代谢分析与生态设计研究报告——论文

仁里村代谢分析与生态设计研究报告摘要随着新农村的改造建设，农村居民的生活方式、生产劳作方式以及居住环境均发生了巨大的变化。但是，大多数新农村改造项目中的建筑设计和理念仍然采用以往商品房模式化的建设，这种商品房模式破坏了当地生态环境，严重违背了新农村绿色生态科学发展观的根本原则，而农村的生态环境是农业生产和农业发展最基本的载体，这种模式显然无法适应农村的实际需要，更不能满足农民的需求。另外，根据2010年完成的第一次全国污染源普查显示:我国农村的污染排放已经占到了全国总污染的一半之多。不仅如此，农村日益恶化的生态环境导致水旱灾害多发，严重影响了农民的生活质量，降低了农民参与新农村建设的积极性; 影响了农业的可持续发展，最终影响到中国农业的国际竞争力。因此，解决农村生态环境的恶化问题，加强对农村生态环境保护工作的研究，对农村整个生态环境的可持续发展有着重要的意义1。本文主要针对济南市仁里村的新农村改造项目进行实地调研和具体分析研究。以济南市和仁里村的概况调研为出发点，从仁里村现在现有的改造用的建筑与社区的环境中，分析存在的绿色生态问题以及解决这些问题的方法，结合当地村民对于住宅和环境的需要，并对国内新农村改造中的绿色生态设计的进行案例分析，借鉴他们的成功经验，并且分析案例的不足之处。根据以往的经验和出现的问题，研究和探讨新农村改造中的住宅和景观在节能、少费等方面的绿色生态设计的方法，文章从新农村改造中整体规划、住宅设计、物质代谢、可再生资源等几个方面对新农村改造后的社区的节约能源的方式进行了研究。关键词：生态，新农村，改造设计，水田共生，物质循环1.1研究背景1.1.1仁里村概况仁里村位于山东省济南市仲宫镇锦绣川乡，东临滩九路，是市区通往南部山区的主要干道，交通便利，距市区14km，属于城市近郊村类型。四周山峦缠绵，风景秀丽，北依麒麟山、桃花谷，南接锦绣川风景区。可耕种土地400亩，山林资源3000亩。仁里村人口280人，60岁以上老人占70余人，外出打工者170人左右，多为青壮年及其子女。3至15岁适龄上学孩子在30人左右，分别在周围村庄上学。村庄经济欠发达，公共服务设施与市政基础设施建设较为落后，现状民居以单层为主，无价值突出的历史建筑或文物建筑。农业以家庭为单位的传统耕作方式为主，村域内果树山林资源丰富。1.1.2城市郊区农村生态环境存在的主要问题（1）城市产业转移的工业性污染工业性污染主要是指工业生产中产生的“三废”（废水、废渣、废气）以及噪声等。随着工业化时代的到来，大量的工企业逐步从城市转移到了郊区。加之，地方政府为追求经济发展，近郊农业生产区域也开始大力招商引资。工企业能促进当地经济发展虽已成为全民共识，但GDP光鲜背后却是严重的环境污染引发的民众生存危机。当这些工企业生产所排放的污染超过了当地生态环境的最大承载力时，就会污染当地居民的居住环境，进而影响居民的身心健康，造成严重后果。比如湖南、陕西、云南等地的农民“血铅中毒”、“氟超标”等事件，这些事件的发生，足以引起我们的警惕。（2）近郊农村生态环境的化学性污染化学性污染主要是指在生产过程中，农民为了提高农产品的产量，采用不合理的生产方式，导致的农业污染、化肥污染、污水灌溉污染等。当前，我国农业施肥普遍存在氮肥、磷肥和钾肥比例失调的问题，不合理的施肥，使得未被完全利用的氮肥和磷肥随农田径流进入水体，造成河流、湖泊等水体的富营养化。另外，农膜成为农业污染源的新面孔。农膜可以达到土地增温、保肥、增产等效果，但如果对这些农膜没有及时回收处理，残留在土壤里的塑料农膜将极大地恶化土壤结构，这将严重危害农村的自然生态系统。（3）近郊农村的生活性污染生活性污染主要是指农民正常生活所产生的垃圾。随着市场化逐渐渗透到农村，原本以城市为主要流通渠道的玻璃、电池、塑料袋等生活物品也慢慢在农村市场随处可见，这导致农村生活垃圾急速增加。同时，为解决农村生活污染提供技术支撑的防治管理体系尚未建立健全，农村产生的日常生活垃圾大多由于基础设施的缺失而直接扔到地里待其自然消化。据相关数据显示: 我国每年产生的约为1.2亿吨的农村生活垃圾几乎全部露天堆放，每年产生的超过2500万吨的农村生活污水几乎全部直排，这使农村聚居点周围的环境质量严重恶化。这也是导致农村生态环境恶化的重要因素。图1.1 新农村拆除造成的资源浪费2.1能源代谢分析据2013年国家统计局数据显示，一个普通农村家庭一年的能源消耗量为1117.2kg标准煤，人均384kg标准煤。另据2013年全国农村能源调研结果表明，农村耗能方式主要包含两个方面：第一个方面生物质能，包含沼气家禽粪便，柴薪，秸秆等共占61%，煤炭占15%，电力占11%；第二个方面，液化石油、热力、太阳能、管道气占13%。中国人均能源消耗量已经达到世界平均水平，但仅为美国的30%。进入21世纪以来，中国人均一次能源消费量年均增速为7.35%，远高于世界同期1.19%的平均水平。图2.1村庄耗能方式2.1.1太阳能技术根据方案设计，太阳能光伏板的布置方式有两种：一种是只在主屋的南向布置太阳能板，另一种是主屋和加建的房屋都布置太阳能板。发电量计算公式：适合太阳能光伏的面积计划面积使用率户数电力生产力发电量（冬季略小于夏季）A：主屋布置太阳能板（66）60%152200kwh/656690kwhB：主屋和加建房屋都布置太阳能板（664.564.510.5）60%152200kwh/2010960kwh光伏板的倾角即为太阳法线与地面夹角：90（夏至、冬至正午太阳高度角之和）：90（7753.5）25图2.2太阳能技术2.1.2水资源仁里村处于华北地区的大环境下，华北地区的农业发展面临严峻的形势。农业灌溉方式主要还是利用地下水，这种掠夺式的开采方式没有得到根本的改变，华北地区的农业生产所取得的成就所付出的代价是惨重的。要合理利用水资源，做好农田水利基础设施建设，发展节水农业生态模式。据数据统计，2013年全国人均需水量46.36m，日需水量为127L，如果在屋顶和庭院可利用的部分采用节水技术的话，每平米一年大概可以收集950升雨水，一个宅基地可利用的面积是200，则可供约4个居民日常使用。水平衡计算公式：（雨水收集面积降雨量）-（人口人均年耗水量）水平衡仁里村一共有152户家庭，280位村民，则整个村庄一年的雨水收集量总计：28880m，一年的中水量为46.360.8528011033.68m，整个村庄一年的生产灌溉用水约为13436.02m。因此，生活灌溉用水仅靠雨水收集和中水处理两种方式基本满足需求量的94%，差值为3543。42m，需外界供给3543。42m，中水站的储水池大小至少为150m。图2.3生产生活用水图2.4水量计算2.1.3 温室种植与水田共生我们的方案计划将仁里村改造成在当地的一个以社区为基础的农业与居住村落，确保此地的资源供应和可持续发展。我们不是在为自己的家服务，而是为我们设想一个可以服务于我们的家。与传统的陆生农业相比，水田共生农业有百分百有机的食物供应能力，在相同的条件下，将产量提高十倍。水田共生体系促成了一个更有效并且百分百有机的食物供应链，应用水田共生体系我们可以降低土地使用率达98%，与此同时，减少水资源消耗量达90%，通过从农场至餐桌的整合性概念减少传输的方式，节省的空间可以用来维持生物多样性和土地的永久培养。满足一个人实物需求的温室面积是20，则整个村庄所需温室面积为：280（人口数）205600。温室的主要生产模式是水田共生，并建立了和主宅之间的通风系统，夏季会有效降低室内的温度，冬季又会有效集热，将热量传递到住宅内。图2.5 温室种植方式主要分为三种：屋面种植、垂直种植和温室种植（水田共生），由于采用的是定制型的装配式住宅，住户可根据自己的需求和能力选择不同的种植方式，给予他们充分的自由度。屋面种植（1478.34） 传统地面种植（13288） 阳台种植（240）密集种植（3912.44）整个村庄还是以传统的地面种植为主，配以高度个性化的屋面种植以及阳台种植，另外在以密集种植为主的大棚区域，日后可以开发成旅游采摘园区等旅游产业，促进仁里村的经济蓬勃发展。图2.6种植方式图2.7种植面积2.1.4沼气技术农村一户家庭每天约需1.4m沼气，则整个村庄每天约需212.8m沼气。如若采用高效的玻璃钢沼气池，根据中华人民共和国国家标准：户用沼气池标准图集（GB/T 4750-2002）计算，沼气池总占地面积不小于366。图2.8沼气池计算一年的排泄物按理想状态算是182.5250036.580912.5525=533082.5kg/a沼气产量：182.52500（人）0.43+36.511（猪）0.42+912.5300（鸡）0.49+231000.45=166.671000m1m沼气，产生3.42Kg沼渣，产生2.28Kg沼液。产生的沼渣为500.011000Kg，沼液为3801000Kg（1）沼渣本案中需要的沼渣为200020148.58/666.7+9001942.98/666.7+15001500/666.7=66.441000Kg500.011000Kg（2）沼液本案中需要的沼液为175020148.58/666.7+25003912.44/666.7=67.561000Kg3801000Kg图2.9沼气产量图2.10 沼气池设计2.1.5物质循环物质循环主要是两种途径，一是水资源通过自来水、电力等，转换为整个村庄日常生产生活用所需的用水量，使用过后产生的灰水，通过废水回收站又可以用于沼气池的生产；二是能源方面，同样是经过沼气池的回收利用，又受用与人们的生产生活中。图2.11 物质循环示意图3.1住宅节能设计3.1.1屋顶节能设计我国传统农村住宅屋顶构建型式大多是坡屋顶，但随着建筑技术的发展和建筑模式化的要求，我国农村住宅屋顶的处理方式几乎全部变成了平屋顶。从建筑构造角度上分析，首先，这种做法虽然有利于提升施工速度，但平屋顶比坡屋顶更不利于防水，更易出现裂缝和漏水现象。其次，平屋顶的形式，不仅让住宅造型外观呆板不美观，并且屋顶的保温隔热性能也不理想，不利于农村住宅的节能环保，因此本文通过以下几点措施的提供，来达到节约能源的效果。（1）屋顶节能保温材料的选择屋顶保温层宜选用导热系数较低、容重较小的保温材料，而且吸水率不宜太高，这样可以避免由于大量吸水而导致保温效果的下降。保温材料应选用绝热性能好的复合材料，如聚苯板、岩棉板、玻璃棉等作保温层，同时使用本地较丰富的天然资源，不仅节省建筑成本，同时更适应当地的气候条件。如在我国长江地区的农户，可以一长江淤泥沙为原料，加上粉煤灰和其他胶结材料等做成地方性的节能屋顶，并对其厚度进行热工计算，从而使屋顶的保温隔热效果达到最佳。（2）屋顶隔热层的铺设屋顶节能隔热的一项重要举措便是隔热层的铺设，通过隔热层的铺设使屋内热源与室外空间产生隔断，达到绝热节能的目的。将屋顶设架空隔热层，隔热层内填充绝热保温材料，如玻璃棉、岩棉等，使架空的隔热层与屋顶保持250mm的距离，提升屋顶的隔热、散热、通风等效果，也可在屋面的基层铺设一层铝箔材料，则可利用其第二次的反射作用，使屋顶的隔热节能效果进一步改善。（3）屋顶绿色植被种养通过在农村住宅屋顶种养绿色植物，尤其采用灌草结合的植被布置，夏天遮挡太阳辐射光来减少屋顶的受热量，达到遮阳、保温、隔热的效果，冬季植物落叶后太阳光可直照屋顶，为房屋补充能量;同时还可以改善住区的生态环境，收到节能环保与生态绿化的双重功效。但由于农村住宅普遍存在排水不畅的情况，应注意在施工时对四周围护墙、泄水管及排水管的有效处理。3.1.2采用新型外墙节能保温材料我国墙体维护结构的节能设计始于70年代，由于当时墙体保温节能技术的不够成熟，广大农村住宅多采用内保温法，随着墙体保温技术的完善与创新，外墙保温的潜在效益被逐渐挖掘，可操控性也在不断的得到加强。目前针对农村住宅较为成熟的外墙保温节能方法土要有:（1）外墙节能材料的选择与使用我国传统农村住宅墙体材料多选用石块、石板、粘性土、沙等，由于隔热保温效果好，使得其在广大农村住宅中普遍使用。然而其对生态环境的破坏也是有目共睹的，因此，推荐使用新型的节能保温材料，如岩棉、矿棉、玻璃棉、阻燃型发泡聚苯乙烯和聚氨醋等都是优良的绝热材料;在使用上，可将几种材料搭配使用，通过保温材料的组合使用使其总体性能得到加强;同时，在施工时应避免系统保温材料与主体结构复合不当所造成的影响，即环境湿度对保温材料产生的破坏。（2）采用“集热型节能墙体”设计传统的集热蓄热墙工作原理是，当室温较低时，打开通风口内外门，使集热蓄热墙以直接环流进行工作。当人们感到室温较舒适时，关闭通风口内侧盖板，打开外侧盖板，将多余的热能贮存于墙体内。入夜或阴天时，关闭通风口外侧盖板，打开内侧盖板，贮热墙释放能量以保持室温。这样的集热蓄热墙有很大的蓄热表面积，故而太阳能利用率较高，且使用操作又较普通花格蓄热墙方便。在有条件的地区推荐使用“集热型节能墙体”，即墙体外侧用玻璃覆盖，两者之间有空隙，透过玻璃进入的太阳光被储存在墙体中，考虑到夏季阳光照射时间长、强度大，可在窗上设光电遮阳板，既起到遮阳作用，也可回收能量，实验证明在朝向较好的地区可节能50%以上。图3.1集热蓄热墙工作原理（3）采用被动蓄热墙体节能保温考虑到我国广大农村地区居住较分散，地域较开阔的特点，故应减少冬季北风对住宅的影响，北墙须采取封闭式设计，南墙则较为开敞。通过使用最佳热工计算，确定南向窗台高度及开窗大小，当太阳光照到深色墙面上(一般为实体墙)，使墙壁产生升温，升温后的墙壁加热了玻璃与墙中间的空气，空气受热膨胀，密度降低，产生自然压差，被加热的空气从墙体上方通道流进室内，室内冷空气被抽出，使屋内能接受充足的阳光辐射，给室内补充热量，并利用室内的竖向蓄热墙体和蓄热地板进行蓄热，夜间再由蓄热体将热量释放，可使室内温度保持相对稳定，减少能量的消耗。图3.2农村生态建筑夏季节能示意图图3.3农村生态建筑冬季集热示意图3.1.3地下构筑物节能举措自古以来，我国农村住宅就有利用地下空间的传统，使用最为普遍的一种形式便是地窖，地窖不仅可以置物储粮，同时也是夏日避暑的首选场所。因而，对农村住宅中地下空间的利用与开发将直接影响到我国能源的利用与节约。随着科技的不断创新与发展，农村住宅地下空间的利用方式在逐渐增多，构造技术也在不断创新。在当前我国能源紧缺的状况下，农村住宅应充分利用地下空间来减少能源的使用。比如可利用地下水体降温节能。地下水具有冬暖夏凉四季恒温的特点，而水体降温是通过热空气与水体的热交换来降温的，考虑到农村地下水源较充足，应充分利用水体来达到降温致冷的效果。水温空调利用地下水作为换热介质比常规空调具有更高效能比，运行费用低，只有一般空调的1/10，并且没有任何化学污染及废气排放。等量取水、还水、不浪费、不污染地下水源。水温空调是一种生态、环保的节能技术，在农村具有较大的推广价值。农户可在地下室构建过程中加强地下室的防水、渗漏处理，由于这种方法具有更高的能效比，成本与运行费用均较低，很适合在经济不太发达的农村地区推广。4.结语文章所论述的生态理念和绿色理念并不是现今社会新的思维，从人类认识到打开窗户就能够通风，可以改善住房的通风，调节室内的温度开始就已经存在。在设计的时候，应该将绿色生态理念作为一个整体，考虑到如何建造一个有利于维持与自然和谐相处的建筑及环境。最重要的是真正的创新应该是认真研究绿色生态理念在设计