西北地區(qū)農(nóng)村綠色建筑的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性分析★

李 明 劉 娟

(1.寧夏大學(xué)基建處，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021； 4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021)

0 引言

目前我國現(xiàn)有的綠色建筑技術(shù)研究，基本上都集中在城鎮(zhèn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)農(nóng)村綠色建筑的研究相對(duì)較少[1]。主要原因是由于綠色建筑初始建設(shè)或改造成本較大，在城市的推廣尚且受到阻力，在經(jīng)濟(jì)落后的西北農(nóng)村，綠色建筑的推廣更是無從談起。長期以來人們對(duì)綠色建筑的印象就是要采用高大上的新技術(shù)，但實(shí)際上綠色建筑指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源，包括節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材等，保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑物。即占用較小的土地，利用可循環(huán)可再生的材料，通過合理的設(shè)計(jì)，使得建筑在建造和使用過程中所消耗的能源和資源達(dá)到最小，同時(shí)使建筑內(nèi)的聲、光、熱環(huán)境達(dá)到最舒適的要求。因此只要通過合理的設(shè)計(jì)，即使前期的建造成本較大，但后期的運(yùn)行費(fèi)用較低，使得建筑在整個(gè)壽命周期內(nèi)達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。

綠色建筑的初投資比一般的基準(zhǔn)建筑高出的成本稱作是增量成本[2]。本文通過對(duì)西北地區(qū)一個(gè)綠色農(nóng)宅的增量成本進(jìn)行計(jì)算，分析其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

1 綠色農(nóng)宅概況

針對(duì)目前農(nóng)宅建設(shè)中土地利用率偏低、建筑體形系數(shù)偏大、建筑能耗偏高等問題，對(duì)農(nóng)村住宅在節(jié)地、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)能方面分別進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定出了適合西北地區(qū)的綠色農(nóng)宅。農(nóng)宅建筑面積為122 m2，位于寧夏銀川市興慶區(qū)海濤南村。

1.1 節(jié)地設(shè)計(jì)

綠色農(nóng)宅采用兩戶雙拼式設(shè)計(jì)，如圖1所示，即兩戶共用一道外墻，打破了傳統(tǒng)獨(dú)戶獨(dú)院的農(nóng)宅設(shè)計(jì)，既節(jié)省了土地，又減少了外墻，降低了建筑能耗。

1.2 節(jié)材設(shè)計(jì)

綠色建筑要求在材料選擇上選用本地生產(chǎn)的建筑材料，最好使用以廢棄物為原料生產(chǎn)的建筑材料。綠色農(nóng)宅墻體采用的多孔煤矸石頁巖磚主要以頁巖、煤矸石、粉煤灰等廢棄物為主要原料，規(guī)格比普通的空心磚大，尺寸為360×240×190，保溫性能好，施工方便，減少了水泥砂漿的使用。

1.3 節(jié)水設(shè)計(jì)

綠色農(nóng)宅每戶采用地埋式污水處理設(shè)備，將生活污水處理后，用于衛(wèi)生間沖廁和庭院經(jīng)濟(jì)灌溉，并結(jié)合噴罐系統(tǒng)，大大降低了水資源的消耗。

1.4 節(jié)能設(shè)計(jì)

在體型設(shè)計(jì)方面，綠色農(nóng)宅采用長方形體量、輪廓規(guī)則，減小了體形系數(shù)；北向外墻設(shè)高窗采光以有效抵御冬季寒風(fēng)，南向外墻設(shè)集熱蓄熱墻，房間入口處設(shè)附加陽光間，形成被動(dòng)式太陽房，冬季保溫的同時(shí)夏季也可良好通風(fēng)。坡屋頂結(jié)合太陽能集熱器的最佳安裝角度進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

在空間設(shè)計(jì)方面，將衛(wèi)生間和廚房等次要功能房間集中布置在北向，冬季可以作為主要功能房間的溫度緩沖區(qū)。將主要起居室和臥房布置在南向，并結(jié)合西北地區(qū)農(nóng)民傳統(tǒng)的居住生活方式，將農(nóng)民喜愛的炕、灶設(shè)施與太陽能熱水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化布局。

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)地面、外墻、屋頂均做了保溫處理，并且在地面保溫層的基礎(chǔ)上鋪設(shè)300 mm厚的卵石或沙漠砂蓄熱材料，大大降低了建筑能耗，提高了房間熱舒適性。

在采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，結(jié)合寧夏有利的太陽能資源和當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生活方式，采用了太陽能+生物質(zhì)爐+地?zé)岜P管的采暖系統(tǒng)。冬季農(nóng)戶利用生物質(zhì)爐做飯的同時(shí)加熱地?zé)岜P管，不做飯的時(shí)候利用太陽能加熱，有效的降低了常規(guī)能源的使用。

2 綠色農(nóng)宅節(jié)能性分析

通過對(duì)綠色農(nóng)宅與1980年的對(duì)比建筑的耗熱量進(jìn)行比較，分析所消耗常規(guī)能源的數(shù)量，從而分析綠色農(nóng)宅的節(jié)能性。

2.1 綠色農(nóng)宅耗熱量指標(biāo)

根據(jù)《寧夏回族自治區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，綠色農(nóng)宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)可按式(1)計(jì)算：

q=qH,T+qINF-3.8

(1)

其中，qH,T為圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)；qINF為空氣滲透耗熱量指標(biāo)；3.8為住宅內(nèi)部家電及人體散熱產(chǎn)生的部分得熱量。

經(jīng)過計(jì)算綠色農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量指標(biāo)為27.35 W/m2，空氣滲透耗熱量指標(biāo)為15.2 W/m2，則綠色農(nóng)宅耗熱量指標(biāo)為38.75 W/m2。

2.2 綠色農(nóng)宅得熱量指標(biāo)

通過主被動(dòng)式太陽能的利用，綠色農(nóng)宅在不耗常規(guī)能源的情況下增加了得熱量。被動(dòng)式太陽房得熱量可按式(2)計(jì)算。

qu=∑ηilici

(2)

其中，ηi為集熱部件熱效率，%；li為采暖期內(nèi)投射在集熱部件所在面上的總?cè)丈漭椪樟?，MJ/(m2·d)；ci為集熱部件集熱面積占總建筑面積的百分比，%。

主動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)得熱量可按式(3)計(jì)算。

qs=Ac×JT×ηcd×(1-ηc)/Ao

(3)

其中，Ac為太陽能集熱系統(tǒng)集熱面積，m2；JT為采暖期太陽能集熱器采光面上的總?cè)丈漭椪樟浚琈J/(m2·d)；ηcd為太陽能集熱器采暖期的平均集熱效率，%；ηc為管路和水箱的熱損失率，%；Ao為建筑面積，m2。

根據(jù)式(2)，式(3)計(jì)算出綠色建筑的得熱量指標(biāo)為1.977 MJ/(m2·d)。

2.3 綠色建筑節(jié)能性分析

用相同的方法計(jì)算出對(duì)比建筑的耗熱量和得熱量指標(biāo)。對(duì)比建筑是按1980年的建造標(biāo)準(zhǔn)，面積及功能與綠色農(nóng)宅相同，但沒有南向的被動(dòng)式太陽房和主動(dòng)式太陽能采暖，則對(duì)比建筑耗熱量指標(biāo)為111.72 W/m2。

通過將綠色農(nóng)宅與對(duì)比建筑的耗熱量指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)后的節(jié)能率。通過綠色農(nóng)宅和對(duì)比建筑的耗熱量、得熱量計(jì)算出各自所需的輔助熱量，通過輔助熱量的對(duì)比，計(jì)算出利用太陽能后的建筑節(jié)能率，如表1所示。

表1 綠色農(nóng)宅節(jié)能率計(jì)算表

3 綠色農(nóng)宅經(jīng)濟(jì)性分析

通過對(duì)綠色農(nóng)宅所采用的綠色建筑技術(shù)進(jìn)行分析，主要在提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫和蓄熱性能以及太陽能利用方面增加了初投資，因此主要從這兩方面進(jìn)行分析。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)增量成本分析

綠色農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要通過改善外窗、外墻、屋頂、地面的保溫性能以及增加地下蓄熱材料方面增加了初投資，具體計(jì)算如表2所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)分析表

由表2可知，單位建筑面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)增量成本=16 186.1/122=133元/m2。

3.2 太陽能利用增量成本分析

綠色農(nóng)宅太陽能利用主要通過增加南向陽光間、太陽能空氣集熱器和太陽能熱水采暖集熱器增加了初投資，其增加的初投資及運(yùn)行費(fèi)如表3所示。

表3 太陽能利用造價(jià)分析表 元

單位建筑面積太陽能利用增量成本=(27 870-3 000)/122=204元/m2。

3.3 增量成本投資回收期計(jì)算

綠色農(nóng)宅增量成本的投資回收期主要通過綠色農(nóng)宅增量成本與對(duì)比建筑的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較，分析其回收期。

增量成本投資回收期=綠色農(nóng)宅增量成本/(對(duì)比建筑運(yùn)行費(fèi)-綠色農(nóng)宅運(yùn)行費(fèi))=[(133+204)×122]/(5 166-734-210)=9.7年。

因此綠色農(nóng)宅增量成本的投資回收期為10年左右。

4 結(jié)語

1)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫及蓄熱技術(shù)的實(shí)施，使得建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率達(dá)到65.3%，而單位建筑面積增量成本只增加了133元/m2。通過增加少量成本，即可大幅度提高建筑的保溫性能，降低建筑的能耗。

2)通過太陽能的利用，提供了建筑所需的59.1%的熱量，單位建筑面積增量成本增加了204元/m2，而采暖期可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1 763.95 kg。

3)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫及蓄熱技術(shù)和太陽能利用技術(shù)單位建筑面積的增量成本總計(jì)增加了337元，其投資回收期為10年左右。

4)以上的各種計(jì)算都是基于農(nóng)宅所有室內(nèi)溫度為18 ℃的條件下，而目前農(nóng)村住宅的現(xiàn)狀仍采用煤爐采暖，并且到了冬季只給一個(gè)房間(主要活動(dòng)房間)供暖，其他房間不采暖。這就導(dǎo)致有煤爐的房間室內(nèi)溫度能達(dá)到18 ℃左右，而其他房間在10 ℃左右，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)不保溫，甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。經(jīng)過調(diào)研一般只給一個(gè)房間供暖的農(nóng)宅一個(gè)采暖期耗煤量為3 t～5 t煤，如果給所有房間都供暖，則可達(dá)到8 t～10 t左右。

5)干旱區(qū)農(nóng)村綠色建筑節(jié)能技術(shù)的利用，大大降低了建筑能耗，減少了碳排放量，提高了房間的熱舒適性和空氣質(zhì)量，因此綠色建筑技術(shù)可在西北農(nóng)村推廣使用。