農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]針對農村地區水資源短缺且單體農宅缺少適宜的雨水利用方案的問題，提出一種適用于農村坡屋頂建筑的雨水收集利用綜合設計策略，并選取成都平原一典型農村住宅為研究對象，對其雨水收集及降碳利用進行應用研究及經濟效益分析。

[關鍵詞]農村建筑； 雨水回收； 節能降碳； 噴淋降溫

[中國分類號]X171.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

我國水資源的利用率低、供需矛盾大的問題突出，特別是農業等重點領域水資源利用水平偏低［1］。因此提高水資源利用率，建設節水型社會已成為必然發展趨勢。另一方面，由于我國地形地貌復雜多樣，水資源分布不均衡，而農村建筑分布較分散、距離較遠，導致自來水供水管網系統建設難度較高［2］。因此，對農村建筑的雨水進行收集利用具有重要意義。

此外，我國節能減排形勢日漸嚴峻［3］。雙碳戰略政策提出了要積極采用新技術、新工藝提升農村綠色低碳發展質量，推進綠色節能村居建設等要求［4］。研究表明收集雨水對屋面進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］。針對農村地區典型建筑的雨水收集利用進行策略設計，可提高水資源利用效率，有助于加快達成“雙碳”目標與完成農村節水型社會建設。

1國內外雨水利用技術發展現狀

1.1國外雨水利用現狀

當前，國外對于城市水資源的研究較為廣泛，尤其是日本、德國、美國等發達國家，通過建立屋頂儲水系統、雨水滲入系統等來對雨水進行開發和利用。

1.1.1日本

作為一個淡水資源極為缺乏的國家，日本對雨水資源的收集和利用高度重視。加之20世紀50～70年代，日本對水資源的大力開發，導致地面下沉、污染嚴重等問題。在20世紀80年代，日本推行了雨水貯留滲透計劃。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節池，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重視非工程的生態技術開發和應用，致力于將雨水利用技術與植物景觀等結合，注重植物營造環境和造景作用。美國利用雨水花園、可滲透路面、生態屋頂等方式構建都市自然排水系統，對雨水進行利用［7］。

1.1.3德國

德國從20世紀80年代初開始發展城市集雨系統，是歐洲最早研究雨水資源利用技術的國家之一。從1989年制定屋面雨水利用設施標準開始，到如今已建立了標準化的雨水利用技術產業鏈。早在1999年德國境內已有100多家從事集雨系統設計安裝的公司，德國大量的多層小樓，例如學校、工廠、住宅樓都安裝了集雨系統［8］。

1.1.4新加坡

新加坡是全球為數不多的實現大面積覆蓋的雨水收集的國家。早在20世紀70年代末，新加坡就通過清理城市排水溝實現了雨水初步收集利用，并在21世紀以來對雨水收集系統進行了升級改造［9］。雨水流經河流、小溪和溝渠進入蓄水池并儲存；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存量，確保各水池的蓄水能力實現最大化［10］。

1.2國內雨水利用現狀

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，并且仍處于對國外的模仿和學習階段。自2015年起，財政部、住建部、水利部先后在全國30個城市開展國家海綿城市建設試點，雨水處理思路從專注于排水轉變為重視雨水再利用技術［11］。

1.2.1廈門

廈門是我國于2015設定的第一批海綿城市建設試點城市。迄今為止，廈門以“滲、滯、蓄、凈、用、排”［12］六大方面工程內容為基礎，實現了雨水利用從部分區域試點到市內全域的轉變，逐步形成了“全市域推廣、全流程管控、全社會參與”的海綿城市建設新格局［13］。

1.2.2北京

北京自2016年起正式啟動國家海綿城市試點建設，海綿城市建設面積達標率由2016年的11%提升至2019年的18%，建設效果十分顯著［14］。北京的雨水利用方式主要采用設置屋頂雨水收集系統和庭院雨水收集系統，修筑大量透水性路面，修建下凹式綠地，建設地上或地下儲水設施等［15］。

1.2.3上海

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

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

2四川農村屋頂雨水可收集利用潛力調研

2.1四川地區雨水氣候

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

2.2四川農村建筑屋頂情況

四川地區農村自建房多設計為坡屋頂以減少屋面積水對建筑的破壞［15］。坡屋頂能最大化收集雨水，且具備對雨水進行高效收集的優越條件。

2.2.1農村屋頂形式及屋面跨度

四川農村坡屋頂數量超過50%，三成左右的住宅屋頂形式為平屋頂。極少數屋頂形式為平坡混合式，主要是由不同時期對院落進行的加減而形成的［17］。以成都市為例，成都市郫都區戰旗社區的雙坡屋面跨度為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

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

2.2.3屋頂排水措施

農村住宅屋頂面積小，排水組織簡單。早期的農村住宅一般采用自由落水，近年來由于經濟的發展，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，四川農村現有建筑屋頂的坡度、材料等都具備一定的集雨能力，雨水收集利用的潛力很大。

3農村屋頂建設存在的問題及屋頂雨水利用策略研究

農村坡屋頂建筑能一定程度上改善頂層室內熱環境，在節能的同時增加閣樓空間。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，嚴重降低了農村住宅的使用效率，造成了空間浪費。

為解決農村地區水資源短缺，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村單體坡屋頂建筑的雨水收集利用綜合設計策略。通過收集屋頂雨水至閣樓內的蓄水箱儲水，而后蓄水箱內雨水經過管道下落沖刷水輪機發電，實現屋面雨水重力勢能的利用。在夏季高溫時段，蓄水箱中收集的雨水通過抽水泵對屋面進行噴淋降溫。圖1給出了屋頂雨水收集利用流程。該系統以雨水收集為前提，勢能轉換為核心，同時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示意圖。圖2（a）的雨水收集系統設計在農村坡屋頂建筑屋檐處設置有坡度的集水槽。降雨時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落入水管。由于前期降雨為徑流污水，水質受屋面材料、當地氣候等因素影響，含有一定量的雜質，較為渾濁［20］，故前10 min的雨水通過電動閥門控制進行棄流。降雨10 min后，電動控制閥門關閉棄流線路，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，實現雨水從低位流入到高位，將雨水引入屋頂閣樓設置的蓄水箱。蓄水箱中的水位高低由浮球閥控制，當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。當水位降低到指定高度時，浮球控制排水閥門關閉。該裝置能通過蓄水來防止雨水較小或不連續時系統發電效率受影響。

3.2雨水發電利用

雨水發電主要通過利用雨水收集系統中蓄水箱中儲存的雨水重力勢能。當蓄水箱中浮球隨液面上升達到指定高度時，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發電。當浮球隨液面下降而降至指定高度時，通過浮球控制排水閥門關閉，停止排水發電。通過浮球閥控制蓄水箱出水與排水，達到自動化高效發電的目的。雨水發電產生的電能儲存于蓄電池中，不僅能供系統自身運作，還能為家庭提供室內室外照明所需電能。

3.3雨水回用策略

雨水回用策略提出利用儲存的雨水對屋面進行噴淋降溫。通過降低夏季農村建筑屋面溫度，改善頂層房間室內熱環境。圖2（b）為屋面噴淋降溫流程示意圖。當夏季屋頂外表面溫度探頭感知溫度高于43 ℃時［5］，PID溫度控制器啟動水箱內的噴泉泵，抽送水箱內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，達到改善室內熱環境的效果。

4農村坡屋頂建筑雨水收集利用的經濟性分析

4.1典型農村自建房雨水收集利用定量研究

農村坡屋頂雨水收集及利用系統可提升可再生能源利用效率，改善農村建筑的居住環境，但系統的應用會增加一定的初投資。為定量分析該系統的經濟性，選取成都平原一典型農村自建房作為研究對象，對該系統應用進行研究。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的水平投影面積和屋頂排水溝的設置相關［21］。研究建筑整個屋頂的水平投影面積可作為集水面積，屋面有效集水面積約為95 m2。由于研究區屬四川盆地中亞熱帶濕潤季風氣侯區，四季分明，降雨量豐富，根據氣象站數據可得多年平均降雨量［22］為1 243.80 mm。

系統雨水收集總量可由式（1）、式（2）計算

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，進一步得出系統雨水收集總量為1.182×105 kg。

根據GB 50400-2016《建筑與小區雨水控制及利用工程技術規范》公式5.3.5［23］，得出系統初期棄流的雨水流量可由式（3）計算。

Wi=10×δ×F（3）

式中：Wi為設計初期徑流棄流流量（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）。

計算中初期徑流厚度取2 mm，F=0.0095 hm2計算，可得初期徑流棄流流量為0.190 m3。進而得到一次初期棄流的雨水總質量為190 kg。考慮到四川地區降雨頻率高，雨水初期棄流次數取一年100次，因此系統年雨水收集總質量為9.92×104 kg。

系統收集的雨水總勢能和總發電量可由式（4）計算：

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計算，可得雨水重力勢能總計為6.562×103 kJ。所選水輪機機械效率為75%，可得儲存在蓄電池中的電能E1為1.367 kW·h。

4.2系統經濟性分析

系統的經濟效益主要來源于雨水產生的電能以及在噴淋降溫系統的運行下減少的空調使用能耗。儲存在蓄電池中的電能可減少建筑對傳統電網功能的依賴，提高能源的靈活性。而在夏季高溫天氣，噴淋降溫系統通過蒸發帶走大量屋面熱量，從而減少建筑空調設備使用能耗。以圖3所示建筑為例，根據四川建材網［24］2021年11月發布的市場價信息，安裝該系統所需的材料用量及成本價格為705.76元。

系統節省的能耗可由式（5）計算：

Ek=qc×S/（COP×t）（5）

式中：Ek為空調節省的能耗（kW·h）；qc為空調冷負荷指標，根據15K519《暖通空調設計常用數據》取qc=100 W/m2；S為制冷面積（m2），取80 m2；COP為能效比，取3.5；t為制冷時間（h）。

按照從7～8月每日噴淋降溫2 h計算，一年里能夠降低的空調能耗為274.285 kW·h。因此，系統產生的電能與降低的空調能耗總和為275.652 kW·h，以0.62元/kW·h計，一年能節省的電費為170.90元。

依據每年節省的電費和該系統成本費用，由式（6）計算系統的靜態投資回收期：

T=K/M（6）

式中：K為該系統成本費用（元）；M為該系統一年能節省的電費（元）。

該系統的投資回收期為4.13年，此后每年能夠節省170.90元。

5結論

本文針對農村坡屋頂建筑設計了一種雨水收集利用系統，不僅能夠緩解農村地區用水問題，減少建筑內電能的使用，還可在夏季高溫時段改善建筑熱環境。該農村雨水收集利用策略有著很高的利用價值，有助于加快農村節水型社會建設，實現農村的生態文明建設和高質量發展。

參考文獻

［1］吳函純. 淺析我國水資源可持續發展的現狀［J］. 國土與自然資源研究， 2019（3）： 5-6.

［2］王戴薇， 呂祖軍. “碳達峰、碳中和”背景下的低碳建筑研究和運用［J］. 中國工程咨詢， 2021（12）： 50-54.

［3］平新喬， 鄭夢圓， 曹和平. 中國碳排放強度變化趨勢與“十四五”時期碳減排政策優化［J］. 改革， 2020（11）： 37-52.

［4］楊繼富， 李斌. 我國農村供水發展現狀與發展思路探討［J］. 中國水利， 2017（7）： 23-25.

［5］馮智慧， 梁彩華. 農村住宅雨水回收利用系統及其節能效果分析［J］. 建筑熱能通風空調， 2019，38（9）： 81-85.

［6］米文靜， 張愛軍， 任文淵. 國外低影響開發雨水資源利用對中國海綿城市建設的啟示［J］. 水土保持通報， 2018，38（3）： 345-352.

［7］程江， 徐啟新， 楊凱， 等. 國外城市雨水資源利用管理體系的比較及啟示［J］. 中國給水排水， 2007（12）： 68-72.

［8］朱貴良， 段志偉. 城市雨水資源綜合利用研究［J］. 科技進步與對策， 2003，20（5）： 53-55.

［9］高建文， 馬歡， 楊婷. 新加坡城市供水模式及借鑒意義［J］. 中國水利， 2017（13）： 47-50.

［10］屈強， 張雨山， 王靜， 等. 新加坡水資源開發與海水利用技術［J］. 海洋開發與管理， 2008（8）： 41-45.

［11］財政部網站. 2015年海綿城市建設試點名單公布［J］. 建筑節能， 2015，43（5）： 110.

［12］王寧， 吳連豐. 廈門海綿城市建設方案編制實踐與思考［J］. 給水排水， 2015，51（6）： 28-32.

［13］吳連豐. “廈門市城市規劃設計研究院海綿城市規劃與實踐專欄”開欄語［J］. 給水排水， 2019，55（11）： 45-56.

［14］李其軍， 潘興瑤， 楊默遠. 北京海綿城市建設中的關鍵問題探討［J］. 北京水務， 2020（3）： 10-13.

［15］鐘春節， 呂永鵬， 楊凱， 等. 國內外城市雨水資源利用對上海的啟示［J］. 給水排水， 2009，45（S2）： 154-158.

［16］申子辰. 海綿城市理論下四川盆地雨水花園植物的選擇與應用研究［J］. 花卉， 2019（14）： 98-99.

［17］馬潔好. 成都平原農村住宅坡屋頂設計研究［D］. 成都： 西南交通大學， 2015.

［18］王文卿， 周立軍. 中國傳統民居構筑形態的自然區劃［J］. 建筑學報， 1992（4）： 12-16.

［19］徐其態. 農村住宅屋頂適應性研究［D］. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學， 2010.

［20］曹秀芹， 車武. 城市屋面雨水收集利用系統方案設計分析［J］. 給水排水， 2002（01）： 13-15.

［21］李春光. 屋面雨水收集系統［J］. 凈水技術， 2006（3）： 74-75.

［22］王佳運， 張茂省， 賈俊， 等. 都江堰中興鎮高位滑坡泥石流災害致災成因與發展趨勢［J］. 西北地質， 2014，47（3）： 157-164.

［23］中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑與小區雨水控制及利用工程技術規范：GB50400-2016［S］. 北京： 中國建筑工業出版社， 2016.

［24］材價數據半月報_四川材價網［EB/OL］. http：//www.scscjw.com/sccj_sy.aspx.