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F.2.1.1.1.1 控制位置数据

此功能提供对位置的所有运营任务的控制，包括那些居住和运输任务，这些任务不是内部控制到各自的元素。例如，推迟居住的衣服洗涤以管理峰值位置电源需求。根据需要提供对元素的内部控制。例如，本地控制器可以监控窑的温度，并与外部通信以获取新任务并报告状态。控制功能包括人工未来计划和回顾性分析，生成对元素的实时命令，显示，条件观察和操作数据收集。它还包括接受外部销售订单，获取外部供应以及内部簿记和输出分配等任务。它是通过本地和远程控制的混合以及人工，自动化和软件命令和操作的混合来实现的。

控制位置需求

• 2.3 自动化 - 目标是相对于 2013 年美国类似任务的平均水平，将人工工时减少 85%。预计这将需要在位置和各个元素级别进行广泛的控制软件，并将传感器和执行器链接到整个位置，以使它们能够作为一个连贯的系统运行。最初的自动化水平将无法达到 85% 的目标，但我们将纳入现有的和可能的自动化，并着眼于随着位置发展而随着时间的推移而提高它。此要求还分布在位置的其他功能中，只要每个单独的元素（包括必要的传感器和控制硬件）满足更高级别的自动化目标，即可实现此要求。

• 2.3 自治 - 目标是在本地控制至少 85% 的生产运营和维护。这将决策权主要放在了位置居民和当地项目成员手中。我们认为这本身是值得的，但从人工和技术角度来看，也缩短了决策和响应时间。在早期增长阶段，由于当地缺乏人员和系统，可能需要更高水平的外部计划和实时控制。此要求对人工技能和控制网络提出了要求，以达到预期水平。

控制位置替代方案

• 外部流量控制 - 这包括在位置级别管理输入和输出流量。它从较低级别的功能（如电源和数据带宽）收集资源需求，确定位置内部未提供的资源量，并获取足够的外部供应以满足需求。它还跟踪交付给客户的产品以及未循环利用的废物输出，并确保将其妥善处理。从位置的角度来看，外部输入和输出可以分为

- 项目之外，包括自然环境和人类文明，

- 其他项目阶段，在开始建立此位置时将只有阶段 0，

- 其他比温带范围更大的环境，起初可能没有，并且

- 温带范围内其他位置，我们也预计最初没有，因为这是第一个位置，但以后可以添加新位置。

此任务通常作为制造资源规划 (MRP II) 的一部分执行，MRP II 是一种工厂计划方法。我们不太可能为这项任务发明一种新方法，因此，将现有方法应用于我们的情况似乎更可行，在我们的情况下，工厂部分产出用于建造更多工厂。MRP II 可用于控制功能的其他部分。我们将根据需要使用它，并可能在必要时构建定制的电子表格、数据库、网站和软件。该任务将需要人工参与外部实体，至少要监督控制任务。最初，预计需要更多的手动数据输入和计算，但随着时间的推移，目标是将此任务与其他控制工作一起自动化。

• 生产位置控制 - 这包括向各个元素发布生产指令，可以通过人工手动执行，或者最好通过电子网络自动化执行。生产指令基于完成工作的计划和调度任务，例如“建造一个新的太阳能熔炉”。设计和装配图纸或文件用于识别特定生产元素以执行生产序列。在未完全自动化的场合，将向人类发出执行指令。如果没有任何生产元素能够完成任务，则会发出外部供应请求。如果生产元素需要库存，则会在级联中生成额外的生产指令。例如，如果熔炉需要结构钢部件，则会生成更多钢材库存的订单以及部件制造，进而生成矿石还原或废料购买的订单。生产指令基于各种机器和流程的已知能力。

在自动化的范围内，生产元素将拥有自己的本地控制软件来执行离散操作，并向控制系统报告状态。执行此任务的系统元素将包括人类、控制软件（很可能是定制的）以及计算机和网络来传递指令并跟踪进度。

• 居住地位置控制 - 这是根据需要向居住地元素发送命令并从其收集数据以进行一般位置操作。例如，路灯和景观浇水。私人居住空间主要由居住在该处的居民控制，但调度洗衣等资源负载可以帮助管理整体位置的电力需求。有关用水等事项的数据收集将反馈给供水元素。如居住/提供信息功能中所述，数据网络将在整个位置共享。

• 运输位置控制 - 这是根据需要向内部和外部运输元素发送命令并从其收集数据以进行位置操作。固定运输（如清洁水供应和废水收集）将主要由此功能控制。移动运输将使用混合控制：通过内部传感器和计算机控制元素，以及来自此功能的更高级别的控制和任务。例如，机器人农场车辆可能在很大程度上无需人工干预即可运行。外部运输需要遵守当地法律法规，一些人类会更喜欢手动操作。在这种情况下，此功能将执行较少的任务，但可能执行支持任务，例如路线和维护规划，以及交通和天气监测。

• 位置计划和调度 - 此任务维护位置运行、维护和场地增长计划。它使用总体计划和项目目标、居民输入、外部订单和当前状态数据作为输入。计划和调度面向未来，而之前的“位置控制”项处理的是立即操作。它还会向居民、项目参与者和其他人传播规划信息。特别是，需要对人类执行位置操作的任务进行计划和调度，既要响应能够执行工作的员工的需求，又要响应需要完成的工作。如果居民或参与者无法执行任务，则必须根据“外部流程”功能委托给外部供应。计划和调度将使用人工和自动化/软件元素的混合来实现。

• 位置分析 - 此任务根据目标和计划衡量过去的位置绩效，并将进度报告给当地项目成员和整体计划。它还确定对改进或新技术的需要，这些需求将反馈给第 0 阶段“开发技术”。与计划和调度相比，此任务侧重于历史——查看已经发生的事情。

F.2.1.1.1.2 供应电力数据

此功能为整个位置的所有部分提供电力、热能、水力和其他形式的能量，以及大量剩余能量。高输出比来自计划级别目标，即扩大整个文明的物质和能源资源。它还通过为项目成员提供充足的可用能源来满足他们的需求，以及出售剩余能源带来的收入，从而支持项目成员的高质量生活。最后，我们希望通过尽可能依赖可再生能源对环境影响做出积极贡献。

电力供应可以按类型（电力、热能等）和类型内的参数进行划分：电力的电压和电流；热能的温度、持续时间和精度；水力的压力和流量。它还可以根据可靠性划分为服务类别：住宅和控制功能应比可以延迟的工业任务更可靠。最后，它可以分为固定和便携式。

供应电力需求

• 2.3 本地资源 - 这是根据经济价值衡量，设定了一个目标，即从本地资源提供 85% 的持续能源需求。我们将其作为来源要求，即 85% 的能源生产能力来自本地资源。否则，要求 2.6 将以更大的产出目标取代该要求。如果土地地块分离并且合理，则当地供应可能会使用外部交付。例如，风力涡轮机可以放置在山脊上偏远租赁的位置，以获得更高的输出，并将电力输送到外部电网。然后，该位置从电网获得满足自身需求的电力。

• 2.6 资源 - 更高级别的生产需求 2.6 资源设定了一个目标，即内部需求的 10.5 倍，或 9.5 倍的剩余量。此功能分配了需求中的能源部分。在施工开始时，不会有电力元素到位，因此我们将依靠外部来源。作为初始目标，我们希望在人口为 75 人的情况下满足 1.0 倍的内部需求，并在该位置有 660 名居民时将剩余量提高到满足最终水平。因此，能源生产将比人口增长更快。实际增长率将由对实际需求以及最有效的增长路径的分析来确定。

供应电力替代方案

• 电力集成 - 电源的选择不是独立于位置的其他部分进行的。其他位置功能以电力类型、参数、服务类别和移动性形式提出输入需求。作为回报，电力选择的可获得性以及它们的成本和生产难度将影响其他功能的设计。将多个电源使用进行整合将提高整体效率。例如，熔炉或发电机产生的多余热量可用于较低等级的热处理过程。由于我们无法详细预测未来的需求，因此我们应该提供灵活的电力来源交付和安排方式，以最大限度地利用它们。这意味着保持配电线和管道易于访问，以便根据需要进行更改。由于可再生能源通常是间歇性的，因此我们应该考虑多个电源和存储，以提高可靠性。

• 外部电力： - 我们假设在施工开始时使用外部电力，并进一步假设我们将外部电力连接作为内部电源的备份，并用于以后交付剩余电力。外部电力的传统选择是公用电力和天然气管线、储罐液态燃料（如丙烷）以及用于早期施工的外部燃料供应的发电机。外部电源应可用于靠近发达地区的温带地区。如果它们没有供应到特定的土地地块，则安装成本需要计入施工成本。

• 高浓度太阳能热能

这种替代方案使用大面积的镜子将阳光集中到一个小目标上，以达到高处理温度或产生大量的电力。我们将定义浓度比大于 4:1 作为高。需要一些方法来适应太阳的每日运动。我们将以佐治亚州亚特兰大市为“典型”位置进行计算，但其他位置需要根据其实际情况进行调整。

太阳能资源 - 佐治亚州亚特兰大的总日照时间/天：冬季 4.09 小时，夏季 5.16 小时，平均 4.74 小时。对于直射阳光，平均 = 4.2 小时（适合热能聚光器）。假设直射阳光与总时间范围相似，因此为 3.55 至 4.62 小时。地形和附近物体会影响这一点。

单元间距 - 为了全年运行，你不希望冬季一个单元的阴影过度影响下一个单元。对于亚特兰大北纬 34 度，我们假设镜子的倾斜度为 34+15=49 度，因此，为了避免阴影，单元间距为单元镜阵列最高点和最低点之间差值的 1.15 倍，此外还要考虑其在该倾斜角下的地面投影。如果阵列尺寸为 D，则地面投影将为 cos(49 度) x D = 0.65D。高度差将为 sin(49 度) x D = 0.75D，因此额外的间距将为 0.87D。因此，南北方向单元线的总单元间距为 1.52 D。对于东西方向的间距，由于大气吸收导致的太阳强度在 65 度天顶角（高于地平线 25 度）下降 20%，在 80 度天顶角下降 50%。然后，单元间距将取决于你是否想最大限度地提高每个单元的输出，或者最大限度地提高每个地面区域的输出，以及某个特定流程需要多少连续的日照时间。为了计算目的，我们将假设 65 度天顶角作为操作限制。然后，阵列间距需要为 1.94H + 0.43W，其中 H 是最大阵列高度（在本例中为 0.75D），W 是东西方向的阵列宽度。将间距组合起来，我们发现镜子的面积约为地面面积的 35%。其余部分可以用不需要大量直射阳光的矮树填充，或者可以利用少量阳光的辅助工业任务填充。

经济学 - 峰值阳光的标准值为 1000W/m²。因此，预计平均太阳能输入为 1000 W x (4.2/24 小时/天) x (35% 地面填充面积) = 61 W/m² 地面面积。净有用功率取决于镜子和后续使用能量步骤中的效率损失。在一年中，61 W 平均功率产生 1925 MJ。以传统来源的能量成本 0.03 美元/MJ 计算，则土地面积每年可产生高达 57.75 美元/m²/年（233,700 美元/英亩/年）。

桑迪亚国家实验室估计，2006 年跟踪式定日镜的成本为 125 美元/m²。根据通货膨胀和地面覆盖率进行调整，我们得到 50.5 美元/m² 地面面积的成本。这意味着集中器组件理论上将在 0.875 年内收回成本，或回报率为 114%。这还不包括用于收集能量的任何聚焦设备。这是一个很有希望的回报率。如果自产可以降低设备成本，这将非常有希望。

替代方案

- 中央系统 - 该系统使用一组单独控制的定日镜（镜子）对准中央目标。根据尺寸和距离，定日镜可以是平的、弯曲的或分段的。对于 400:1 的集中度，至少需要 10 个弯曲的定日镜，或者能够调整形状以补偿太阳移动时的离轴指向。或者，一组平面定日镜在圆形轨道上移动以跟踪太阳方位角，并倾斜以跟踪仰角，然后使用弯曲的二次镜将光线反射到地面水平的固定目标。二次镜升高以适应平均纬度倾斜。这样可以使大部分镜子保持在地面水平，并且它们可以共享一个共同的倾斜机制。地形会影响任何太阳能聚光器系统的设计。

- 碟形系统 - 该系统使用一个可操纵的碟形镜，它带有升高的目标或二次镜，将光线引导到固定或地面水平的目标。使用单个碟形镜会限制尺寸，因为需要支撑结构，而升高的目标更难使用。然而，固定形状的碟形镜更容易达到更高的浓度比。

- 线性系统 - 该系统使用抛物线槽或线性菲涅耳镜阵列，朝东西方向排列，以达到中等浓度。一个长的设备可以最大程度地减少太阳运动造成的端部损失，并且每天只需要进行较小的季节性调整。

- 极地系统 - 该系统是镜子在极轴安装上的扁平布局，焦点或二次镜朝向较低端。它实际上是圆形碟形镜的一部分，但扁平的布局和只保持碟形镜的较高端会降低焦点和支撑结构。极轴每天跟踪太阳的运动，季节性倾斜调整可以弥补太阳在天空中的赤纬变化。

• 低浓度太阳能热

该系统使用固定或季节性反射器，镜子/目标面积比为 0.0 到 4.0。零镜子面积意味着目标直接暴露在阳光下，没有额外的帮助。一些例子包括温室或木材干燥棚，它们有适度的反射器面积，以增加冬季生长或加快干燥速度。在这些比率下可以进行建筑物空气和水的加热以及直接太阳能烹饪。

• 热储能

平均位置的直接阳光每天大约只有 4 小时可用，在最理想的位置，每天只有 8 小时可用。热储能允许每天延长高温过程或发电时间，但代价是需要更多的集热器面积和储能系统。人们尝试了各种热储能介质，包括高温油、熔盐、两种介质与固体填料混合，以及干岩石。传热介质可以包括直接的油或盐、管道中的水/蒸汽、非加压潮湿空气或干燥空气。如果传热介质与使用点介质不同，则需要热交换器。

- 从 比热数据 中我们可以知道，普通岩石的比热为 800 焦耳/千克-K，一立方米碎石的质量约为 1400 千克。如果你将岩石加热 500 K，那么一立方米可以储存 560 MJ，或 155 千瓦时，或约 19 美元的电费，按典型的公用事业费率计算。它相当于 90 个普锐斯电池组。

- 需要隔热层，以便储存的热量不会过快地泄漏到周围环境中。岩棉的导热系数为 0.045 W/(m-K)，使用温度高达 1000 摄氏度。绝缘耐火砖 具有多种特性，具体取决于成分和温度等级。如果我们使用最低等级（1260 摄氏度等级），它的热负荷容量为 69 kPa，允许 5 米的最大砾石负荷，以及 3 米的设计负荷。导热系数与温度 C 的关系为 [260, 0.13]、[538, 0.17]、[816, 0.22]、[1093, 0.24] W/(m-K)。混凝土和石材的导热系数为 1.7 W/(m-K)，混凝土在负荷下的最高工作温度约为 400 摄氏度（这取决于混合类型）。

在 1000 摄氏度高温储存温度下，砾石层堆叠在一起，上面有 0.25 米的耐火砖，以及 0.15 米的混凝土，会损失 450W/m² 的热量。对于 1 米立方体，储存时间常数为 200,000 秒。耐火混凝土是一种特殊的混合物，可以承受更高的温度。

- 一种选择是真空/粉末绝缘储存。真空减少了热量传递，粉末填充物支撑储存容器以抵抗压差。这很可能比混凝土储存装置更昂贵，但可能对便携式应用有用。

• 太阳能电力

这主要指的是光伏 (PV)，或太阳能电池板，已经达到了大规模生产水平。面向太阳的固定面板安装成本最低，但跟踪器单元也是一种选择。集中式光伏可以提高面板的面积效率，但需要对跟踪器单元进行间距，以避免相互遮挡。仅使用购买的集中式电池并自行建造系统的其余部分将提高当地生产的百分比。这将与上面的高浓度设计相结合。如果一些较低效率的技术提供低成本且可生产，则应予以考虑：染料或氧化物电池、集成屋顶/光伏、窗户集成电池。

- 极轴安装 - 该选项的目的是从购买的面板中获得比固定式安装更高的输出。极轴安装允许跟踪太阳。使用平均倾斜角，因为季节性赤纬造成的损失很小。根据面板的热极限，侧向反射器或将面板放置在反射器焦点处会提高输出。主动冷却可以防止面板过热。与使用为高通量设计的集中式电池进行比较。

• 风力涡轮机

一个概念是在塔架上安装有一个带有螺旋形涡轮机单元的圆形轨道安装座。轨道呈 L 形，带有直立和侧向滚轮用于支撑和定位，并带有盖子以防止碎屑进入。涡轮机单元成对设置，位于旋转中心的后方，带有二面角，因此它们会自动指向风向。较大的单元可能使用驱动电机进行指向。单元垂直堆叠在塔架上，以获得更大的总输出。塔架高度用于将涡轮机置于树木之上，进入更高风速区域。

• 生物能源

这指的是使用植物废料、微生物、外部垃圾或其他有机来源来制造用于运输的液体燃料，或直接燃烧固体、液体或气体产品来供热或发电。这可能与从植物中生产木材或食物相平行。一种选择是使用燃烧或其他生产过程产生的 CO₂ 副产品来提高生长速度。生物能源的最佳情况下太阳能效率约为 6%，而对于未经改造的植物则要低得多，因此总体而言效率远低于太阳能选择，即使包括储存损失。使用它的原因包括便携式电源，以及其他能源来源无法正常运行的非高峰时段。有机来源更有可能用作化学原料，而不是燃料，因此应考虑其在其他用途中的价值。

• 其他来源

我们不假设该地点具有特殊特征，例如水力或地热潜力，但如果在选择土地时有此类选择，应将其视为优势。不太可能发现化石能源，但如果可用，我们更愿意将其用于非能源用途，以免增加大气中的 CO₂。可以研究其他储存方案，例如压缩气体、大型电池和深井重力，以了解是否有任何自建方案具有经济效益。

F.2.1.1.1.3 提取材料数据

提取原材料涵盖材料进入库存并准备进一步加工或使用之前的步骤。它包括开采、从环境中收集水和空气，以及从生物体中收获有机产品等任务。提取后，通常需要运输到另一个生产功能。它包括在自有或租赁的土地上进行此项工作，或者使用内部设备从其他财产中提取和运输材料。由他人使用其设备开采和运送的材料是外部供应，在其他地方进行核算。

提取材料需求

• 2.3 本地资源 - 与之前的供应电力功能一样，我们的目标是根据经济价值，至少提供 85% 的持续原材料来自当地资源。这并不包括初始建设，这可能需要更多外部供应。

• 2.6 资源 - 更高水平的生产能力要求传递一个长期目标，即内部需求的 10.5 倍，或 9.5 倍的盈余。盈余被出售或用于生产的后期阶段，然后出售，以支持居民的生活质量和项目所有者的收入。我们将此要求解释为在 75 人时提供 1.0 倍的内部需求，当人口达到 660 人时，增长到更高的目标。由于给定位置的土地和原材料资源有限，高盈余需要从其他财产、外部废物来源或丰富的资源（如生长植物、空气和降雨）中获取原材料。这将是除了地点自身内部的高水平回收以外的。

提取材料替代方案

• 外部供应与本地提取 - 第一个决定是在获取外部来源的原材料之间进行选择，还是从自有土地上获取，或者租赁其他土地上的采矿权，但使用地点设备。这反过来又与自有土地的数量及其地质和其他资源有关。虽然风能和阳光等能源不断自我更新，但物理资源是有限的，必须更仔细地进行核算。我们可以将这些资源分为

- 通用资源：这些资源通常在大多数位置都可用，并且没有特别专业，例如当地岩石、土壤、植物、空气和水流。

- 专业资源：这些资源包括附近的矿藏、外部回收、废料、垃圾和废物来源，以及商业原材料供应商。

• 废物提取 - 这是尚未准备好运输的外部废物，例如垃圾填埋场或污水污泥，需要通过场地设备在运输前收集。外部设备送来的废物计为外部供应。

• 开挖和采矿 - 我们可以估算建筑期间所需的材料数量，假设我们在该功能下提取它们，而不是从外部来源提取。

- 居住基础： 27 m³/人 x 75 人/年 = 2,025 m³/年的合适砾石和沙子集料，其中 15% 需要是用于水泥生产的石灰石和页岩。

- 居住屋顶： 3 m³/人 x 75 人/年 = 225 m³/年的用于屋顶瓦的粘土或水泥成分。

- 居住外墙： 24 m³/人 x 75 人/年 = 1,800 m³/年的用于制砖的合适粘土和沙子。

• 水收集 - 这包括从降雨、冷凝、流水和地下水中收集的新水，只要不超过自然补给量。清洁或污染形式的水都可能从外部地点收集。不直接进入内部运输而需要从储存池中提取的再生水将包括在此。

- 总用水量 - 水足迹 (Mekonnen - 2011) 的数据表明，美国所有用途的总用水量为 2840 m³/年/人。这并不包括任何回收，包括农业用水，因此应被视为水收集量的上限。

- 生活用水 - 来自多个来源的数据表明，美国住宅用水量平均为 0.6 m³/天/人 (220/年)。同样，这应该被视为没有再利用的上限。

• 空气收集 - 我们将首先假设这是用于车辆和生产的压缩空气，除非设计中广泛使用气动装置，否则需求量很小。二氧化碳、氧气、氮气和其他气体的提取目前为零，除非某些工艺需要它们。

• 收获木材和植物 -

- 框架木材： 在施工期间，我们需要 (40 m³/人用于生活空间 + 10 m³/人用于屋顶支撑) x 75 人/年 = 3,750 m³/年的成品木材。假设原木到成品木材的转化率为 75%，这意味着每年收获 5,000 m³ 的原木。

- 食用植物： (需要数据)

- 其他植物： 包括从树木中收获水果、用于纤维、原料或燃烧的非食用植物。

F.2.1.1.1.4 工艺材料数据

该功能包括将原材料转化为成品材料库存，这些库存已准备好进行存储、部件制造或消耗。它可以包括一系列化学、电解、机械、热或其他工艺，无论是连续流还是间歇式。需要对材料属性进行一些可衡量的改变，但没有对设计部件进行特殊的成型或成型。因此，通用金属棒料是该功能的输出。由于材料和工艺数量众多，因此该功能被进一步细分。请注意，相同的硬件可用于多个序列和材料。这从功能分解开始，说明需要制造什么，然后是说明如何完成的设计。

工艺材料需求

• 2.3 循环流 - 除了处理从外部提取或供应的新材料外，我们的目标是重新处理场地废物输出的至少 85%。其他功能需要考虑到这一要求。我们更喜欢消耗比我们产生的更多的外部废物，这样整个场地就能产生负废物，尽管个别类型的废物可能产生正质量流。

• 2.6 资源 - 与其他生产功能一样，我们的长期目标是处理 660 人持续需求的 10.5 倍。从 75 人的需求的 1.0 倍开始，并逐步增加。库存直接销售与在后续生产步骤中使用之间的分配将在以后确定。初始建设的加工量在此需求之外。

一般替代方案

• 制造还是购买 - 对于任何给定的材料以及给定的生产设备和时间表，我们可以选择自己进行加工，或者从外部购买现成的材料。我们无法对此选择给出固定答案，而是将其分配给外部流程的控制位置任务，以及计划和调度。

• 工艺选择 - 660 人的场地可能太小，无法从当地来源加工每种类型的材料。因此，我们根据总质量流量、经济价值、它们对增长的支持程度以及工艺在新的设备和经常性运营方面的成本对工艺进行排名。得分最高的工艺首先考虑，但最终选择取决于它们如何与其他生产要素和场地以及增长顺序相集成。

• 工艺集成 - 集成是将独立的工艺连接成完整的流程，并将一个工艺的剩余输出或废物输出用于另一个工艺。例如，使用炉子中的余热在另一个工艺中进行干燥。设计集成顺序应首先考虑回收流程：使用过的水、过量的二氧化碳、维修、更换和改造返回质量以及内部制造废物。接下来，考虑满足内部需求的新生产流程，最后考虑剩余生产/外部销售。在每一步，都要考虑如何连接各种输入和输出。

• 增长顺序 - 从启动器套装到最终工厂的设施增长顺序也需要按照逻辑顺序进行。如何做到这一点并不明显，但我们可以尝试各种方法，看看哪种方法效果最好。我们暂定的方法是将工艺材料与场地的其他部件一起包括在内，并根据我们的评估标准对总结果进行评分。由于存在许多可能的组合要素集，我们将需要使用贸易树或迭代选项的方法来找到合适的候选者。

F.2.1.1.1.4.1 加工石头和混凝土

该功能包括为直接使用石头准备材料，形式为碎石用于砾石床和集料，沙子或更精细的碎石用于集料、过滤或热床，较大的碎石或尺寸石用于建筑，以及作为石灰或水泥的间接使用。

数量

• 水泥生产 - NIST 的参考材料 对于波特兰水泥，显示约 68% 的 CaO + MgO、30.75% 的二氧化硅、氧化铝和氧化铁，以及少量的其他成分。少量的石膏 (CaSO₄⋅2H₂O) 作为研磨助剂和缓凝剂添加。基本配方的许多变化是用不同的成分制成的，或者是在之后添加添加剂。要生产标准波特兰水泥，需要研磨和混合成分，加热到 1450 摄氏度，然后再次研磨所得的熟料。质量损失来自白云石的转化：（CaMg）（CO₃）₂（分子量 = 152）到氧化物（分子量 = 48），因此所需的原材料质量比成品质量多约 50%。

水泥约占混凝土质量的 15%，这需要相对于最终混凝土成分额外开采 7.5% 的质量。我们估计在施工期间有 2250 处居住地 + 2250 处生产地 = 4500 m³/年的混凝土产品，这意味着 1800 吨水泥，因此每年需要 2,700 吨（每天 7.4 吨）水泥制造成分。生成焓为 1.757 MJ/kg，实际能量在没有热回收的情况下约为 3.6 MJ/kg。这需要平均 308 千瓦的功率，或者说每人每年 4.1 千瓦的施工率。如果这是能源来源，则需要大约 0.5 公顷的太阳能集热器面积。

• 混凝土生产 - 混凝土混合物根据所需的用途和强度而有很大差异，但基本混合物每立方米最终产品包含 400 公斤水泥、1275 公斤粗集料（10-20 毫米砾石）、725 公斤细集料（沙子）和 160 公斤水。对于我们估计的混凝土生产率，因此我们需要每年 9,000 吨（每天 24.7 吨）的尺寸集料，以及每年 720 吨（每天 2 吨）的清洁水。

设计替代方案

• 水泥生产 - 常规的替代方案是旋转 和立式轴 窑，在研磨步骤中使用球磨机和筛子或旋风分离器。窑使用燃烧作为主要的能源。我们将考虑太阳能加热作为替代能源，并在需要时进行辅助加热。另一种工艺是等离子体放电水泥生产。最后，可以考虑其他粘合剂，例如环氧树脂，或者与主要以氧化钙为基础的化学成分不同的粘合剂。

所有水泥都需要炉子加热才能将原材料转化为最终产品。所需温度根据成分而有所不同。来自高岭石粘土的偏高岭石需要 500-800 摄氏度的煅烧温度。它可以用于替代高达 30% 的波特兰水泥，而不会降低强度。粉煤灰和飞灰是由燃料燃烧产生的细小颗粒，通常来自发电厂，并在排气流中冷凝。它们也可以替代波特兰水泥。我们不希望通过燃烧化石燃料来发电，但替代方案是生物燃料燃烧和购买商业灰产品。波特兰水泥生产需要最高的温度，约为 1450 摄氏度，因此需要更高的阳光浓度，或者需要补充加热。

F.2.1.1.1.4.2 加工金属

在现代文明中，铁和钢约占金属总用量的 95%。因此，我们可以将此功能视为首先供应这种金属，然后将其他金属视为补充。目前尚未确定超过钢筋的产量。

数量

• 钢筋 - 这是混凝土的钢筋。所需数量很大程度上取决于混凝土的用途和负荷。在没有更详细的数据之前，我们将采用 200 kg/m³ 作为该地点的总体估计值。此数量相当于混凝土体积的 2.5% 的钢筋。当做出更好的估计时，请使用已知混凝土体积的实际数量，并将 2.5% 的钢筋估计值保留给尚未设计的部分。鉴于我们建造期间对 2,250 m³/年的总需求量，这意味着每年需要 450 吨钢筋。

• 结构钢 - 这是用于建筑物的钢材，以板材、柱子、梁、支撑、预制形状、螺栓、锚、螺钉和其他紧固件的形式存在，除了混凝土钢筋之外。

• 铸铁 - 铸铁含有高碳含量，顾名思义，易于铸造成复杂的形状，可以加工成良好的表面光洁度，并具有良好的减振性能。铸件可以包括用于磨损表面的更硬的合金嵌件。它通常用于重型机械的机身、管道和其他易于制造的物品。在强度和温度特性更重要的场合，通常会选择其他合金。在没有其他估计方法的情况下，我们将假设需要一个 1.0L x 0.5L x 0.1L = 0.05 L³ 的块用于主要机器，其中 L 是主要尺寸。这需要用详细的估计值来代替。

• 合金钢 - 除纯元素外，所有铁和钢都是与其他元素的合金。此类别用于为其特定特性而制作的合金，超出了典型的低碳钢筋和结构等级。高合金等级范围从那些含铁量低于 50% 的合金。

• 轻金属 - 该组包括铝、钛和镁合金，因其相对轻的重量和更高的强度重量比而被选中。高级版本包括用于更高强度的增强纤维。

• 其他金属 - 这包括铜、黄铜、青铜、锌、锡以及上述各组之外的任何其他金属。

设计替代方案

• 钢筋 - 常规的替代方案是从商业供应商那里直接购买钢筋。当地的选择是回收废金属，尤其是废钢筋，制成新的钢丝和钢筋，或将矿石还原成新金属。另一种选择是用玻璃纤维或玄武岩环氧树脂代替金属钢筋，这两种材料又有购买或制造的替代方案。

• 铸铁 - 显而易见且传统的替代方案是通过在熔炉中熔化足够的铸铁成分并将其倒入铸造区域的模具中来进行铸造。铸造是所有类型工业的基本工艺，我们预计将其列入首批制造项目之一，而金属加热则是基本的过程工厂功能。那么差异就在于熔炉的类型以及铸铁成分的来源。

F.2.1.1.1.4.3 工艺陶瓷

此功能包括准备用于砖、屋顶瓦、铺路、家庭用品的粘土和沙子。它还包括用于高温衬里和容器的其他陶瓷混合物，以及用于切割和研磨工具的碳化物和矿物氧化物。实施此功能的设备与工艺石材和混凝土共享，因为这些材料存在重叠。

数量

• 建筑砖和瓦 - 对于居住区外墙，我们估计每人 24 m³ 粘土砖/人 x 75 人/年 = 1,800 m³/年（5 m³/天）。实心混凝土砖可以具有相同的体积，或者空心混凝土砌块的厚度是其两倍。

• 家庭陶瓷制品 - 粗略估计是每人 100 公斤。

• 耐火衬里和容器 - 这些主要用于生产元素。粗略估计是加工的其他材料的 5% x 4000 吨 = 200 吨耐火材料。

• 工业碳化物和氧化物 - 也用于生产元素。粗略估计是需要 100 吨，但需要更好的数据。

设计替代方案

• 砖窑 - 常规的替代方案是熔炉，在熔炉中，温度超过 950 摄氏度，持续时间足够长，使粘土熔化，然后逐渐冷却，以免破裂。所需时间通常超过一天，因此太阳能熔炉需要用其他加热方式来补充。

• 混凝土砖和砌块 - 这些在制造阶段不需要窑炉（它们需要制作水泥）。将混合物模制成砖或砌块形状，然后湿润或蒸汽固化，直到它们足够坚固可以堆叠，然后在堆叠中完成强度增长的过程。这需要大约 28 天才能使标准水泥达到强度。

F.2.1.1.1.4.4 工艺玻璃

此功能包括制造钠钙（普通）玻璃，以及可能使用硼酸或钡氧化物和其他添加剂制造特种玻璃。

数量

• 温室 - 玻璃面积取决于植物的光照需求。

• 太阳能集热器 - 镜面面积基于 1000 W/m^2 峰值入射阳光 / (cos a)，其中 a 是镜子相对于入射光的倾斜角。只要玻璃可以承受反射涂层并被铸造成平面，玻璃的类型就不重要。低铁玻璃的损耗更低。

• 容器 - 玻璃容器包括加工容器和管道、生产储存以及家庭食品和饮料容器。

设计替代方案

• 钠钙玻璃 - 这是在大多数常见物品中发现的普通玻璃。它由矿物氧化物的混合物组成，如标题链接中所述，通常出于成本原因，以原料矿物的形式而不是纯氧化物的形式存在。它们在约 1500 摄氏度下熔化在一起，在该温度下，成分会发生化学变化，通过多种方法之一形成（浮动或吹制），并使其缓慢冷却，以避免因热应力而破裂。制造完成后，玻璃的熔点约为 900 摄氏度，因此可以从基础材料中形成新的形状。所需硬件主要包括用于制造玻璃料的高温熔炉、加热的成型或模制设备以及用于缓慢冷却成品的退火炉。玻璃的厚度决定了冷却速度。

F.2.1.1.1.4.5 工艺木材

从树上提取原木形式的原木后，必须将其切割成适当尺寸的木块，然后将其干燥到所需的含水量，通常为 8-19%，具体取决于其使用位置。由于它是一种天然产品，因此存在差异和缺陷，并且是各向异性的：具有不同的特性，例如强度作为方向的函数。木材的特性也因树种而异。因此，木块可以用粘合剂和增强材料粘合在一起，以形成更大的更坚固的木材和板材作为库存。

数量

• 框架木材 - 在建造期间，我们估计需要 0.2 米厚 x 200 平方米居住区 + 0.15 米厚 x 200 平方米生产区木材。生产区的数字较低是因为有些建筑物只是棚屋，而且一般来说侧墙可能不会完成，需要较少的框架。这相当于每人每年 70 立方米，或每年 5,250 立方米。

• 室内木材 - 这包括用于居住区的家具和室内装饰木材，以及用于生产区的架子、工作台和类似物品。假设量为每平方米 40 公斤 x 每人 400 平方米总面积 = 每人 16 吨。鉴于干燥木材的平均密度为 0.4，这相当于每人每年 40 立方米，或每年 3,000 立方米。

• 总木材 - 将上述木材需求加起来，需要 8,250 立方米/年。这是最终的切割和干燥体积。原始原木的体积需要约为每年 11,000 立方米，以考虑缺陷、树皮、锯切损耗以及干燥过程中的收缩。转换中损失的材料可以回收成其他生物输入。干燥过程中损失的水分可以代表完成木材 200-400 公斤/立方米，或每天 4.5-9 吨。由于水分蒸发掉了，因此相对干净，应考虑回收利用。

由于提供优质木材的树木需要 25 年或更长时间才能生长，因此早期建造将取决于现有的森林库存。每公顷 125 吨的森林库存@平均密度 0.7 绿色意味着每人 0.8 公顷的森林用于初步建造。这远大于可持续量，因此最初的木材供应可以选择砍伐权，将场地本身用作来源，或者购买多余的土地并转售。可以使用这些方法的组合。可持续性将取决于补种或选择性砍伐，以维持持续供应。收获后，“绿色”木材需要尽快开始干燥，并在此后受到腐烂和潮湿的保护。

设计替代方案

• 切割木材的位置 - 木材加工的早期步骤可以在运输之前在现场进行。这样可以节省运输有缺陷或废弃的材料，并使要移动的部件更小。在现场工作的缺点是地形和天气变化无常。在某种程度上，这种选择将取决于可用的设备以及废弃材料的用途。

• 密封和剥皮 - 树木通过毛孔垂直运输水分，因此蒸发和收缩从原木或木板的末端更快地发生。差异干燥会导致末端开裂，因此应将新砍伐的原木用油漆或其他方法密封。这也将减少真菌或其他生物的分解。树皮和活的形成层通常不用于木材，因此它们被剥离。这也使最终的原木保持清洁。剥皮工具可以像一把磨尖的铲子一样简单，也可以使用机械化的带齿研磨机。在某些情况下，可以将干净的树皮保留在原位，直到锯开之后。

• 锯开 - 在大多数情况下，原始原木的大小和形状不是最终产品所需的，未切割的原木通常会因干燥收缩而径向分裂。使用楔子劈开原木是一个简单的过程，并且切割废料很少，但最终形状不均匀，因此大多数木材被锯开。带锯相对于圆锯或链锯产生的锯末废料更少，因为锯片处于张紧状态，并且可以更薄。这是主要的方法。激光通常没有足够的功率来切割厚的原木。锯开过程可以自动分为两部分：扫描原木以确定最佳切割方式，以及移动锯和原木进行切割。锯开需要为未切割的原木、锯木厂本身、产生的锯末以及要干燥的切割板材留出空间。对于种子级生产，带锯可以使用与其他 3D 工作头相同的框架。对于 75 人的建造速度，由于体积，可能需要一组专门的设备。

• 干燥 - 最简单的选择是将切割板材堆叠起来，用间隔物隔开，并避开雨水，让它们自然风干。对于高产量，例如为 75 人生产木材，这需要大量的干燥空间，因为风干每英寸板厚需要一年时间。太阳能干燥窑将阳光收集到一个室中以加热板材，并使用风机和冷凝器来去除蒸发的水分。在晴朗的天气下，它们可以将干燥时间缩短到每英寸约一个月。传统干燥窑使用任何热源来加热板材，并使用真空或气流来去除水分。这可以将干燥时间缩短到几天。必须控制干燥速率，以防止板材内部应力积聚，并且板材的各个侧面都需要暴露以进行均匀干燥。通常使用层与层之间的间隔物来做到这一点。夹紧木材堆也可以减少因干燥不均而造成的翘曲。干燥时会有一些损失。一旦板材达到所需的含水率，就可以将其放入仓库，在那里它们需要继续受到腐烂的保护。含水率可以用仪表来确定，也可以通过在烘干前后的称重样品来确定，以达到 0% 的含水率。最终含水率将始终趋于与环境平衡，如果木材在使用中因外部变化而发生膨胀和收缩是一个问题，则需要对木材进行密封。

F.2.1.1.1.4.6 处理纤维

天然纤维包括棉花和羊毛等物品。种植和加工它们到线和织物的程度已经是大型机械化产业，我们认为我们无法对其进行足够的改进以值得做。从织物开始缝制成品值得考虑。合成纤维包括玻璃、玄武岩、碳和聚合物。这些在工业中被用作高强度增强材料和绝缘材料，其数量和市场价格使它们成为内部生产的更具吸引力的选择。

数量

• 建筑保温 - 我们估计每人 71 m³/人纤维或岩棉保温。因此，对于 75 人/年，我们需要 5,325 m³/年。保温密度相对较低，因为小的气穴减少了热量流动，在 10-60 kg/m³ 的范围内。因此，所需的质量在 50-320 吨/年的范围内。

F.2.1.1.1.4.9 处理无机化合物

包括纯化气体、液体溶液和固体无机物。金属的提取可以通过热力学、化学或电解方法进行，具体过程取决于矿石和要提取的元素。

F.2.1.1.1.5 制造部件数据

F.2.1.1.1.5.8 制造有机化合物

这包括由塑料、橡胶和相关有机材料制成的部件。

F.2.1.1.1.5.9 制造无机化合物

包括由非金属化合物制成的部件，这些化合物不在其他地方列出。

注意

工艺子功能 10 肥料和 11 水是散装材料，本身不加工成部件。它们从工艺直接进入存储或直接使用。

F.2.1.1.1.6 库存数据存储

• 模块化地板概念 - 在混凝土地板模块（例如 1 平方米）的角上设置地脚柱或垫块，深度根据需要调整。根据需要填充碎石、铺设塑料衬里和隔热材料。模块放置在支撑角上，如有需要可灌浆以填补缝隙。对于经常移动（越过公用设施）的模块，包含嵌入式管道和凹陷式 J 型螺栓的起吊点。不经常移动的模块为普通型，通过先移除相邻单元以获得空间来进行移动。模块的厚度和支撑高度根据预期载荷进行调整。对于重载荷，将平板按所需深度横向放置并用螺栓固定，形成刚性组件。

• 建筑结构 - 基础和地板的粗略估计为重工业地板 @ 100 平方米/人 x 0.2 米厚 + 标准地板 @ 100 平方米 x 0.1 米厚 = 30 立方米/人 总计。此数据需要在后续进行更新。