LanternD +

一种低熵增的家居模式构想

 

前言与目标

 这个是平时无聊时候的一个构想,并一直在不断完善。但是我一直致力于让它变得真实可信并具有可行性,那就是——一个低熵增的家居模式是什么样的?

 首先说一下我们平时听到的「熵增原理」,或者热力学第二定律的变体:孤立热力学系统的熵不减少,总是增大或者不变。一个孤立系统不可能朝低熵的状态发展即不会变得有序。

 这里有个比较重要的概念,那就是「系统」的划分。如果我们在空间中画出一个空气泡似的球状薄膜,把一栋房子包住,那这个薄膜内的系统是绝对不可能实现熵减小的。我们的目标不是让熵减小,而是尽量减少熵的增加,让这个房子的熵增比别的房子要低得多。用最直观的标准去衡量的话就是:如何把生活成本降到最低,把能量利用最大化。

 折腾这个是为了啥?一个是想象自给自足的可能性,另一个是为了哪天末日危机出现的时候还能有点办法独善其身。反正只是想象罢了。

 为了方便讨论,我们需要一些假设或者前提条件:

 这里不讲严肃的科普,重点是探讨如何节能减排。如果有常识性错误欢迎指出。

不是生物圈二号

 人类在上个世纪做过一项有趣的实验,建造一个封闭的环境,在里面模拟整个生物圈,Biosphere 2生物圈二号

img

(图片来源:维基百科)

 生物圈二号唯一的能量输入就是阳光,人类在里面生存,尝试不依赖任何外部的东西。他们实现了各种地貌和植被,甚至还有带浪的小湖。但之后由于各种原因,这个实验并没有成功。我的目标不是构想一个这样的封闭可自主运行的环境,而是降低生活成本,尽量减少熵的增加。因此不会种些不同的植物去平衡生态圈之类的。

第一部分:能量.io

 我们生活在一个家庭之中,有无数种方式让熵增加。开灯照明,烧水做饭,吸尘器工作,空调制冷等等。日复一日年复一年,但房子似乎并没有什么变化,电视机沙发还放在那里,床放在卧室,浴室还是一样的喷头,地板上也没有积累更多的灰尘,窗依旧明亮干净……看起来一切都没有变得更混乱,那是因为我们向这个系统中持续地输入了能量或做了功。最重要的输入就是电力了。有了电我们的家居生活几乎不需要任何化石燃料。

 发电毫无疑问会不可避免增加碳排放,所以为了摆脱对市电的依赖了。我们第一件要做的事情就是自主发电。在房子上和房子外一些不使用的地上铺设太阳能发电板。以我现在住的公寓为例,上个月的电费单是这样的:

img

 才用了311度电,好像还挺省的。红圈里面的「KW Max」就是日常用电的峰值功率了,4kW。可能就是几个锅同时做饭做菜的时候吧。其他时候没啥耗电的东西。

 为了能够自给自足,我觉得太阳能电池板的发电功率应该至少要40-60 kW。首先太阳不是什么时候都有,第二,后面会提到不少需要耗电的设备,也得给它们预留位置。

 白天一般人在外面,所以没什么耗电的东西,晚上反而有照明和其他电器的使用需求,但是那时候又没太阳,怎么办呢?这时候还是得需要电池组做缓存了。乐观估计需要300 kWH的容量。没错,这是我目前一个月的用电量。太阳能电池板+50kWH左右的供电系统虽然能提供日常的用电需求,但是我们还需要应对其他复杂的情况,比如半个月都是阴天之类的。

 300 kWH的电池组有多大?Tesla的车电池容量在80-100kWH之间,占一小张床的面积,但是不厚。所以300 kWH大概占一个普通书桌的面积,大约1米高。可能放在家里有些危险,可以单独建一个小房子装这个东西和其他变电设施。供电就靠逆变器实现了,争取效率达到80-90%。

 说实话这整套东西弄下来估计得10-15万美元。不过咱就是YY,可以不考虑钱的问题。把这些参数调一下,要求不这么苛刻的话,价格也能下降很多。

 如果电池空了,太阳也没出来的话,这时候就要靠市电了。鉴于电池满电的时候太阳能发电系统能卖电给电网,必要时候拿点电也不过分。

 太阳能对太阳的功率还是有所要求。所以家庭选址靠近赤道,阳光充足的话会比较好,冬天取暖用电也能少一点。

 一个选项是使用风力发电系统。这个的成本可就不低了(占地面积也大,那可是钱呢)。可以使用小型风机(10kW这样的大概3万RMB)但是最好离居所远一点,因为确实不太好看。需要说明的是,太阳能是必选项,风力发电只能作为辅助。

 这种独立供电系统初期成本很高,长期也难回本,但是就是看着很爽,很硬核。什么?你说制造太阳能电池板有污染和碳排放?我已经闭上眼堵住耳朵了,不知道那是啥。

第二部分:自带生产力——农产品

 我们除了玩电脑看电视睡觉,还得吃饭。通常我们从超市买入生鲜果蔬放在家里,这也是一种外界对家这个系统的输入。为了减少这一部分输入,我们不妨自己生产。我认为这个自己生产的过程对于一个低熵增的家居必不可少。

 原来我觉得这些太遥远,直到我看到知乎上的一个帖子《有哪些「长期被忽视,但也很精彩」的世界第二?》。里面提到了荷兰发达的农业科技。看到种一磅番茄只需要1.1加仑(大约4升)水的时候,我还是挺震惊的。

 首先我们应当有个相对固定的菜谱,有些东西是必须种的,比如土豆、青椒、黄瓜、西红柿、生菜等。此外有一些香料和少用量(葱姜蒜等)的东西可以作为辅助,小规模种植。为了实现这个,可能需要单独盖一个多层的温室。东西应该循环产出,即同时培养不同阶段的植物。不管什么时候都有可采摘的成熟果实。立体栽培,高精度灌溉,LED补光等等技能树都应该点齐。

 这套东西多少钱我也不知道,估摸着可能得20万美元。占地面积争取小于14×14 m(可以多建几层)。可以预期的是,这个生产模型会需要大量的电能,这也就是为什么上面太阳能发电要很高的功率了。立体栽培或者多层建筑的话,阳光只能照顾到顶上的部分,其他的植物多半是需要用灯补光的。这几个系统部件之间如何达到完美的平衡还需要「调参」。

 另外,如果气味散发可以控制得好的话倒是可以加个养鸡的模块,只用来生产鸡蛋,不用来吃肉。众所周知,生物链中只有10%-20%的能量能流入下一级。因此生产肉类是一件极其耗能的事情,因此还是交给系统外的生产者负责吧(……去超市买)。不过尽管没有肉,上面的生产环境可以提供淀粉、维生素和少量蛋白质了,应该运转起来以后人饿不死。

 五谷杂粮(大米小麦玉米等)这个可不好说,貌似没听过太多温室种植的案例。这个东西产出应该效率会比较低。希望未来转基因技术能提供更多解决方案。

 尽管设想中阳光是唯一的能量来源,但是有些东西也是必不可少的,比如化肥或者种子。只能说这个模式可以把去菜市买的东西最小化,达到节能减排的目的。如果不考虑阳光这个输入的话,这个系统的熵增应该足够低了。最后,这个环节预计会产生不少热量,任何多余的热量都可以用于屋子内的取暖,把能量利用最大化。

第三部分:自带生产力——轻工业

 这个其实没啥好说的,只有3D打印机这个选项了。生产的东西也会很有限,只有一些常见的塑料或者金属部件可以实现。这个部分主要是作为补充,在应急的时候使用。毕竟大量轻工业产品是不可能在自己家造出来的。此外3D打印还需要设计,因此这是一件比较费时费力的事情。

第四部分:水循环、废物循环

 水循环也是个有意思的部分。不过我对这部分内容所知甚少,只能大概讨论。如果不依赖市政供水系统的话,又不能打井取地下水的话,雨水几乎只能从天上来了。据我所知,有的地方私自收集雨水是违法行为,因为这个是「公有生产资料」,不能「私有化」。排除掉这个因素,雨水收集也有不少挑战。如果一个地方下雨多,那太阳能发电就压力颇大;如果下雨少,那就没水可用了;下雨多太阳又大,那估计会湿热得受不了;如果雨量季节变化大,那雨水收集和处理设施就会有长时间闲置;高纬度内陆又少雨太阳又少?赶紧搬家吧。

 具体分析的话,亚热带季风气候年降水量800-1500mm,如果能收集雨水的面积有100平米的话,大概就能有100方的水了。水的循环率够高的话应该是够用的;如果是地中海气候300-1000mm,可能勉强够用;温带季风气候冬天比较难受;温带海洋气候应该可行(毕竟荷兰就是这个)。

 雨水收集系统需要单独铺设,按日常经验来看估计都会比较难看,因此可以和其他的设施整合到一起,比如太阳能电池板,屋顶等等。集中到一个蓄水池以后经过过滤、净化消毒、软化,再抽到一个高处的蓄水池作为备用。出于健康考虑,这种收集来的水还是不用来饮用和烹饪比较好。我们可以用来浇花、种菜、冲厕所、洗澡、洗车。没那么讲究的话烧开或许可以饮用。否则还是不能完全避免对市政供水系统的依赖。如果科技够高的话,冲厕所的水兴许也可以再回收循环,就看心里能不能跨过那道坎……比如想象自己在国际空间站上。

 废物循环似乎一个家庭能做的很少。顶多就是加个化粪池+沼气模块。其他生活垃圾处理起来那可是太费劲了,几乎肯定是要增加大量碳排放的。如果含有塑料和玻璃那就无法自己解决了。极端情况下,只吃上面自己种的粮食,不吃零食少买东西的话,日常生活生产出来的垃圾会很少,一个月可能装不满一个大垃圾桶。这样可以自己运到垃圾处理站,还可以削减一笔上门收垃圾的服务费。

第五部分:自动化

 这个也是个重点部分,理想状态下,上面的各个模块都应该实现自动化。比如果蔬生产模块会自己播种、灌溉、收割。多余的食品还可以送到冷藏室储存。整个过程不需要人的干预。

 想象一下只需要站在厨房发出一个指令,一会就有刚摘的新鲜西红柿送到面前,这个感觉太好了。但也不能完全自动化,我觉得机器人炒出来的菜应该还是差点意思……

 此外还应该实现自动化加猫粮,铲猫屎,开猫罐头……嗯嗯。

 自动化系统还应该在各个环节帮助减少熵增。比如没有人的房间自动关灯,人外出时降低屋内温度。

 还有自动清洁和自动拉窗帘,自动监控各个地方,自动数据可视化,自动整理被弄乱的桌面,自动叠被子,自动冲咖啡泡茶等等。

 这样程度的自动化需要真正的万物互联(物联网)加上发达的机器人系统和AI控制系统,可谓任重道远。人类可以「懒死」在这样的建筑之中。如果啥都自动化了,人能干啥?人能做的事情太多了,画画弹琴看电影都行啊。自动化的目的是为了减少不必要的重复劳动。真正想要燃烧卡路里那应该去健身,而不是投身到家务活中。

 当然也可以不要这么自动化,保留一些人类活动的烟火气息。按人类发展的套路来看,如果这种模式真的能实现,不出两代人,这种全自动化的模式就要变得「不可逆」了。

第六部分:出行

 都到这个程度了,出行当然是电动车了,把零碳排放进行到底。每天回来都充个电。如果要出远门那就租车吧。

小结

 建造这样的系统保守估计要70-90万美元。占地约50 m × 30 m。其中主要的居住区占一半左右,高度大约三层楼。另外很多技术现在还没有实现,所以这部分的价格不算在其中。

 这样的系统可以最大程度减小对社会的依赖。这样下来每个月的花费将变成少量水费、少量食品费,常规的网费、宠物用品费、3D打印耗材等等,估摸着100美元/500 RMB差不多了。

 鉴于有农业生产这块,所以可以实现负碳排放。从熵的角度分析,这样的模式应该算低熵增的模式了吧?生命就是一个努力抵抗熵增的过程,是一种从无序中创造有序的形式。

抗灾害能力分析

 如果世界末日来了,人类突然消失了,这个系统靠着太阳应该还能撑个挺长时间,后面面临的问题可能是营养不均衡导致的慢性疾病。不过如果人类消失了,应该能打猎到一些野生动物吃?

 如果超级火山爆发或者小行星撞地球了,灰尘遮天蔽日,那就做好物种大灭绝的准备吧,这种情况只能靠地堡勉强维持了,就是把上面这套系统搬到地下。唯一能源是地面的风力发电,同时建一个超大的蓄水库,把水循环做到极致。兴许这样也能存活一段时间。如果风力发电年久失修挂掉了,那就Game Over了。

 如果这整套系统好使了,那火星移民可能就有戏了。人类必须至少在地球表面和地下若干米能做出这样一个系统,之后才好说。

img

(图片来源:Elon Musk的火星移民PPT)

 再写下去就要变成《火星救援》了,我决定就此打住。以后可能还会时不时更新一些细节或者什么重要模块。剩下的就是期待人类科技的进一步发展了。希望20年以后我能用低成本实现这样一个系统。或者可控核聚变电站能够小型化,那样就可以少折腾很多东西了。

LanternD
LanternD_Logo






订阅

RSS订阅 微信公众号

文以类聚

更多『blog』分类的文章