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1、适宜极端热湿气候区的建筑屋面节能构造浅析 朱志明 杨红 谢静超 北京工业大学建筑与规划学院 摘 要： 结合极端热湿地区气候特点, 分析了不同类型屋面节能构造对极端热湿气候区的适宜性。从分析结果可以看出正置式屋面和架空屋面不适宜作为极端热湿地区建筑屋面, 双隔热层屋面、蓄水屋面、多孔材料蓄水屋面、种植屋面、太阳能光伏屋面、反射屋面适宜极端热湿气候区。关键词： 极端热湿地区; 节能屋面; 构造; 适宜性; 作者简介：朱志明, 男, 1993 年出生, 硕士研究生, 主要从事建筑节能技术研究。联系地址:100124 北京市平乐园 100 号, E-mail:。收稿日期：2017-10-17基金：国家
2、自然科学基金 (重大项目 51590912) Analysis on Energy Saving Structure of Building Roof Suitable for Extreme Hot and Humid Climate RegionZhu Zhiming Yang Hong Xie Jingchao College of Architecture and Urban Planning, Beijing University of Technology; Abstract： Based on the climatic characteristics of extreme hot
3、 and humid region, the suitability of different types of the structures of energy-saving roof to extreme hot and humid climatic region is analyzed. The analysis results show that conventional insulation roof and elevated overhead roof is not suitable for extreme hot and humid region; double insulati
4、on roof, water-ponding roof, porous material water-ponding roof, planting roof, solar photovoltaic roof, reflective roof are suitable for extreme hot and humid climate region.Keyword： extreme hot and humid climate region; energy-saving roof; structure; suitability; Received： 2017-10-17极端热湿气候区是指某地近地表
5、面的空气温度、相对湿度和太阳辐射参数的峰值和平均值常年处于地表极高值区间, 是不适宜人居住的气候区。我国南海诸岛位于北回归线以南, 全部在极端热湿气候区范围内。该地区纬度低, 太阳高度角大, 年均辐射总量超 6 500 MJ/m, 年平均温度 28以上, 年平均相对湿度85%以上, 气温年较差和日较差小于 30, 还常有台风暴雨侵袭, 空气中又含有大量的盐分, 高温、高湿、高盐雾和强辐射并存是该地区的气候特点。以海南省为例, 调研发现1, 海南地区既有建筑中至少 80%存在热工性能差、能耗高的问题, 并且近 30%的屋面没有任何隔热措施。而我国五大热工设计分区中, 夏热冬暖地区纬度跨度达 23
6、, 气候区北部冬季平均温度为 11, 而南部为 30。该区域居住建筑热工设计均参照夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准, 规范中并没有特别针对极端热湿气候给予规范指导。屋面作为建筑围护结构的一部分, 虽所占面积比例比较少, 但屋面能耗约占房屋能耗的 10%, 屋面的热工性能将直接影响到整个建筑室内舒适热环境的营造2, 因此极端热湿气候区建筑屋面研究可作为该地区建筑节能的一个研究重点。本文通过对隔热型屋面、自然通风型屋面、被动蒸发冷却型屋面、遮阳型屋面进行研究, 分析了不同构造节能屋面在极端热湿气候区的适宜性。1 隔热型屋面1.1 正置式屋面正置式屋面也就是传统隔热屋面, 构造做法是屋顶结构层找坡、
7、找平层隔汽层隔热层找平层防水层保护层 (图 1) 。传统隔热材料主要有岩棉、矿棉、膨胀珍珠岩制品, 导热系数约 0.0580.175W/ (mK) ;水泥膨胀蛭石、加气混凝土等, 导热系数约 0.110.18 W/ (mK) 。此类材料都是非憎水性材料, 遇水吸湿后材料含水率越高, 则导热系数越大, 隔热效果越差。同时, 传统隔热屋面防水层在屋面构造的最上层, 长期经风吹、日晒、雨淋后, 防水材料将逐渐老化, 增大屋面渗漏的概率。尽管后期发展出防水保护层, 但由于找平层和传统隔热材料都是湿作业, 所以很难保证屋面的含水率。此外, 传统隔热屋面一旦发生渗漏, 水分进入隔热层, 极易引起屋面起鼓、
8、裂缝等质量通病, 且漏水点不易寻找, 维修施工困难。图 1 正置式屋面 下载原图1.2 倒置式屋面与传统正置式隔热屋面不同, 倒置式屋面的隔热层在防水层上面, 构造做法是屋面结构层找坡、找平层防水层隔热层找平层保护层 (图 2) 。倒置式屋面常用的隔热材料主要有挤塑聚苯板、聚苯乙烯泡沫塑料板、硬质聚氨酯泡沫塑料等, 导热系数约 0.0180.024 W/ (mK) 等。这类憎水性材料具有质量轻、隔热好、防腐蚀等特点, 例如聚苯乙烯泡沫塑料容重在 20 kg/m 以下, 导热系数为 0.044 W/ (mK) , 隔热性能良好;硬质聚氨酯泡沫塑料导热系数取决于制造过程中泡沫内填充的氟利昂气体,
9、氟利昂气体的导热系数为 0.007 7 W/ (mK) , 因此硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数也很低3;并且, 硬质聚氨酯泡沫塑料可直接现场喷涂发泡成型, 几乎适用于任何屋面结构。图 2 倒置式屋面 下载原图倒置式屋面中隔热材料一般可粘贴在防水层上或直接喷涂, 施工操作方便。防水层又处于隔热层下面, 降低了其受损和老化的速度, 减少了屋面漏水的概率。实验得出4, 在倒置式屋面隔热材料为 50 mm 厚聚苯乙烯泡沫塑料板、正置式屋面隔热材料为 35 mm 厚聚氨酯硬质发泡板的条件下, 当室外空气温度为 60时, 倒置式屋面室内温度可降低 30左右, 而正置式屋面仅降低 1.4。1.3 适宜性分析通
10、过对正置式屋面与倒置式屋面优缺点的对比 (表 1) 得出, 当处于极端热湿环境下时, 虽然正置式屋面和倒置式屋面都将具有一定的隔热降温效果, 但倒置式屋面因其构造简单、施工方便、渗水率低、隔热材料高效的优势, 更适合应用于极端热湿气候区。表 1 正置式屋面与倒置式屋面优缺点对比 下载原表 2 自然通风型屋面2.1 架空屋面架空屋面是通风屋面的一种, 发展于东南沿海地区, 后推广到长江中下游地区。架空屋面的原理是利用隔热层遮挡太阳直接辐射, 降低屋面上层温度, 保护防水层, 再利用风压和热压作用, 在通风间层形成管道通风现象, 带走通风间层中的热量, 再次降低室内温度, 达到双层隔热降温作用。其
11、构造做法是屋面结构层找平层防水层保护层通风间层隔热层 (图 3) 。通风间层一般由砖墩、砖垄墙、木瓦、轻钢架等作为垫块, 支撑上面的隔热层, 形成可以通风的间层。架空屋面隔热层材料多是预制细石混凝土板、预制细石混凝土半圆弧板、预制细石混凝土大瓦, 导热系数约 1.28 W/ (mK) ;珍珠岩板, 导热系数约 0.26 W/ (mK) 等。图 3 架空屋面 下载原图架空屋面檐口形式要有利于风的引入, 进出风口面积不宜过小;在夏季主导风向设置通风孔, 利用风压增加通风间层的风速;间层垫块砌成长条状, 与主导风向一致, 减少对主导风的阻力影响;屋面宽度过大时应设置通风屋脊, 或增加一定高度的通风帽
12、, 帽顶外表面涂黑, 以利于热压排风。合理设置屋面架空隔热构造, 可平均降低屋顶内表面温度 4.55.55。但是, 传统架空屋面多采用砖砌架空, 通风道不经常清理导致容易堵塞, 反而造成隔热效果不好。实验得出6, 在夏热冬暖地区夏季室内空调昼夜持续工作状态, 室外高温高湿的天气条件下, 与大阶砖架空屋面相比, 采用聚苯乙烯隔热屋面可节约空调能耗约 28%。2.2 双层屋面双层屋面是在架空屋面的基础上演变而来, 也是通风屋面的一种, 是通过再增加一层屋面结构层来加强屋面的通风隔热效果。其构造做法是下层屋面结构层找坡、找平层防水层隔热层保护层空气夹层上层屋面结构层找坡、找平层防水层保护层 (图 4
13、) 。上下结构层通过剪力键或构造柱连接, 中间形成空气夹层, 并在空气夹层的女儿墙处设置通风百叶窗。上层屋面也对太阳辐射起到遮挡作用, 使进入空气夹层的热量减小, 再通过夹层的通风散热, 使进入室内的热量进一步降低。图 4 双层屋面 下载原图实验表明7, 双层屋面的下结构隔热层内表面温度最高值比上结构层内表面温度最高值低 67, 比室外最高气温低 34。上结构隔热层的渗水率为 0.54%, 下结构隔热层渗水率几乎为 0。因为双层屋面的防水效果好, 上层屋面也可演变为蓄水屋面, 进一步增加屋面的降温隔热效果。双层屋面的局限在于屋面结构较复杂, 对主体结构负重较大, 要达到良好的隔热效果, 就要对
14、空气夹层内的空气风速有要求。因此, 确定双结构层之间的合理高度, 并结合坡屋面发展通风阁楼, 将成为双层节能屋面的研究方向。2.3 适宜性分析我国极端热湿地区属海洋性季风气候, 风向受季节影响, 59 月以西南季风为主, 113 月以东北季风为主, 所以在通风屋面设计时, 应优先考虑通风主导方向。传统架空屋面虽然施工方便、维护简单, 但隔热材料导热系数相对较大, 通风间层又易堵塞, 实际隔热节能效果不稳定。双层屋面隔热效果良好, 渗水率低, 但其结构复杂, 施工麻烦, 造价也要高于传统架空屋面。3 被动蒸发冷却型屋面3.1 蓄水屋面蓄水屋面构造做法是屋面结构层找坡、找平层柔性防水层隔离层刚性防
15、水层蓄水层 (图 5) 。蓄水屋面是利用水的蓄热和蒸发的原理, 每蒸发 1 kg 水能带走 2 428 k J 的热量, 从而有效减少从屋面传入室内的热量, 达到良好的降温隔热作用。还可以同时在水面设置白色漂浮物, 利用反射作用也可以达到降温效果。图 5 蓄水屋面 下载原图蓄水屋面由于水层的保护, 减缓了热胀冷缩对刚性防水层的碰坏, 增强了屋面的防水性能。因蓄水深度的差异可将蓄水屋面分为深蓄水、浅蓄水、植萍蓄水, 蓄水深度的选择与建筑所处环境直接相关。实验得出8, 在中温中湿环境下 (温度 30、湿度 60%、风速 1.53.0 m/s、辐射照度 400800 W/m) , 蓄水深浅对室外进入
16、室内的热量影响不大;在高温高湿环境下 (温度 35、湿度 80%、风速 0.51.5 m/s、辐射照度 0800 W/m) , 可通过在水面设置浅色反射物提高降温效果。实测对比发现9, 当室外气温在 38时, 蓄水屋面的室内温度比相同条件下普通混凝土屋面室内温度低 35, 且蓄水屋面的室内温度稳定, 受温差影响小。蓄水屋面需要注意的问题是避免屋面蓄水干枯。当太阳辐射强烈而屋面又无水时, 刚性防水层会因受热干缩而变形开裂, 导致柔性防水层老化破损, 最终导致屋面漏水且很难修复。3.2 多孔材料蓄水屋面多孔材料蓄水屋面是在建筑屋面上增加一层多孔轻质材料, 其构造做法是屋面结构层找坡、找平层刚性防水层多孔材料层 (图 6) 。现阶段, 用于蒸发降温的多孔材料一般多选用砂子或固体加气混凝土。隔热原理是屋
