夏熱冬暖地區(qū)既有建筑屋頂節(jié)能改造策略分析★

施諾 謝瑩

(福建工程學(xué)院建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福建福州 350001)

1 概述

近年來，夏熱冬暖地區(qū)夏季空調(diào)制冷能耗量呈逐漸攀升之勢，能源的消耗使空氣中二氧化碳等污染物的含量逐漸增多，加劇了環(huán)境惡化。建筑節(jié)能改造作為節(jié)能工作的重要組成部分，是改善和提高建筑舒適性、促進環(huán)境保護、減少溫室氣體排放、降低城市熱島效應(yīng)的重要措施。屋頂作為建筑圍護結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件之一，是節(jié)能改造的薄弱部位，也是關(guān)鍵所在。

2 屋頂對建筑總能耗的影響

根據(jù)節(jié)能住宅研究機構(gòu)文獻記載，屋頂?shù)哪芎膿p失是圍護結(jié)構(gòu)中僅次于外墻、門窗及樓梯間的重要熱量損失部位。在大量的建筑中，屋頂雖然是建筑外圍護結(jié)構(gòu)表面所占面積較小的部分，但是所造成的室內(nèi)外溫差傳熱、耗熱量卻大于任何一面外墻，其表面積建筑能耗也高居整幢建筑物表面積建筑能耗比值的榜首［1］。特別是一些老舊建筑，以多層為主，屋頂占建筑外圍護結(jié)構(gòu)比例大，導(dǎo)致其對建筑總能耗的影響遠高于普通高層建筑。

在我國夏熱冬暖地區(qū)，冬季基本無采暖要求，而夏季的制冷能耗卻占總用電量的一半。因為夏季屋頂吸收大量的太陽輻射熱，使水平屋面的表面空氣溫度升高，溫度達到60℃～80℃，頂層比其下層室內(nèi)溫度高出2℃～4℃。據(jù)測算，室溫每降低1℃，空調(diào)能耗減少10%，而人體的舒適性也會大大提高［2］。因此，提高屋頂隔熱降溫能力對建筑節(jié)能具有重大作用。

3 夏熱冬暖地區(qū)既有建筑屋頂節(jié)能改造策略分析

3.1 增加熱阻

熱傳遞是通過輻射、對流及導(dǎo)熱這3種途徑來實現(xiàn)的。熱阻表示熱量通過圍護結(jié)構(gòu)傳遞時所受到的阻力，是反映阻止熱量傳遞能力的綜合參量。如圖1所示，太陽照射為輻射熱，夏季當(dāng)陽光通過輻射方式傳到屋頂時，其中約有20%～30%的熱量被反射，剩余被屋頂接收的輻射熱，一部分經(jīng)屋頂材料內(nèi)部以熱導(dǎo)方式傳向室內(nèi)，另一部分則由屋頂表面向大氣層輻射，并通過對流換熱的方式將熱量傳遞給周圍空氣［3］。建筑物圍護結(jié)構(gòu)中保溫層的主要意義在于減少室內(nèi)外熱量的傳遞。圍護結(jié)構(gòu)的熱阻越大，說明通過圍護結(jié)構(gòu)傳遞的熱量越少，隔熱性能越好。由于夏熱冬暖地區(qū)冬季基本不需要采暖，夏季隔熱防熱才是其主要設(shè)計要求，因此提高材料層的隔熱能力，增加其熱阻，不僅可以降低夏季由于室外太陽輻射作用對頂層室內(nèi)熱環(huán)境帶來的負面影響，同時也可以保證室內(nèi)空調(diào)制冷效果不會由于屋頂熱阻過小而使大量冷氣通過屋面向外進行熱傳遞，出現(xiàn)制冷能耗過大，浪費的現(xiàn)象。夏熱冬暖地區(qū)既有建筑屋頂?shù)闹饕獦?gòu)造層次是承重層和防水層，另外還有一些輔助性層次。早期受經(jīng)濟技術(shù)條件影響，大部分既有老舊建筑屋頂熱阻較小，隔熱效果差，室內(nèi)熱環(huán)境無法滿足人體舒適度需求。根據(jù)這些問題，可以利用增加熱阻的方法提高屋頂?shù)母魺崮芰?，即在承重層與防水層之間增設(shè)1層實體輕質(zhì)材料，或直接在防水層上面鋪設(shè)隔熱材料，旨在提高結(jié)構(gòu)的熱惰性，使屋頂內(nèi)表面平均溫度波動范圍降低。目前以增加熱阻為目的的屋頂節(jié)能改造方式主要體現(xiàn)在實體材料層和帶有封閉空氣層的隔熱屋頂?shù)倪\用上。這類屋頂又分坡屋頂和平屋頂，而對住宅這種全天候使用的建筑，屋頂除有足夠大的熱阻和衰減外，還應(yīng)使室內(nèi)氣溫的總延遲時間更長，讓內(nèi)表面最高溫度推遲到午夜后出現(xiàn)，而此時室外氣溫已大大降低，室內(nèi)溫度也將隨之下降。這種改造方式的特點是不僅在夏季具有隔熱性能，而且在冬季也能起到一定的保溫作用，對于夏熱冬暖地區(qū)非常適用。

3.2 通風(fēng)降溫

在夏熱冬暖地區(qū)，屋頂通風(fēng)可以帶走多余熱量、改善室內(nèi)熱環(huán)境狀態(tài)、有效緩解室外高溫環(huán)境對室內(nèi)溫度的影響，對建筑節(jié)能改造具有重要意義。通風(fēng)降溫的具體運用主要體現(xiàn)在自然通風(fēng)屋面以及熱壓自然通風(fēng)屋面的使用上。建筑通常意義上的自然通風(fēng)指的是通過有目的的開口，產(chǎn)生空氣流動。這種流動直接受建筑表面的壓力分布和不同開口的影響。壓力分布是動力，而各開口的特點則決定了流動阻力。建筑表面的壓力由風(fēng)壓和室內(nèi)外溫差引起的熱壓所組成。風(fēng)壓依賴于建筑的幾何形狀、建筑相對于風(fēng)向的方位、風(fēng)速和建筑周圍的自然地形。熱壓依賴于進出口高差和內(nèi)外溫差?？傊匀煌L(fēng)受風(fēng)壓和熱壓的影響，這兩種因素可單獨起作用，也可共同起作用［4］。通風(fēng)屋頂?shù)母脑煸硎窃谖蓓敿釉O(shè)通風(fēng)間層，一方面利用通風(fēng)間層的外層遮擋陽光，使屋頂變成二次傳熱，避免太陽輻射熱直接作用在圍護結(jié)構(gòu)上;另一方面利用風(fēng)壓和熱壓的作用，尤其是自然通風(fēng)，帶走進入夾層中的熱量，從而減少室外熱作用對內(nèi)表面的影響。通風(fēng)屋頂最主要的優(yōu)點是構(gòu)造簡單，改造既可用于平屋頂，也可用于坡屋頂;既可以在屋面防水層上組織通風(fēng)，也可在防水層下組織通風(fēng)，保證白天能隔熱，晚上又易散熱。無論是平屋頂還是坡屋頂，迎風(fēng)面通風(fēng)口處的壓強超過大氣壓，則形成正壓區(qū);在背風(fēng)面，空氣稀薄，實際壓強低于大氣壓，形成負壓區(qū)。在平屋頂，迎風(fēng)面進氣，背風(fēng)面排氣。在坡屋頂，當(dāng)上開口無擋風(fēng)板時，在風(fēng)力作用下，迎風(fēng)面下開口總是進氣。此外，改造時還可將間層面層在檐口處向外挑出一段，如圖2a)所示，能起到兜風(fēng)作用，可提高間層的通風(fēng)效果。而熱壓通風(fēng)即通常所說的煙囪效應(yīng)，其原理為熱空氣(密度小)上升，從建筑上部風(fēng)口排出，室外冷空氣(密度大)從建筑底部被吸入，見圖2b)。熱壓的大小取決于進排氣口的溫差和高差，溫差高差越大，通風(fēng)量就越大。在夏熱冬暖地區(qū)建筑通風(fēng)屋面改造設(shè)計中，可利用坡屋頂或在平屋頂排風(fēng)處架高排風(fēng)口等來強化熱壓，并在屋頂排風(fēng)帽上涂黑色材料，增強對太陽輻射的吸收，達到加強熱壓自然通風(fēng)的目的。與風(fēng)壓自然通風(fēng)不同的是，熱壓式自然通風(fēng)更能適應(yīng)常變的外部風(fēng)環(huán)境和不良的外部風(fēng)環(huán)境［3］。炎熱的夏季并不能保證隨時都有足夠的風(fēng)壓來帶走屋頂多余的熱量，而這種熱壓通風(fēng)改造方法則可彌補風(fēng)壓不足時的情況，因此改造時可將二者進行結(jié)合設(shè)計。

圖1 屋頂被太陽照射時的受熱情況

圖2 間層空氣流通的動力

3.3 降低屋面綜合溫度

房間圍護結(jié)構(gòu)的外表面不但經(jīng)受室外空氣溫度的變化，而且還接收來自太陽的輻射，同時也與周圍環(huán)境之間進行輻射換熱。在確定這些因素形成的室內(nèi)得熱量時，為了計算上的簡單方便和易于理解，一種習(xí)慣的做法就是將輻射熱作用折算成相當(dāng)?shù)氖彝饪諝鉁囟仍隽?，將此增量與室外干球溫度相加，即將兩者的作用綜合在一起，從而產(chǎn)生一個假定的室外空氣溫度，這就是所謂的綜合溫度［5］。屋頂綠化是夏熱冬暖地區(qū)降低屋面綜合溫度的有效方法。綠化植物層通過利用植物葉片、冠層對太陽輻射的遮擋、反射作用與植物的蒸騰作用以及光合作用達到調(diào)節(jié)、減少建筑物吸收太陽輻射，改變環(huán)境濕、熱平衡的效果，進而減少室內(nèi)得熱，改善室內(nèi)熱環(huán)境。由于太陽輻射和室外氣溫的綜合作用，建筑屋面溫度與周圍空氣溫度往往相差很多。因此還可以通過在改造屋面表層噴涂或滾涂高反射性涂料，通過把太陽光譜中的可見光及紅外線、紫外線反射出去的途徑來降低屋面綜合溫度(見圖3)。這種在普通屋頂上涂高反射率的涂料，提高屋頂?shù)娜丈浞瓷渎?，減少太陽熱量的吸收，從而達到空調(diào)節(jié)能目的的屋頂叫做“冷屋頂”(cool roofs)。一般涂有瀝青的屋面反射率僅為5%左右，即有95%的太陽光及太陽能要被屋面吸收，一般的鋼板屋面的反射率為25%左右，而高反射性涂料反射率則高達85%以上，只有15%左右的太陽光及太陽能被屋面吸收。根據(jù)國外數(shù)據(jù)表明，涂刷高反射性涂料屋頂比傳統(tǒng)屋頂節(jié)能20%～30%。此外，屋頂表面顏色也是影響反射率的主要因素，表面顏色越淺，反射太陽輻射熱的能力就越強。

圖3 屋頂接收太陽輻射示意圖

3.4 太陽能利用

太陽能是各種綠色可再生能源中最重要最基本的能源，且太陽能在轉(zhuǎn)換過程中幾乎不會產(chǎn)生危及環(huán)境的污染。我國幅員遼闊，全國2/3的國土面積年日照在2 200 h以上，年輻射量超過600 MJ/m2［6］。夏熱冬暖地區(qū)如閩東南的太陽能輻射能量較大，因此可以將太陽能利用與屋頂節(jié)能改造結(jié)合起來進行設(shè)計。目前，在建筑屋頂上加裝太陽能電熱水器和太陽能電池板，是節(jié)能改造的主要方式。在利用太陽能加熱過程中，集熱器將太陽輻射轉(zhuǎn)換為熱量，而光電器可將太陽輻射轉(zhuǎn)化成電能。但這些系統(tǒng)的能量生產(chǎn)受產(chǎn)地條件的影響，所以太陽能熱水器在夏天應(yīng)當(dāng)安裝在太陽高度角比較高的地方。

除以上介紹的太陽能光熱系統(tǒng)外，太陽能空調(diào)系統(tǒng)也是夏熱冬暖地區(qū)太陽能利用的主要手段之一。太陽能空調(diào)系統(tǒng)主要是由太陽能集熱器陣列、溴化鋰制冷劑、熱泵機組、蓄能水池和自動控制系統(tǒng)等幾大部分組成。冬季通過板式換熱器將集熱系統(tǒng)收集的熱量交換給蓄能水池，達到蓄熱的目的;夏天，吸收式制冷機以太陽能集熱系統(tǒng)收集的熱水為熱源制造冷凍水，作為儲能水池的冷源。

4 結(jié)語

雖然夏熱冬暖地區(qū)屋頂節(jié)能改造策略，其基本理論是來源于建筑節(jié)能設(shè)計，但節(jié)能改造與新建節(jié)能建筑還是存在一定的差異，在改造過程中必須考慮到既有建筑屋頂?shù)氖褂矛F(xiàn)狀以及構(gòu)造條件等因素，從而選擇適宜的改造策略，為具體改造工程的實施提供選擇。

［1］韋延年.夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能住宅外圍護結(jié)構(gòu)保溫指標(biāo)的確定方法［J］.四川建筑科學(xué)研究，2002(1):71-73.

［2］楊子江.建筑屋面節(jié)能技術(shù)［J］.工業(yè)建筑，2005(2):40-43.

［3］劉加平.建筑物理［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］［英］D.J.克魯姆.建筑物空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1982.

［5］葉天泉，孫 杰，王岳人，等.城市供熱辭典［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

［6］德國能源署(dena)建筑節(jié)能部門.中國建筑節(jié)能手冊［Z］.2007.