農(nóng)村坡屋頂建筑雨水收集利用策略及效益分析

黃蘭, 李佳潔, 陳鑫, 鄭云珂, 簡玉彬, 李藝

[摘要]針對(duì)農(nóng)村地區(qū)水資源短缺且單體農(nóng)宅缺少適宜的雨水利用方案的問題，提出一種適用于農(nóng)村坡屋頂建筑的雨水收集利用綜合設(shè)計(jì)策略，并選取成都平原一典型農(nóng)村住宅為研究對(duì)象，對(duì)其雨水收集及降碳利用進(jìn)行應(yīng)用研究及經(jīng)濟(jì)效益分析。

[關(guān)鍵詞]農(nóng)村建筑； 雨水回收； 節(jié)能降碳； 噴淋降溫

[中國分類號(hào)]X171.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

我國水資源的利用率低、供需矛盾大的問題突出，特別是農(nóng)業(yè)等重點(diǎn)領(lǐng)域水資源利用水平偏低［1］。因此提高水資源利用率，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)已成為必然發(fā)展趨勢。另一方面，由于我國地形地貌復(fù)雜多樣，水資源分布不均衡，而農(nóng)村建筑分布較分散、距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致自來水供水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)難度較高［2］。因此，對(duì)農(nóng)村建筑的雨水進(jìn)行收集利用具有重要意義。

此外，我國節(jié)能減排形勢日漸嚴(yán)峻［3］。雙碳戰(zhàn)略政策提出了要積極采用新技術(shù)、新工藝提升農(nóng)村綠色低碳發(fā)展質(zhì)量，推進(jìn)綠色節(jié)能村居建設(shè)等要求［4］。研究表明收集雨水對(duì)屋面進(jìn)行噴淋降溫可降低屋頂外表面溫度5.7 ℃，從而有效降低建筑能耗［5］。針對(duì)農(nóng)村地區(qū)典型建筑的雨水收集利用進(jìn)行策略設(shè)計(jì)，可提高水資源利用效率，有助于加快達(dá)成“雙碳”目標(biāo)與完成農(nóng)村節(jié)水型社會(huì)建設(shè)。

1國內(nèi)外雨水利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國外雨水利用現(xiàn)狀

當(dāng)前，國外對(duì)于城市水資源的研究較為廣泛，尤其是日本、德國、美國等發(fā)達(dá)國家，通過建立屋頂儲(chǔ)水系統(tǒng)、雨水滲入系統(tǒng)等來對(duì)雨水進(jìn)行開發(fā)和利用。

1.1.1日本

作為一個(gè)淡水資源極為缺乏的國家，日本對(duì)雨水資源的收集和利用高度重視。加之20世紀(jì)50～70年代，日本對(duì)水資源的大力開發(fā)，導(dǎo)致地面下沉、污染嚴(yán)重等問題。在20世紀(jì)80年代，日本推行了雨水貯留滲透計(jì)劃。1980年起，日本在城市停車場、庭院、綠地等大面積場所修建了大量的雨水調(diào)節(jié)池，用于收集雨水、貯存和滲流［6］。

1.1.2美國

美國的雨水利用技術(shù)重視非工程的生態(tài)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，致力于將雨水利用技術(shù)與植物景觀等結(jié)合，注重植物營造環(huán)境和造景作用。美國利用雨水花園、可滲透路面、生態(tài)屋頂?shù)确绞綐?gòu)建都市自然排水系統(tǒng)，對(duì)雨水進(jìn)行利用［7］。

1.1.3德國

德國從20世紀(jì)80年代初開始發(fā)展城市集雨系統(tǒng)，是歐洲最早研究雨水資源利用技術(shù)的國家之一。從1989年制定屋面雨水利用設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)開始，到如今已建立了標(biāo)準(zhǔn)化的雨水利用技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。早在1999年德國境內(nèi)已有100多家從事集雨系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝的公司，德國大量的多層小樓，例如學(xué)校、工廠、住宅樓都安裝了集雨系統(tǒng)［8］。

1.1.4新加坡

新加坡是全球?yàn)閿?shù)不多的實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋的雨水收集的國家。早在20世紀(jì)70年代末，新加坡就通過清理城市排水溝實(shí)現(xiàn)了雨水初步收集利用，并在21世紀(jì)以來對(duì)雨水收集系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造［9］。雨水流經(jīng)河流、小溪和溝渠進(jìn)入蓄水池并儲(chǔ)存；各蓄水池之前通過管道相互連接，以平衡各蓄水池中的雨水儲(chǔ)存量，確保各水池的蓄水能力實(shí)現(xiàn)最大化［10］。

1.2國內(nèi)雨水利用現(xiàn)狀

雨水的回收利用在我國起步較晚，主要有雨水集蓄利用、雨水入滲、雨水綜合利用幾種方式，并且仍處于對(duì)國外的模仿和學(xué)習(xí)階段。自2015年起，財(cái)政部、住建部、水利部先后在全國30個(gè)城市開展國家海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，雨水處理思路從專注于排水轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾曈晁倮眉夹g(shù)［11］。

1.2.1廈門

廈門是我國于2015設(shè)定的第一批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市。迄今為止，廈門以“滲、滯、蓄、凈、用、排”［12］六大方面工程內(nèi)容為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了雨水利用從部分區(qū)域試點(diǎn)到市內(nèi)全域的轉(zhuǎn)變，逐步形成了“全市域推廣、全流程管控、全社會(huì)參與”的海綿城市建設(shè)新格局［13］。

1.2.2北京

北京自2016年起正式啟動(dòng)國家海綿城市試點(diǎn)建設(shè)，海綿城市建設(shè)面積達(dá)標(biāo)率由2016年的11%提升至2019年的18%，建設(shè)效果十分顯著［14］。北京的雨水利用方式主要采用設(shè)置屋頂雨水收集系統(tǒng)和庭院雨水收集系統(tǒng)，修筑大量透水性路面，修建下凹式綠地，建設(shè)地上或地下儲(chǔ)水設(shè)施等［15］。

1.2.3上海

上海致力于屋頂雨水收集與城市綠化相結(jié)合；利用排水路面、泵站、儲(chǔ)水池等收集雨水。綠地則以雨水入滲為主，通過降低綠地高程等收集儲(chǔ)蓄雨水［15］。

已有研究表明國內(nèi)外對(duì)雨水的利用都局限在其作為水資源的方面上，缺乏對(duì)其能量利用的研究和應(yīng)用。同時(shí)，市場上的雨水收集系統(tǒng)，大多針對(duì)建筑群或海綿城市開發(fā)，而無法適用于較為分散的農(nóng)村單體建筑。在農(nóng)村振興戰(zhàn)略的背景下，發(fā)展農(nóng)村雨水收集利用對(duì)促進(jìn)農(nóng)村綠色建筑的發(fā)展，提升農(nóng)村的宜居性具有重要意義。

2四川農(nóng)村屋頂雨水可收集利用潛力調(diào)研

2.1四川地區(qū)雨水氣候

四川地區(qū)雨水資源豐富，其中成都平原地區(qū)的氣候特點(diǎn)主要是潮濕多雨、悶熱少風(fēng)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。全年平均氣溫在16～18 ℃，極端氣溫達(dá)40 ℃以上；雨量多，大部分地區(qū)年降水量1 000～1 300 mm［16］，雨水資源豐富。

2.2四川農(nóng)村建筑屋頂情況

四川地區(qū)農(nóng)村自建房多設(shè)計(jì)為坡屋頂以減少屋面積水對(duì)建筑的破壞［15］。坡屋頂能最大化收集雨水，且具備對(duì)雨水進(jìn)行高效收集的優(yōu)越條件。

2.2.1農(nóng)村屋頂形式及屋面跨度

四川農(nóng)村坡屋頂數(shù)量超過50%，三成左右的住宅屋頂形式為平屋頂。極少數(shù)屋頂形式為平坡混合式，主要是由不同時(shí)期對(duì)院落進(jìn)行的加減而形成的［17］。以成都市為例，成都市郫都區(qū)戰(zhàn)旗社區(qū)的雙坡屋面跨度為7～9 m，都江堰市鹿池村的雙坡屋面跨度為6～8 m。

2.2.2屋頂坡度

傳統(tǒng)建筑坡屋頂坡度與降雨量等有很大關(guān)系。坡度隨降雨量的增加而增加，便于雨水迅速下落，避免在屋面上發(fā)生垂直滲透。中國傳統(tǒng)民居構(gòu)筑形態(tài)的自然區(qū)劃中［18］將屋面坡度劃分為平屋頂區(qū)（i≤10°）、緩坡頂區(qū)（10°＜i≤30°）及陡坡頂區(qū)（i＞30°）。就川內(nèi)的農(nóng)村建筑而言，屋頂坡度多為20°～30°之間，處于緩坡頂區(qū)［19］。

2.2.3屋頂排水措施

農(nóng)村住宅屋頂面積小，排水組織簡單。早期的農(nóng)村住宅一般采用自由落水，近年來由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大多在正立面方向增加天溝，使從坡屋面流下的雨水有組織地從天溝排到雨水口。

綜上可知，四川農(nóng)村現(xiàn)有建筑屋頂?shù)钠露?、材料等都具備一定的集雨能力，雨水收集利用的潛力很大?/p>

3農(nóng)村屋頂建設(shè)存在的問題及屋頂雨水利用策略研究

農(nóng)村坡屋頂建筑能一定程度上改善頂層室內(nèi)熱環(huán)境，在節(jié)能的同時(shí)增加閣樓空間。然而由于過熱問題，這一空間往往僅作為利用率低的倉庫使用，嚴(yán)重降低了農(nóng)村住宅的使用效率，造成了空間浪費(fèi)。

為解決農(nóng)村地區(qū)水資源短缺，缺少適宜的雨水利用方案及坡屋頂閣樓空間未合理利用等問題，本文提出一種適用于農(nóng)村單體坡屋頂建筑的雨水收集利用綜合設(shè)計(jì)策略。通過收集屋頂雨水至閣樓內(nèi)的蓄水箱儲(chǔ)水，而后蓄水箱內(nèi)雨水經(jīng)過管道下落沖刷水輪機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)屋面雨水重力勢能的利用。在夏季高溫時(shí)段，蓄水箱中收集的雨水通過抽水泵對(duì)屋面進(jìn)行噴淋降溫。圖1給出了屋頂雨水收集利用流程。該系統(tǒng)以雨水收集為前提，勢能轉(zhuǎn)換為核心，同時(shí)兼具屋面噴淋降溫的功能。

3.1屋面雨水收集

圖2為屋面雨水收集及噴淋降溫系統(tǒng)示意圖。圖2（a）的雨水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)在農(nóng)村坡屋頂建筑屋檐處設(shè)置有坡度的集水槽。降雨時(shí)雨水在集水槽一端匯合并通過過濾器過濾，以防止樹葉等大顆粒雜質(zhì)落入水管。由于前期降雨為徑流污水，水質(zhì)受屋面材料、當(dāng)?shù)貧夂虻纫蛩赜绊懀幸欢康碾s質(zhì)，較為渾濁［20］，故前10 min的雨水通過電動(dòng)閥門控制進(jìn)行棄流。降雨10 min后，電動(dòng)控制閥門關(guān)閉棄流線路，開啟雨水收集線路。此線路利用伯努利原理，通過減小管道口徑來增加雨水流速，實(shí)現(xiàn)雨水從低位流入到高位，將雨水引入屋頂閣樓設(shè)置的蓄水箱。蓄水箱中的水位高低由浮球閥控制，當(dāng)水位上升到一定高度后，浮球控制打開排水閥門，雨水通過排水管和落水管后排出。當(dāng)水位降低到指定高度時(shí)，浮球控制排水閥門關(guān)閉。該裝置能通過蓄水來防止雨水較小或不連續(xù)時(shí)系統(tǒng)發(fā)電效率受影響。

3.2雨水發(fā)電利用

雨水發(fā)電主要通過利用雨水收集系統(tǒng)中蓄水箱中儲(chǔ)存的雨水重力勢能。當(dāng)蓄水箱中浮球隨液面上升達(dá)到指定高度時(shí)，通過浮球控制排水閥門打開，蓄水箱中暫存的雨水通過排水立管下落沖擊水輪機(jī)發(fā)電。當(dāng)浮球隨液面下降而降至指定高度時(shí)，通過浮球控制排水閥門關(guān)閉，停止排水發(fā)電。通過浮球閥控制蓄水箱出水與排水，達(dá)到自動(dòng)化高效發(fā)電的目的。雨水發(fā)電產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存于蓄電池中，不僅能供系統(tǒng)自身運(yùn)作，還能為家庭提供室內(nèi)室外照明所需電能。

3.3雨水回用策略

雨水回用策略提出利用儲(chǔ)存的雨水對(duì)屋面進(jìn)行噴淋降溫。通過降低夏季農(nóng)村建筑屋面溫度，改善頂層房間室內(nèi)熱環(huán)境。圖2（b）為屋面噴淋降溫流程示意圖。當(dāng)夏季屋頂外表面溫度探頭感知溫度高于43 ℃時(shí)［5］，PID溫度控制器啟動(dòng)水箱內(nèi)的噴泉泵，抽送水箱內(nèi)的雨水至屋頂上方噴頭。利用雨水噴淋過程中的潛熱交換帶走熱量，達(dá)到改善室內(nèi)熱環(huán)境的效果。

4農(nóng)村坡屋頂建筑雨水收集利用的經(jīng)濟(jì)性分析

4.1典型農(nóng)村自建房雨水收集利用定量研究

農(nóng)村坡屋頂雨水收集及利用系統(tǒng)可提升可再生能源利用效率，改善農(nóng)村建筑的居住環(huán)境，但系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)增加一定的初投資。為定量分析該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，選取成都平原一典型農(nóng)村自建房作為研究對(duì)象，對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行研究。研究建筑共3層，第一、二層層高均為3.3 m，第三層為平改坡形成的隔層，隔層高為1.8 m（圖3）。

屋頂集水面積均與建筑物屋頂?shù)乃酵队懊娣e和屋頂排水溝的設(shè)置相關(guān)［21］。研究建筑整個(gè)屋頂?shù)乃酵队懊娣e可作為集水面積，屋面有效集水面積約為95 m2。由于研究區(qū)屬四川盆地中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣侯區(qū)，四季分明，降雨量豐富，根據(jù)氣象站數(shù)據(jù)可得多年平均降雨量［22］為1 243.80 mm。

系統(tǒng)雨水收集總量可由式（1）、式（2）計(jì)算

V=F×d（1）

m=ρ×V（2）

式中：F為有效集水面積（m2）；d為高度（m）；m為質(zhì)量（kg）；ρ為密度（kg /m3），水的密度取1.0×103kg/m3；V為集水體積（m3）。

計(jì)算中水的高度取平均降雨量高度1.2438 m，有效集水面積取95 m2，可得集水體積為118.2 m3，進(jìn)一步得出系統(tǒng)雨水收集總量為1.182×105 kg。

根據(jù)GB 50400-2016《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》公式5.3.5［23］，得出系統(tǒng)初期棄流的雨水流量可由式（3）計(jì)算。

Wi=10×δ×F（3）

式中：Wi為設(shè)計(jì)初期徑流棄流流量（m3）；δ為初期徑流厚度（mm），一般屋頂取1～3 mm;F為有效集水面積（hm2）。

計(jì)算中初期徑流厚度取2 mm，F(xiàn)=0.0095 hm2計(jì)算，可得初期徑流棄流流量為0.190 m3。進(jìn)而得到一次初期棄流的雨水總質(zhì)量為190 kg?？紤]到四川地區(qū)降雨頻率高，雨水初期棄流次數(shù)取一年100次，因此系統(tǒng)年雨水收集總質(zhì)量為9.92×104 kg。

系統(tǒng)收集的雨水總勢能和總發(fā)電量可由式（4）計(jì)算：

E=mgH（4）

式中：E為雨水重力勢能（J）；H為雨水下降高度（m）；g為重力加速度，取g=9.8 m/s。

按照研究建筑H取6.750 m計(jì)算，可得雨水重力勢能總計(jì)為6.562×103 kJ。所選水輪機(jī)機(jī)械效率為75%，可得儲(chǔ)存在蓄電池中的電能E1為1.367 kW·h。

4.2系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益主要來源于雨水產(chǎn)生的電能以及在噴淋降溫系統(tǒng)的運(yùn)行下減少的空調(diào)使用能耗。儲(chǔ)存在蓄電池中的電能可減少建筑對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)功能的依賴，提高能源的靈活性。而在夏季高溫天氣，噴淋降溫系統(tǒng)通過蒸發(fā)帶走大量屋面熱量，從而減少建筑空調(diào)設(shè)備使用能耗。以圖3所示建筑為例，根據(jù)四川建材網(wǎng)［24］2021年11月發(fā)布的市場價(jià)信息，安裝該系統(tǒng)所需的材料用量及成本價(jià)格為705.76元。

系統(tǒng)節(jié)省的能耗可由式（5）計(jì)算：

Ek=qc×S/（COP×t）（5）

式中：Ek為空調(diào)節(jié)省的能耗（kW·h）；qc為空調(diào)冷負(fù)荷指標(biāo)，根據(jù)15K519《暖通空調(diào)設(shè)計(jì)常用數(shù)據(jù)》取qc=100 W/m2；S為制冷面積（m2），取80 m2；COP為能效比，取3.5；t為制冷時(shí)間（h）。

按照從7～8月每日噴淋降溫2 h計(jì)算，一年里能夠降低的空調(diào)能耗為274.285 kW·h。因此，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能與降低的空調(diào)能耗總和為275.652 kW·h，以0.62元/kW·h計(jì)，一年能節(jié)省的電費(fèi)為170.90元。

依據(jù)每年節(jié)省的電費(fèi)和該系統(tǒng)成本費(fèi)用，由式（6）計(jì)算系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期：

T=K/M（6）

式中：K為該系統(tǒng)成本費(fèi)用（元）；M為該系統(tǒng)一年能節(jié)省的電費(fèi)（元）。

該系統(tǒng)的投資回收期為4.13年，此后每年能夠節(jié)省170.90元。

5結(jié)論

本文針對(duì)農(nóng)村坡屋頂建筑設(shè)計(jì)了一種雨水收集利用系統(tǒng)，不僅能夠緩解農(nóng)村地區(qū)用水問題，減少建筑內(nèi)電能的使用，還可在夏季高溫時(shí)段改善建筑熱環(huán)境。該農(nóng)村雨水收集利用策略有著很高的利用價(jià)值，有助于加快農(nóng)村節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村的生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展。

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