個水泵、一個加氧泵和換氣用的兩個電風扇的動力。
五、自動澆灌模塊。天然雨雪經過魚缸、硝化係統過濾等再通過水泵澆灌到暖房植物上，實現無人澆灌。
六、電器設備WIFI智能模塊。實現遠程搖控暖房各項操作功能，同時也可自動或手動模式轉換。
以下是針對這六個模塊的實現過程加以細述：
一、暖房模塊的設計
紐約周邊地區，屬於USDA Zone5區域，冬季夜間最低溫度可能會達到華氏零度左右，，一、二月份平均最低氣溫在華氏15－25度。而夏季中午最高溫度可在95度以上，七、八月份平均氣溫85F左右。
我在建立係統前，曾考慮過市場上可購買的雙層（三層）有機玻璃暖房，但是由於這類小型商業化暖房的透光性和保溫效率都不能達到我們的要求，所以還是決定自建了一個12英尺x10英尺的超級保溫暖房，設計主要有以下幾個特點：
1）北牆北頂整體、東牆和西牆後1／3均采用6英寸保暖層的實體牆身。東側牆、西側牆和南牆地麵往上二尺，即整個底部也采用6英寸保暖層的實體牆體。這樣既保證了冬季陽光的充分照射，也抵禦了冬季最常見的東北和西北寒風的侵襲，讓整個暖房冬季夜間熱能散失率最小。
2）南頂，南牆上部和東西兩側牆上麵部分，均采用UV保護的雙層1／8英寸有機玻璃板，100%的透光率，確保嚴冬最大陽光利用率。兩層有機玻璃板間隔3.5英寸，保留了足夠的空氣也隔層。頂部采用雙層2英尺X2全采光有機玻璃板，確保陽光入室。
3）考慮到紐約地區的冬季降雪厚度，房頂采用45度高頂設計，一方麵加快了融雪的下滑減輕屋頂壓力（兩次2英尺降雪快速清頂），另一方麵升高的內部空間增加了采光麵積和冬季熱空氣存儲空間，也是保溫的必要措施。當然還有美觀的效果。
4）紐約地區的夏季月平均最高氣溫高達華氏89F，很容易在溫室內形成115F－125F的高溫，對魚類和植物生長都是不可接受的，我們采用2台40W的車用散熱風扇，溫控器隨溫度變化自動切換運轉風扇。3000CFM對流能夏季暖房有望解決過熱隱患。另一方麵在設計時，東牆吸氣扇位於牆的底部，在午後天氣最炎熱時候，可以采集到避光部分的較冷空氣，而西牆的排氣扇則位於頂部，排出聚集在屋頂部分的室內最熱空氣，以實現室內空氣最有效的散熱對流。由於最熱時候也是太陽能最充足的時候，所以太陽能板完全能夠支持風扇連續運轉的電量消耗。
二、魚缸和配套的硝化模塊
魚缸和配套的水泵係統是整個暖房的心髒。北牆內室啟建了一個400加侖的魚缸，缸體采用了4英寸厚的保溫板夾層，內部選用了池塘用PVC防水層，400加侖的水體作用有：
- 冬季保溫，水體在白天吸收大量的光熱，在夜間氣溫降低到華氏32度以下時緩緩的釋放。水體保證了在外部氣溫很低時依然能不結冰。今年冬天多次出現了華氏0度左右的極端寒冷天，暖房裏的水溫始終保持在32F以上。這樣保證了整個暖房溫度不會降低太多，極端寒冷天氣基本能夠形成室內、室外20－25F的溫差。
- 夏季有效降溫，加熱水體需要夠吸收很多的熱量，由於水體足夠大，在華氏100度時水體依然能夠保持在華氏80－85度左右，適合魚類的生活。
3）以每天20加侖的自動澆灌需求來算，400加侖的容量保證一星期左右的無雨空間，魚類基本不受影響。
硝化係統則是整個係統的腎髒了，由兩個有落差相連32加侖的容器，裏麵裝滿了過濾海綿和生化球組成，多網格多表麵的生存環境是硝化菌理想的繁殖環境。當水泵把魚類的排泄物在過濾掉固體物質後，送入第一個32加侖的容器底部後，慢慢向上溢出的水流給硝化菌帶來了需要的食物，氨和亞硝酸鹽，這兩種物質是對魚類成長有害的；在進入第二個32加侖的容器底部後這種過程持續循環，越來越多的氨和亞硝酸鹽最終轉換成沒有酸性的硝酸鹽，最終降低水體酸性和毒性，而硝酸鹽是對魚類無害、植物需要的養分。
在魚類養殖方麵我們也進行一些有趣的嚐試，能安全過冬並適合缸養的觀賞魚類主要還是普通金魚和錦鯉，但需要一定大的尺寸過冬，6英寸以上對水溫變化的容忍度較高，適合在32F到40F環境裏生存。最關鍵的一點是適合這兩類魚生存的PH值一定要7.2左右，需要定期檢測魚缸的酸堿度。
由於魚缸采用了向陽設計，平時需要在魚缸上部安裝遮陽卷簾，避免過多的陽光直射造成魚缸內綠色藻類過多影響水質，一旦出現水質變差，需要立刻實施多次半缸換水，保證魚類活躍健康。
三、雨雪水收集模塊
雨雪收集模塊提供了整個係統的用水，紐約地區屬於海洋性氣候，降雨降雪都相當充沛，全年極少出現兩周沒有雨雪的情況，暖房整個向南屋頂約96平方英尺的收集麵積，保證了水源供給，天然環保，所有的雨水和融化的雪水會沿著導槽經過過濾網匯入一個40加侖的積水池。積水池本身也有一個室溫化的過程，防止水溫過冷或過熱，直接注入魚類和硝化係統，造成魚類生長的不適。當魚類和硝化係統需要增加水量時，我們用Wifi控製積水池的水位，同時打開水泵電子開關，直接將收集到的水經再次過濾泵入硝化係統的第一級，匯入魚缸內，參與魚類養殖。
- 能源供給模塊
係統電力由兩塊100千瓦的太陽能板供給，在夏季強光下每天能夠產生3度左右的12伏電能。兩個100Ah的深度循環酸堿電池，能夠有效提供1度半到兩度的無日光用電，基本滿足供應風扇及水泵用電。
目前係統中使用電能的設備有以下幾個，以後可以再增加其它功能。
1）兩隻40W的換氣電扇，由於平時設定為室內溫度超過100F開始運轉，其基本隻有在夏季陽光暴曬的情況下才會運轉，而這時的太陽能產量也是最高的，並且所耗用電量在早晚稍微涼快是得到補充。
2）12V5W的魚缸循環水泵每小時30加侖和8W的增氧氣泵設定為每半小時運轉半小時，每天12工作時間，這是係統最大的常用耗電。
3）備有設備12V到110V的轉換器提供了110V的工作環境，連接了一個30W每小時160加侖的水泵，作為緊急排水換水用，平時處於關閉狀態。
4）12V5W的植物澆灌水泵每小時30加侖，設定為每天15－30分鍾運轉，視季節調整。
5）12V5W的雨水補充水泵每小時30加侖，隻有當魚缸和硝化係統需要補充水量時才會人工啟動，每次一小時左右。
- 自動澆灌模塊
自動澆灌模塊是利用放置在硝化模塊第二級的一個12V5W的直流水泵，把灌溉需要的水量泵到放置在屋頂10英尺處的一個18加侖容器內，利用萬有引力把灌溉水通過1／2英寸的主流管送到各級分節點，經3／8和1／2英寸的分流管，T型頭和滴灌頭，把植物需要的水分輸送到相應環節。根據不同的季節和植物多寡，調節水泵抽水時間，一般夏暖房植物較少，單盆槽需水量大，而其他三季植物較多，單盆槽需水量小，每次灌溉大致需要用水15加侖左右。
目前隻是嚐試性的種了一些品種的蔬菜，過冬的主要是韭菜，蔥，青蒜，青菜和生菜等，生菜一般三十天可以直接采摘食用，口感極好。適合11月到來年3月開種。3月初可以開始各類花草蔬菜的育苗，春夏之時，不想留在暖房的可以移種出院，大大加速了蔬菜生長的周期。各類觀賞性吊盆則更是美態動人，姍姍出房了，特別適合大紐約地區的地理環境。當然觀賞與實用都有的一些樹種以是可以入住暖房的，我們自己試種了無花果，效果很不錯。夏季暖房內隻嚐試加種植了一些耐高溫的蔬菜品種，如莧菜等。
- 智能控製模塊
充分利用現代智能和自動化AI理念，減少人力投入，實現家庭智能化生養，是我們設計這個係統的宗旨。我們希望這個係統能夠最大化的減少人力的介入，利用家庭WIFI係統遠程觀測、管理多項常規操作，包括魚缸喂食、水體水位測量、補養、硝化循環、自動灌溉、雨水收集等控製等等，減少勞力支出的前提下，讓使用者充分享受係統帶來的養植樂趣，吃上自己的蔬菜果實，是我們目標，我們會繼續沿著這個方向不斷改進，提高。
目前常見的Samrt Home的開關都可以控製本係統的電器設備，我們選用了性能價格比較好的Sonoff公司wifi switch，一年下來使用效果很穩定安全。
目前發現的潛在問題以及改進設想。
1）魚缸的觀賞性問題，目前采用的實體魚缸，側麵不透明，隻能從上部觀賞魚類活動；
2）整體設計的緊湊性有待提高，集成各個部件設計能夠減少空間占用，降低材料需求和能源消耗，方便實用。
- 電池的品種升級，隨著電池技術的發展，鋰電池具有更快的充電時間和更高的利用效率，與目前使用的深度循環酸堿電池相比，持久性穩定性方麵有很大的優勢，隨著18650和更新品種的鋰電池普及，成本問題將會迎刃而解。
- 魚類品種的選擇，特別是可食用的魚類品種，將是我們下一個實踐的選項。
- 蔬菜品種的選擇上還需要多加實踐，增加更多的品種。
- 觀賞性植物的選擇品種也是值得進一步嚐試。
5）更多更新的WIFI控製功能的介入，優化整個係統的“聰明”度會越來越高，能夠更有效的實現自家生態養殖自動化，解放枯燥的重複勞動，豐富家庭餐桌和觀賞動植物生長的樂趣，提高我們生活質量的最終目標。
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