嚴寒地區(qū)高效能屋頂技術策略

■張 博，王海鵬，閆沛祺，劉秋兵，張廣平 ■吉林建筑大學建筑與規(guī)劃學院，吉林 長春 130117

1 高效能屋頂?shù)母拍?/h2>

研究課題旨在提高資源利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排，積極應對全球氣候變化，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，改善人們生活質(zhì)量，為建筑節(jié)能提供新的研究方向。因此我們提出的高效能屋頂?shù)募夹g，希望能夠結合多方面的綠色節(jié)能技術，來突破傳統(tǒng)的“綠色屋頂”的模糊概念，從而根據(jù)北方嚴寒地區(qū)特有的建筑形式、建筑構造、氣候特性來提出具體的解決方案。

針對北方嚴寒地區(qū)的氣候特點，“高效能屋頂”力求從屋頂植被、利用太陽能以及屋頂節(jié)能保溫構造三方面對目前嚴寒地區(qū)屋頂技術進行改進，結合生態(tài)需要對屋頂構造進行創(chuàng)新，使其達到經(jīng)濟、美觀、合理三大要求。通過對屋頂植被層的研究討論其與建筑屋頂結合的可能性，為城市綠化發(fā)展尋找新方式;通過對太陽能利用的研究為將來形成一套完整的建筑節(jié)能系統(tǒng)打下基礎;利用屋頂保溫節(jié)能技術對現(xiàn)有節(jié)能技術和材料進行改進。

2 屋頂防水保溫構造與植被結合的技術策略

屋頂綠化是解決地區(qū)環(huán)境問題很好的方法。當今地球上許多人口稠密、工業(yè)集中的地區(qū)，存在著非常嚴重的環(huán)境問題。屋頂綠化是解決這些地區(qū)環(huán)境問題的有效途徑。在歐美、日本等發(fā)達國家屋頂綠化已經(jīng)很普遍，我國的屋頂綠化經(jīng)過多年的研究實踐，已在部分南方城市成功開展，取得了一定的景觀和生態(tài)效果。而在東北等嚴寒地區(qū)，由于受到氣候等因素的制約，屋頂綠化的實踐不是很廣泛。

充分考慮到嚴寒地區(qū)大風天氣，采取含有防風措施系統(tǒng)的種植土層，可以很好地穩(wěn)固植被;土層下方設有排水板，引導多余的水流入中水處理系統(tǒng)，增加雨水利用率;高分子防水層的設置，能夠確保屋面嚴密的防水;保溫層采用聚氨酯保溫材料，噴涂的施工方式使得保溫材料無縫連接，加大防水力度;蒸汽阻攔層，是隔絕水蒸氣侵入結構的最后防線，避免結構層受潮。多種處理方式充分考慮到北方嚴寒地區(qū)的氣候和構造需求。

種植屋面系統(tǒng)可以分為雙層種植土層和單層種植土層兩大類，一般做法有以下幾種:

圖片來源:VEDAG GmbH

(1)含有防風措施系統(tǒng)的雙層種植土層，有兩層瀝青根阻防水材料，適應于灌木植物;

(2)上面一層為較厚的土層，下面一層為輕質(zhì)土層，下面鋪有耐壓的保溫層，一般種植樹木等較重的植物;

(3)單層種植土層，單層防水，主要針對斜屋面和流水長度不超過10m的屋面;

(4)單層種植土層，多層防水，比較適應于種植景天屬類植物。

屋頂不再只是單純地作為防水保溫的單一建筑構造部分，而是在充分考慮到地域氣候因素之后參與建筑節(jié)能以及城市綠化的重要建造手段和城市美化方式。以防水保溫構造為基礎，在其基礎上圍繞植物綠化方式和太陽能構件進行改造，將三者有機結合，將屋頂打造成為城市居住建筑的另一道風景線和建筑節(jié)能的一大標志，同時也為人們提供了另一種活動休閑場所，其實施的積極意義巨大。

3 季節(jié)性互補的自然能源利用與高效能屋頂構造結合的技術策略

自然能源主要包括三大類:太陽能、風能、地熱能。其利用方式分為主動式和被動式兩種。根據(jù)北方嚴寒地區(qū)的氣候特點，主要影響高效能屋頂保溫節(jié)能效率的因素是氣溫、太陽輻射和風。

北方嚴寒地區(qū)由于其獨特的地理位置，冬季長春夏秋季短，冬季從11 月到次年4 月左右，冬季平均氣溫在零度以下，太陽輻射較弱，不利于植被生長。冬季來自西伯利亞和蒙古等中高緯度內(nèi)陸的西北風風速大風力強。據(jù)統(tǒng)計，我國北方大部分地區(qū)(黑龍江、吉林東部、遼東半島)的有效風能密度在200W/m2以上，全年中風速大于和等于3m/s 的時數(shù)為5000h，全年中風速大于和等于6m/s 的時數(shù)為3000h。夏季時盛行東風和東南風，風速較小，太陽輻射較強，且雨水較豐富，適合植被生長。根據(jù)北方地區(qū)的氣候特點，結合高效能屋頂和光伏玻璃得到一種復合的節(jié)能裝置。主要由可開合的光伏玻璃頂板和四周玻璃圍合而成。其通過主動式和被動式兩種方式達到節(jié)能目的(參見圖1)。

圖1

冬季時風大氣溫低不利于植被生長，此時可以關閉光伏玻璃頂蓋，形成溫室，同時防風。既為植物生長提供了光環(huán)境和適宜的溫度，也為冬季時期人們使用屋頂綠化提供了舒適的環(huán)境。提供遮擋的同時，頂面的光伏玻璃可以吸收太陽輻射并將其轉化成為電能。夏季時可將光伏玻璃板打開，使植被吸收降水，同時可以打開側面的玻璃板，形成拔風效應，降低屋面板溫度。

北方嚴寒地區(qū)的特殊氣候——冬季時間長、日照充足，以及微氣候——早晚溫差大決定了屋頂?shù)母脑鞈斒嵌喾矫娴?，季?jié)性的節(jié)能互補，早晚的節(jié)能利用，讓不同的節(jié)能技術得到高效能地發(fā)揮。冬季以太陽能的利用為主，其生成的電能和熱能，可融化光伏電池板和屋面上的積雪;融化的積雪可作為中水加以處理利用;解決屋面和排水管道的凍脹問題;同時能夠為建筑居住者提供熱水和電能。夏季以綠化屋頂?shù)睦脼橹?，屋頂重新結合防水保溫構造添加一定的步道系統(tǒng)和景觀植物，打造屋頂娛樂休閑空間;可吸收降雨雨水，降低屋面徑流，減緩城市排水系統(tǒng)壓力，防止城市出現(xiàn)洪澇的現(xiàn)象;調(diào)節(jié)建筑屋面的微氣候，降低屋面溫度;吸收二氧化碳，為居住環(huán)境輸入新鮮氧氣。冬季與夏季的節(jié)能方式互補，利用自然界的光能、雨水以及植物結合氣候特性充分發(fā)揮高效能屋頂?shù)膬r值。

4 結語

高效能屋頂可以緩解溫室效應和城市熱島效應，屋頂綠化植物還能吸收有害氣體，吸收PM2.5 粉塵顆粒，起到凈化空氣、減少城市霧霾天氣和風沙天氣頻繁出現(xiàn)的作用，且能夠隔音降噪［1］。希望通過有效利用光能和管理水資源，充分提高建筑屋頂?shù)男?，打造更為綠色、更為健康的城市環(huán)境。“設計結合自然”，運用高效能屋頂從多方面對自然資源進行利用和管理，解決城市問題，在增加城市綠化面積的同時，為建筑內(nèi)部的使用者提供更多的資源和能源。北方嚴寒地區(qū)高效能屋頂技術策略旨在有助于進一步實現(xiàn)建筑節(jié)能，提高自然資源利用率，優(yōu)化城市上空風景線。推動屋頂保溫節(jié)能模式工業(yè)化，方便推進實現(xiàn)城市建筑大規(guī)模的節(jié)能減排。通過對自然陽光，雨水的利用研究，使其轉化為可利用的資源，從而進行屋頂效能最大化的利用。

［1］李海霞，曹敏，論夏熱冬冷地區(qū)屋頂花園的隔熱保溫節(jié)能措施［J］，現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011(21).