西北地區農村綠色建筑的節能性和經濟性分析★

李 明 劉 娟

(1.寧夏大學基建處，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021； 4.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021)

0 引言

目前我國現有的綠色建筑技術研究，基本上都集中在城鎮和經濟發達地區，對農村綠色建筑的研究相對較少[1]。主要原因是由于綠色建筑初始建設或改造成本較大，在城市的推廣尚且受到阻力，在經濟落后的西北農村，綠色建筑的推廣更是無從談起。長期以來人們對綠色建筑的印象就是要采用高大上的新技術，但實際上綠色建筑指在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源，包括節能、節地、節水、節材等，保護環境和減少污染，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，利用可循環可再生的材料，通過合理的設計，使得建筑在建造和使用過程中所消耗的能源和資源達到最小，同時使建筑內的聲、光、熱環境達到最舒適的要求。因此只要通過合理的設計，即使前期的建造成本較大，但后期的運行費用較低，使得建筑在整個壽命周期內達到經濟的目的。

綠色建筑的初投資比一般的基準建筑高出的成本稱作是增量成本[2]。本文通過對西北地區一個綠色農宅的增量成本進行計算，分析其節能性和經濟性。

1 綠色農宅概況

針對目前農宅建設中土地利用率偏低、建筑體形系數偏大、建筑能耗偏高等問題，對農村住宅在節地、節材、節水、節能方面分別進行了優化設計，確定出了適合西北地區的綠色農宅。農宅建筑面積為122 m2，位于寧夏銀川市興慶區海濤南村。

1.1 節地設計

綠色農宅采用兩戶雙拼式設計，如圖1所示，即兩戶共用一道外墻，打破了傳統獨戶獨院的農宅設計，既節省了土地，又減少了外墻，降低了建筑能耗。

1.2 節材設計

綠色建筑要求在材料選擇上選用本地生產的建筑材料，最好使用以廢棄物為原料生產的建筑材料。綠色農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 節水設計

綠色農宅每戶采用地埋式污水處理設備，將生活污水處理后，用于衛生間沖廁和庭院經濟灌溉，并結合噴罐系統，大大降低了水資源的消耗。

1.4 節能設計

在體型設計方面，綠色農宅采用長方形體量、輪廓規則，減小了體形系數；北向外墻設高窗采光以有效抵御冬季寒風，南向外墻設集熱蓄熱墻，房間入口處設附加陽光間，形成被動式太陽房，冬季保溫的同時夏季也可良好通風。坡屋頂結合太陽能集熱器的最佳安裝角度進行一體化設計。

在空間設計方面，將衛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。將主要起居室和臥房布置在南向，并結合西北地區農民傳統的居住生活方式，將農民喜愛的炕、灶設施與太陽能熱水系統實現一體化布局。

在圍護結構設計中，對地面、外墻、屋頂均做了保溫處理，并且在地面保溫層的基礎上鋪設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。

在采暖系統設計中，結合寧夏有利的太陽能資源和當地農民的生活方式，采用了太陽能+生物質爐+地熱盤管的采暖系統。冬季農戶利用生物質爐做飯的同時加熱地熱盤管，不做飯的時候利用太陽能加熱，有效的降低了常規能源的使用。

2 綠色農宅節能性分析

通過對綠色農宅與1980年的對比建筑的耗熱量進行比較，分析所消耗常規能源的數量，從而分析綠色農宅的節能性。

2.1 綠色農宅耗熱量指標

根據《寧夏回族自治區居住建筑節能設計標準》，綠色農宅的圍護結構耗熱量指標可按式(1)計算：

q=qH,T+qINF-3.8

(1)

其中，qH,T為圍護結構耗熱量指標；qINF為空氣滲透耗熱量指標；3.8為住宅內部家電及人體散熱產生的部分得熱量。

經過計算綠色農宅圍護結構的傳熱耗熱量指標為27.35 W/m2，空氣滲透耗熱量指標為15.2 W/m2，則綠色農宅耗熱量指標為38.75 W/m2。

2.2 綠色農宅得熱量指標

通過主被動式太陽能的利用，綠色農宅在不耗常規能源的情況下增加了得熱量。被動式太陽房得熱量可按式(2)計算。

qu=∑ηilici

(2)

其中，ηi為集熱部件熱效率，%；li為采暖期內投射在集熱部件所在面上的總日射輻照量，MJ/(m2·d)；ci為集熱部件集熱面積占總建筑面積的百分比，%。

主動式太陽能采暖系統得熱量可按式(3)計算。

qs=Ac×JT×ηcd×(1-ηc)/Ao

(3)

其中，Ac為太陽能集熱系統集熱面積，m2；JT為采暖期太陽能集熱器采光面上的總日射輻照量，MJ/(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。

根據式(2)，式(3)計算出綠色建筑的得熱量指標為1.977 MJ/(m2·d)。

2.3 綠色建筑節能性分析

用相同的方法計算出對比建筑的耗熱量和得熱量指標。對比建筑是按1980年的建造標準，面積及功能與綠色農宅相同，但沒有南向的被動式太陽房和主動式太陽能采暖，則對比建筑耗熱量指標為111.72 W/m2。

通過將綠色農宅與對比建筑的耗熱量指標進行對比，計算出改善圍護結構后的節能率。通過綠色農宅和對比建筑的耗熱量、得熱量計算出各自所需的輔助熱量，通過輔助熱量的對比，計算出利用太陽能后的建筑節能率，如表1所示。

表1 綠色農宅節能率計算表

3 綠色農宅經濟性分析

通過對綠色農宅所采用的綠色建筑技術進行分析，主要在提高圍護結構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行分析。

3.1 圍護結構增量成本分析

綠色農宅圍護結構主要通過改善外窗、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，具體計算如表2所示。

表2 圍護結構造價分析表

由表2可知，單位建筑面積圍護結構增量成本=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行費如表3所示。

表3 太陽能利用造價分析表 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算

綠色農宅增量成本的投資回收期主要通過綠色農宅增量成本與對比建筑的運行費用進行比較，分析其回收期。

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

因此綠色農宅增量成本的投資回收期為10年左右。

4 結語

1)通過圍護結構保溫及蓄熱技術的實施，使得建筑圍護結構節能率達到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，而采暖期可節約標準煤1 763.95 kg。

3)通過圍護結構保溫及蓄熱技術和太陽能利用技術單位建筑面積的增量成本總計增加了337元，其投資回收期為10年左右。

4)以上的各種計算都是基于農宅所有室內溫度為18 ℃的條件下，而目前農村住宅的現狀仍采用煤爐采暖，并且到了冬季只給一個房間(主要活動房間)供暖，其他房間不采暖。這就導致有煤爐的房間室內溫度能達到18 ℃左右，而其他房間在10 ℃左右，由于圍護結構不保溫，甚至會出現結露現象。經過調研一般只給一個房間供暖的農宅一個采暖期耗煤量為3 t～5 t煤，如果給所有房間都供暖，則可達到8 t～10 t左右。

5)干旱區農村綠色建筑節能技術的利用，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量，因此綠色建筑技術可在西北農村推廣使用。