西北地区农村绿色建筑的节能性和经济性分析★

李 明 刘 娟

(1.宁夏大学基建处，宁夏 银川 750021； 2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏 银川 750021； 4.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021)

0 引言

目前我国现有的绿色建筑技术研究，基本上都集中在城镇和经济发达地区，对农村绿色建筑的研究相对较少[1]。主要原因是由于绿色建筑初始建设或改造成本较大，在城市的推广尚且受到阻力，在经济落后的西北农村，绿色建筑的推广更是无从谈起。长期以来人们对绿色建筑的印象就是要采用高大上的新技术，但实际上绿色建筑指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源，包括节能、节地、节水、节材等，保护环境和减少污染，为人们提供健康、舒适和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑物。即占用较小的土地，利用可循环可再生的材料，通过合理的设计，使得建筑在建造和使用过程中所消耗的能源和资源达到最小，同时使建筑内的声、光、热环境达到最舒适的要求。因此只要通过合理的设计，即使前期的建造成本较大，但后期的运行费用较低，使得建筑在整个寿命周期内达到经济的目的。

绿色建筑的初投资比一般的基准建筑高出的成本称作是增量成本[2]。本文通过对西北地区一个绿色农宅的增量成本进行计算，分析其节能性和经济性。

1 绿色农宅概况

针对目前农宅建设中土地利用率偏低、建筑体形系数偏大、建筑能耗偏高等问题，对农村住宅在节地、节材、节水、节能方面分别进行了优化设计，确定出了适合西北地区的绿色农宅。农宅建筑面积为122 m2，位于宁夏银川市兴庆区海涛南村。

1.1 节地设计

绿色农宅采用两户双拼式设计，如图1所示，即两户共用一道外墙，打破了传统独户独院的农宅设计，既节省了土地，又减少了外墙，降低了建筑能耗。

1.2 节材设计

绿色建筑要求在材料选择上选用本地生产的建筑材料，最好使用以废弃物为原料生产的建筑材料。绿色农宅墙体采用的多孔煤矸石页岩砖主要以页岩、煤矸石、粉煤灰等废弃物为主要原料，规格比普通的空心砖大，尺寸为360×240×190，保温性能好，施工方便，减少了水泥砂浆的使用。

1.3 节水设计

绿色农宅每户采用地埋式污水处理设备，将生活污水处理后，用于卫生间冲厕和庭院经济灌溉，并结合喷罐系统，大大降低了水资源的消耗。

1.4 节能设计

在体型设计方面，绿色农宅采用长方形体量、轮廓规则，减小了体形系数；北向外墙设高窗采光以有效抵御冬季寒风，南向外墙设集热蓄热墙，房间入口处设附加阳光间，形成被动式太阳房，冬季保温的同时夏季也可良好通风。坡屋顶结合太阳能集热器的最佳安装角度进行一体化设计。

在空间设计方面，将卫生间和厨房等次要功能房间集中布置在北向，冬季可以作为主要功能房间的温度缓冲区。将主要起居室和卧房布置在南向，并结合西北地区农民传统的居住生活方式，将农民喜爱的炕、灶设施与太阳能热水系统实现一体化布局。

在围护结构设计中，对地面、外墙、屋顶均做了保温处理，并且在地面保温层的基础上铺设300 mm厚的卵石或沙漠砂蓄热材料，大大降低了建筑能耗，提高了房间热舒适性。

在采暖系统设计中，结合宁夏有利的太阳能资源和当地农民的生活方式，采用了太阳能+生物质炉+地热盘管的采暖系统。冬季农户利用生物质炉做饭的同时加热地热盘管，不做饭的时候利用太阳能加热，有效的降低了常规能源的使用。

2 绿色农宅节能性分析

通过对绿色农宅与1980年的对比建筑的耗热量进行比较，分析所消耗常规能源的数量，从而分析绿色农宅的节能性。

2.1 绿色农宅耗热量指标

根据《宁夏回族自治区居住建筑节能设计标准》，绿色农宅的围护结构耗热量指标可按式(1)计算：

q=qH,T+qINF-3.8

(1)

其中，qH,T为围护结构耗热量指标；qINF为空气渗透耗热量指标；3.8为住宅内部家电及人体散热产生的部分得热量。

经过计算绿色农宅围护结构的传热耗热量指标为27.35 W/m2，空气渗透耗热量指标为15.2 W/m2，则绿色农宅耗热量指标为38.75 W/m2。

2.2 绿色农宅得热量指标

通过主被动式太阳能的利用，绿色农宅在不耗常规能源的情况下增加了得热量。被动式太阳房得热量可按式(2)计算。

qu=∑ηilici

(2)

其中，ηi为集热部件热效率，%；li为采暖期内投射在集热部件所在面上的总日射辐照量，MJ/(m2·d)；ci为集热部件集热面积占总建筑面积的百分比，%。

主动式太阳能采暖系统得热量可按式(3)计算。

qs=Ac×JT×ηcd×(1-ηc)/Ao

(3)

其中，Ac为太阳能集热系统集热面积，m2；JT为采暖期太阳能集热器采光面上的总日射辐照量，MJ/(m2·d)；ηcd为太阳能集热器采暖期的平均集热效率，%；ηc为管路和水箱的热损失率，%；Ao为建筑面积，m2。

根据式(2)，式(3)计算出绿色建筑的得热量指标为1.977 MJ/(m2·d)。

2.3 绿色建筑节能性分析

用相同的方法计算出对比建筑的耗热量和得热量指标。对比建筑是按1980年的建造标准，面积及功能与绿色农宅相同，但没有南向的被动式太阳房和主动式太阳能采暖，则对比建筑耗热量指标为111.72 W/m2。

通过将绿色农宅与对比建筑的耗热量指标进行对比，计算出改善围护结构后的节能率。通过绿色农宅和对比建筑的耗热量、得热量计算出各自所需的辅助热量，通过辅助热量的对比，计算出利用太阳能后的建筑节能率，如表1所示。

表1 绿色农宅节能率计算表

3 绿色农宅经济性分析

通过对绿色农宅所采用的绿色建筑技术进行分析，主要在提高围护结构保温和蓄热性能以及太阳能利用方面增加了初投资，因此主要从这两方面进行分析。

3.1 围护结构增量成本分析

绿色农宅围护结构主要通过改善外窗、外墙、屋顶、地面的保温性能以及增加地下蓄热材料方面增加了初投资，具体计算如表2所示。

表2 围护结构造价分析表

由表2可知，单位建筑面积围护结构增量成本=16 186.1/122=133元/m2。

3.2 太阳能利用增量成本分析

绿色农宅太阳能利用主要通过增加南向阳光间、太阳能空气集热器和太阳能热水采暖集热器增加了初投资，其增加的初投资及运行费如表3所示。

表3 太阳能利用造价分析表 元

单位建筑面积太阳能利用增量成本=(27 870-3 000)/122=204元/m2。

3.3 增量成本投资回收期计算

绿色农宅增量成本的投资回收期主要通过绿色农宅增量成本与对比建筑的运行费用进行比较，分析其回收期。

增量成本投资回收期=绿色农宅增量成本/(对比建筑运行费-绿色农宅运行费)=[(133+204)×122]/(5 166-734-210)=9.7年。

因此绿色农宅增量成本的投资回收期为10年左右。

4 结语

1)通过围护结构保温及蓄热技术的实施，使得建筑围护结构节能率达到65.3%，而单位建筑面积增量成本只增加了133元/m2。通过增加少量成本，即可大幅度提高建筑的保温性能，降低建筑的能耗。

2)通过太阳能的利用，提供了建筑所需的59.1%的热量，单位建筑面积增量成本增加了204元/m2，而采暖期可节约标准煤1 763.95 kg。

3)通过围护结构保温及蓄热技术和太阳能利用技术单位建筑面积的增量成本总计增加了337元，其投资回收期为10年左右。

4)以上的各种计算都是基于农宅所有室内温度为18 ℃的条件下，而目前农村住宅的现状仍采用煤炉采暖，并且到了冬季只给一个房间(主要活动房间)供暖，其他房间不采暖。这就导致有煤炉的房间室内温度能达到18 ℃左右，而其他房间在10 ℃左右，由于围护结构不保温，甚至会出现结露现象。经过调研一般只给一个房间供暖的农宅一个采暖期耗煤量为3 t～5 t煤，如果给所有房间都供暖，则可达到8 t～10 t左右。

5)干旱区农村绿色建筑节能技术的利用，大大降低了建筑能耗，减少了碳排放量，提高了房间的热舒适性和空气质量，因此绿色建筑技术可在西北农村推广使用。