农村坡屋顶建筑雨水收集利用策略及效益分析

黄兰, 李佳洁, 陈鑫, 郑云珂, 简玉彬, 李艺

[摘要]针对农村地区水资源短缺且单体农宅缺少适宜的雨水利用方案的问题，提出一种适用于农村坡屋顶建筑的雨水收集利用综合设计策略，并选取成都平原一典型农村住宅为研究对象，对其雨水收集及降碳利用进行应用研究及经济效益分析。

[关键词]农村建筑； 雨水回收； 节能降碳； 喷淋降温

[中国分类号]X171.1                    [文献标志码]A

我国水资源的利用率低、供需矛盾大的问题突出，特别是农业等重点领域水资源利用水平偏低［1］。因此提高水资源利用率，建设节水型社会已成为必然发展趋势。另一方面，由于我国地形地貌复杂多样，水资源分布不均衡，而农村建筑分布较分散、距离较远，导致自来水供水管网系统建设难度较高［2］。因此，对农村建筑的雨水进行收集利用具有重要意义。

此外，我国节能减排形势日渐严峻［3］。双碳战略政策提出了要积极采用新技术、新工艺提升农村绿色低碳发展质量，推进绿色节能村居建设等要求［4］。研究表明收集雨水对屋面进行喷淋降温可降低屋顶外表面温度5.7 ℃，从而有效降低建筑能耗［5］。针对农村地区典型建筑的雨水收集利用进行策略设计，可提高水资源利用效率，有助于加快达成“双碳”目标与完成农村节水型社会建设。

1国内外雨水利用技术发展现状

1.1国外雨水利用现状

当前，国外对于城市水资源的研究较为广泛，尤其是日本、德国、美国等发达国家，通过建立屋顶储水系统、雨水渗入系统等来对雨水进行开发和利用。

1.1.1日本

作为一个淡水资源极为缺乏的国家，日本对雨水资源的收集和利用高度重视。加之20世纪50～70年代，日本对水资源的大力开发，导致地面下沉、污染严重等问题。在20世纪80年代，日本推行了雨水贮留渗透计划。1980年起，日本在城市停车场、庭院、绿地等大面积场所修建了大量的雨水调节池，用于收集雨水、贮存和渗流［6］。

1.1.2美国

美国的雨水利用技术重视非工程的生态技术开发和应用，致力于将雨水利用技术与植物景观等结合，注重植物营造环境和造景作用。美国利用雨水花园、可渗透路面、生态屋顶等方式构建都市自然排水系统，对雨水进行利用［7］。

1.1.3德国

德国从20世纪80年代初开始发展城市集雨系统，是欧洲最早研究雨水资源利用技术的国家之一。从1989年制定屋面雨水利用设施标准开始，到如今已建立了标准化的雨水利用技术产业链。早在1999年德国境内已有100多家从事集雨系统设计安装的公司，德国大量的多层小楼，例如学校、工厂、住宅楼都安装了集雨系统［8］。

1.1.4新加坡

新加坡是全球为数不多的实现大面积覆盖的雨水收集的国家。早在20世纪70年代末，新加坡就通过清理城市排水沟实现了雨水初步收集利用，并在21世纪以来对雨水收集系统进行了升级改造［9］。雨水流经河流、小溪和沟渠进入蓄水池并储存；各蓄水池之前通过管道相互连接，以平衡各蓄水池中的雨水储存量，确保各水池的蓄水能力实现最大化［10］。

1.2国内雨水利用现状

雨水的回收利用在我国起步较晚，主要有雨水集蓄利用、雨水入渗、雨水综合利用几种方式，并且仍处于对国外的模仿和学习阶段。自2015年起，财政部、住建部、水利部先后在全国30个城市开展国家海绵城市建设试点，雨水处理思路从专注于排水转变为重视雨水再利用技术［11］。

1.2.1厦门

厦门是我国于2015设定的第一批海绵城市建设试点城市。迄今为止，厦门以“渗、滞、蓄、净、用、排”［12］六大方面工程内容为基础，实现了雨水利用从部分区域试点到市内全域的转变，逐步形成了“全市域推广、全流程管控、全社会参与”的海绵城市建设新格局［13］。

1.2.2北京

北京自2016年起正式啟动国家海绵城市试点建设，海绵城市建设面积达标率由2016年的11%提升至2019年的18%，建设效果十分显著［14］。北京的雨水利用方式主要采用设置屋顶雨水收集系统和庭院雨水收集系统，修筑大量透水性路面，修建下凹式绿地，建设地上或地下储水设施等［15］。

1.2.3上海

上海致力于屋顶雨水收集与城市绿化相结合；利用排水路面、泵站、储水池等收集雨水。绿地则以雨水入渗为主，通过降低绿地高程等收集储蓄雨水［15］。

已有研究表明国内外对雨水的利用都局限在其作为水资源的方面上，缺乏对其能量利用的研究和应用。同时，市场上的雨水收集系统，大多针对建筑群或海绵城市开发，而无法适用于较为分散的农村单体建筑。在农村振兴战略的背景下，发展农村雨水收集利用对促进农村绿色建筑的发展，提升农村的宜居性具有重要意义。

2四川农村屋顶雨水可收集利用潜力调研

2.1四川地区雨水气候

四川地区雨水资源丰富，其中成都平原地区的气候特点主要是潮湿多雨、闷热少风，属亚热带季风气候。全年平均气温在16～18 ℃，极端气温达40 ℃以上；雨量多，大部分地区年降水量1 000～1 300 mm［16］，雨水资源丰富。

2.2四川农村建筑屋顶情况

四川地区农村自建房多设计为坡屋顶以减少屋面积水对建筑的破坏［15］。坡屋顶能最大化收集雨水，且具备对雨水进行高效收集的优越条件。

2.2.1农村屋顶形式及屋面跨度

四川农村坡屋顶数量超过50%，三成左右的住宅屋顶形式为平屋顶。极少数屋顶形式为平坡混合式，主要是由不同时期对院落进行的加减而形成的［17］。以成都市为例，成都市郫都区战旗社区的双坡屋面跨度为7～9 m，都江堰市鹿池村的双坡屋面跨度为6～8 m。

2.2.2屋顶坡度

传统建筑坡屋顶坡度与降雨量等有很大关系。坡度随降雨量的增加而增加，便于雨水迅速下落，避免在屋面上发生垂直渗透。中国传统民居构筑形态的自然区划中［18］将屋面坡度划分为平屋顶区（i≤10°）、缓坡顶区（10°＜i≤30°）及陡坡顶区（i＞30°）。就川内的农村建筑而言，屋顶坡度多为20°～30°之间，处于缓坡顶区［19］。

2.2.3屋顶排水措施

农村住宅屋顶面积小，排水组织简单。早期的农村住宅一般采用自由落水，近年来由于经济的发展，大多在正立面方向增加天沟，使从坡屋面流下的雨水有组织地从天沟排到雨水口。

综上可知，四川农村现有建筑屋頂的坡度、材料等都具备一定的集雨能力，雨水收集利用的潜力很大。

3农村屋顶建设存在的问题及屋顶雨水利用策略研究

农村坡屋顶建筑能一定程度上改善顶层室内热环境，在节能的同时增加阁楼空间。然而由于过热问题，这一空间往往仅作为利用率低的仓库使用，严重降低了农村住宅的使用效率，造成了空间浪费。

为解决农村地区水资源短缺，缺少适宜的雨水利用方案及坡屋顶阁楼空间未合理利用等问题，本文提出一种适用于农村单体坡屋顶建筑的雨水收集利用综合设计策略。通过收集屋顶雨水至阁楼内的蓄水箱储水，而后蓄水箱内雨水经过管道下落冲刷水轮机发电，实现屋面雨水重力势能的利用。在夏季高温时段，蓄水箱中收集的雨水通过抽水泵对屋面进行喷淋降温。图1给出了屋顶雨水收集利用流程。该系统以雨水收集为前提，势能转换为核心，同时兼具屋面喷淋降温的功能。

3.1屋面雨水收集

图2为屋面雨水收集及喷淋降温系统示意图。图2（a）的雨水收集系统设计在农村坡屋顶建筑屋檐处设置有坡度的集水槽。降雨时雨水在集水槽一端汇合并通过过滤器过滤，以防止树叶等大颗粒杂质落入水管。由于前期降雨为径流污水，水质受屋面材料、当地气候等因素影响，含有一定量的杂质，较为浑浊［20］，故前10 min的雨水通过电动阀门控制进行弃流。降雨10 min后，电动控制阀门关闭弃流线路，开启雨水收集线路。此线路利用伯努利原理，通过减小管道口径来增加雨水流速，实现雨水从低位流入到高位，将雨水引入屋顶阁楼设置的蓄水箱。蓄水箱中的水位高低由浮球阀控制，当水位上升到一定高度后，浮球控制打开排水阀门，雨水通过排水管和落水管后排出。当水位降低到指定高度时，浮球控制排水阀门关闭。该装置能通过蓄水来防止雨水较小或不连续时系统发电效率受影响。

3.2雨水发电利用

雨水发电主要通过利用雨水收集系统中蓄水箱中储存的雨水重力势能。当蓄水箱中浮球随液面上升达到指定高度时，通过浮球控制排水阀门打开，蓄水箱中暂存的雨水通过排水立管下落冲击水轮机发电。当浮球随液面下降而降至指定高度时，通过浮球控制排水阀门关闭，停止排水发电。通过浮球阀控制蓄水箱出水与排水，达到自动化高效发电的目的。雨水发电产生的电能储存于蓄电池中，不仅能供系统自身运作，还能为家庭提供室内室外照明所需电能。

3.3雨水回用策略

雨水回用策略提出利用储存的雨水对屋面进行喷淋降温。通过降低夏季农村建筑屋面温度，改善顶层房间室内热环境。图2（b）为屋面喷淋降温流程示意图。当夏季屋顶外表面温度探头感知温度高于43 ℃时［5］，PID温度控制器启动水箱内的喷泉泵，抽送水箱内的雨水至屋顶上方喷头。利用雨水喷淋过程中的潜热交换带走热量，达到改善室内热环境的效果。

4农村坡屋顶建筑雨水收集利用的经济性分析

4.1典型农村自建房雨水收集利用定量研究

农村坡屋顶雨水收集及利用系统可提升可再生能源利用效率，改善农村建筑的居住环境，但系统的应用会增加一定的初投资。为定量分析该系统的经济性，选取成都平原一典型农村自建房作为研究对象，对该系统应用进行研究。研究建筑共3层，第一、二层层高均为3.3 m，第三层为平改坡形成的隔层，隔层高为1.8 m（图3）。

屋顶集水面积均与建筑物屋顶的水平投影面积和屋顶排水沟的设置相关［21］。研究建筑整个屋顶的水平投影面积可作为集水面积，屋面有效集水面积约为95 m2。由于研究区属四川盆地中亚热带湿润季风气侯区，四季分明，降雨量丰富，根据气象站数据可得多年平均降雨量［22］为1 243.80 mm。

系统雨水收集总量可由式（1）、式（2）计算

V=F×d（1）

m=ρ×V（2）

式中：F为有效集水面积（m2）；d为高度（m）；m为质量（kg）；ρ为密度（kg /m3），水的密度取1.0×103kg/m3；V为集水体积（m3）。

计算中水的高度取平均降雨量高度1.2438 m，有效集水面积取95 m2，可得集水体积为118.2 m3，进一步得出系统雨水收集总量为1.182×105 kg。

根据GB 50400-2016《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》公式5.3.5［23］，得出系统初期弃流的雨水流量可由式（3）计算。

Wi=10×δ×F（3）

式中：Wi为设计初期径流弃流流量（m3）；δ为初期径流厚度（mm），一般屋顶取1～3 mm;F为有效集水面积（hm2）。

计算中初期径流厚度取2 mm，F=0.0095 hm2计算，可得初期径流弃流流量为0.190 m3。进而得到一次初期弃流的雨水总质量为190 kg。考虑到四川地区降雨频率高，雨水初期弃流次数取一年100次，因此系统年雨水收集总质量为9.92×104 kg。

系统收集的雨水总势能和总发电量可由式（4）计算：

E=mgH（4）

式中：E为雨水重力势能（J）；H为雨水下降高度（m）；g为重力加速度，取g=9.8 m/s。

按照研究建筑H取6.750 m计算，可得雨水重力势能总计为6.562×103 kJ。所选水轮机机械效率为75%，可得储存在蓄电池中的电能E1为1.367 kW·h。

4.2系统经济性分析

系统的经济效益主要来源于雨水产生的电能以及在喷淋降温系统的运行下减少的空调使用能耗。储存在蓄电池中的电能可减少建筑对传统电网功能的依赖，提高能源的灵活性。而在夏季高温天气，喷淋降温系统通过蒸发带走大量屋面热量，从而减少建筑空调设备使用能耗。以图3所示建筑为例，根据四川建材网［24］2021年11月发布的市场价信息，安装该系统所需的材料用量及成本价格为705.76元。

系统节省的能耗可由式（5）计算：

Ek=qc×S/（COP×t）（5）

式中：Ek为空调节省的能耗（kW·h）；qc为空调冷负荷指标，根据15K519《暖通空调设计常用数据》取qc=100 W/m2；S为制冷面积（m2），取80 m2；COP为能效比，取3.5；t为制冷时间（h）。

按照从7～8月每日喷淋降温2 h计算，一年里能够降低的空调能耗为274.285 kW·h。因此，系统产生的电能与降低的空调能耗总和为275.652 kW·h，以0.62元/kW·h计，一年能节省的电费为170.90元。

依据每年节省的电费和该系统成本费用，由式（6）计算系统的静态投资回收期：

T=K/M（6）

式中：K为该系统成本费用（元）；M为该系统一年能节省的电费（元）。

该系统的投资回收期为4.13年，此后每年能够节省170.90元。

5结论

本文针对农村坡屋顶建筑设计了一种雨水收集利用系统，不仅能够缓解农村地区用水问题，减少建筑内电能的使用，还可在夏季高温时段改善建筑热环境。该农村雨水收集利用策略有着很高的利用价值，有助于加快农村节水型社会建设，实现农村的生态文明建设和高质量发展。

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