论被动式太阳能技术引入屋顶节能

崔 明 敏

(晋城市建筑设计院，山西 晋城 048000)

论被动式太阳能技术引入屋顶节能

崔 明 敏

(晋城市建筑设计院，山西 晋城 048000)

对住宅的屋顶能耗进行了分析，提出了将被动式太阳能技术引入住宅屋顶节能的概念，并利用优化屋顶形式、调控屋顶表面热效应等手段，对能源进行充分利用，以实现住宅零能耗的可持续发展追求。

被动式太阳能技术，屋顶节能，应用

0 引言

20世纪20年代左右，美国芝加哥一家报社提出了一个新的词汇——太阳能住宅。与传统住宅截然不同的是它用热水的能量来驱动设备(包括采暖)，并从太阳中索取热源。之后，在1976年将太阳能住宅清晰明了的划分为主动式太阳能住宅和被动式太阳能住宅两个概念。所谓被动式即以不使用机械为前提，完全通过加强建筑物的遮避功能，达到满足正常室内环境的目的。

屋顶是建筑物的重要组成部分之一，除兼具实用和美观的双重功能外，它在节能控制方面也是重中之重的一个环节。根据实验研究表明，改变屋顶的材质、颜色、角度、朝向和面积等方面，使其与外部环境之间更加协调是节能环保的一个有效手段。简而言之，尽量达到“夏季高温不吸热，冬季低温不散热”的目的。如何将被动式太阳能技术引入屋顶节能，不仅是本文要探讨的课题，更是当今建筑行业重点关注的技术问题。

1 屋顶能耗分析

分析住宅的能耗是通过模拟计算的手段对建筑单体本身属性的改变来确定其对建筑能耗的影响。此外，住宅能耗很大程度上还受地域气候差异及室内热环境的影响。因此，建筑物的能耗分析必须注明地区及室内热环境的设定。我国大部分地区为夏热冬冷气候条件，大体可分为两大类：需要加强冬季采暖无需加强夏季散热和需要加强夏季散热无需加强冬季采暖。用现代计算机技术精准的控制建筑因采暖或散热带来的空调能耗，从而明确建筑因此能耗带来的耗电量。根据这个原理，我们最终得出了建筑外围护结构(包括屋顶、外墙、外门窗等)与建筑能耗之间的变化规律。以深圳一栋两层住宅为例，通过计算得出屋顶在整个外围护结构中的面积和热量占整体建筑的25%。要求居住建筑的节能目标是50%，屋顶需达到15%～18%的节能，由此看出提高屋顶的保温性能或散热性能对建筑的整体节能是很有必要的。

2 被动式太阳能技术的应用

屋顶的热环境和结构直接影响室内的环境质量，也决定了建筑的节能指标。而被动式太阳能技术引入屋顶节能主要是通过以下几点实现的：屋顶的形状、屋顶的表面、屋顶的隔热保温和屋顶的冷却。

2.1 屋顶的形状

屋顶的形状大致可分为3种：平屋顶、坡屋顶和垂直面开口式天窗。不同的形式决定不同的太阳辐射量。其中，坡屋顶的倾斜角度不同，其承受的太阳辐射热也有差别。通常屋顶有一个最佳集热管安装角度，采暖用的角度为纬度加15°，制冷用的角度为纬度加5°。

我国建筑物的最大受热面为南向，所以屋顶的集热、附设温室和直接获热设备通常设在南向。当南面不易采光时，可利用天窗、老虎窗、活动屋顶等形式把太阳辐射热引入室内。冬季需要更多的获取并储存热量，可增大屋顶南向面积来提高建筑物的受热量，同时，把北侧外墙压低或加厚来抵抗西北风的侵袭，尽量把热损失降到最低(如设计需要必须在朝向不利位置开设门窗洞口时，宜采用双层或三层玻璃)。

热量最不易散失的屋顶形式是屋脊为东西走向的建筑，在屋脊的南北两侧架设大屋顶，尤其是北侧的屋顶，要降低到建筑二层附近。此形式大大降低了建筑北侧的热量损失。

2.2 屋顶的表面

屋顶的表面热平衡受到辐射、对流、蒸发等诸多条件的影响。下面对控制不同条件来影响建筑热平衡的方法进行一些简要的分析。

2.2.1 空气对流

通过控制屋顶表面的对流传热系数大小来控制散热量，促进空气在屋顶表面流动，提高散热。具体方法可以通过架空屋顶，或改变朝向形成空气对流层等手段实现。

2.2.2 太阳辐射

屋顶材料表面不同颜色对太阳辐射热的吸收也不同。对于长波来说，与表面颜色无关，粗糙面的辐射率最大，接近于1。但太阳辐射主要以短波为主，而黑色的反射率最小，所以颜色对太阳辐射吸收和反射的影响是十分显著的。

2.2.3 蒸发散热

用洒水器在屋顶均匀洒水或设计种植屋面，利用水分蒸发带走热量，从而达到热的控制。这两种方法在我国南部地区广泛使用且效果极佳。值得一提的是，屋顶绿化不仅节能环保，在艺术审美上也给建筑带来了新的设计手法。现如今，“屋顶花园”的概念已经深入人心，在我国许多地区都有应用很好的案例。

2.2.4 现代化可变装置

屋顶受热面设计现代化的可变装置，例如可根据室外热环境情况自动调节开闭的天窗、老虎窗、活动屋顶等。某些特殊建筑还设有屋顶水池，可通过调节水的蒸发来控制储热和散热。

2.3 屋顶的隔热、保温

一般而言，在接受太阳辐射热以及在接受与室外空气的热能上，屋顶是被暴露在最严酷条件下的部位，其隔热保温的基本原理可归纳为以下几点:1)用隔热材料来控制热的流进流出；2)通过屋顶里层的通风换气来排热和防止结露；3)利用防潮片材防止湿气进入屋顶里层同时防止室内向外漏气。

2.3.1 隔热层的厚度

在寒冷地区需要屋顶有特别高的隔热性，但在比较温暖的地区，还需要考虑防暑，因此隔热层的厚度要综合考虑。

2.3.2 屋顶里层的换气

酷暑季节，屋顶里层的气温有时会高达60 ℃～70 ℃。即使有顶棚隔热，也会有大量的热气进入室内，将这些热气拦截在屋顶内部，阻止它进入建筑室内破坏建筑内部的热环境，在屋顶里层进行换气，再排出建筑物，减小热气对建筑主体的热环境破坏。这种在屋顶层内部的通风排气还可以避免梅雨季节潮气对建筑的影响，改善住宅热环境，提高舒适度。

2.3.3 减少辐射传热

屋顶面层在设计时选择表面辐射热小的材料，这样可降低热流通过空气层的总量，从而减少辐射传热。需要特别说明的是，防潮层需要设置在隔热层以下。

2.4 将自然能源转变为制冷源

众所周知：“遮挡太阳辐射并通风是建筑设计的基本”。避免高温季节对建筑热环境的不利影响，考虑太阳辐射热不侵入室内。需要明确的是，被动式太阳能建筑设计不是单纯地遮挡太阳辐射和向外排热，而是要积极的利用太阳辐射热来改善建筑功能的使用。也就是说，积极地将自然能源作为夏季的制冷源引入建筑，包括雨水的利用以及由光导管产生的光的利用等。

利用冷却空气，常见的方法是闷顶内安装冷却板，外部气流进入后自动冷却成冷空气。这些冷空气可及时送入室内降低室内温度，也可以存储在闷顶内部，在建筑需要的时候再送入室内，起到智能调节热环境的作用。

目前常用的空气制冷手段有两种：1)吸收外部空气，制冷后送入室内；2)吸收建筑内部的空气，制冷后再循环使用。

3 结语

本文通过对屋顶能耗的分析，提出了将被动式太阳能技术引入屋顶节能的概念，简要阐述了一些目前技术允许的实施方法。这项研究不仅解决了环境和城市发展之间的一些矛盾，更为今后的建筑发展方向提出了一种新的可能。当然，被动式太阳能技术的实施需要政策上的大力扶持，而中国现在正大力提倡绿色建筑，“绿建”作为一项硬性指标成为新建筑考核的重要条件之一，这些都为本课题的后续研究和应用提供了坚实的保障。

[1] 彰国社,任子明，马 俊，等.国外建筑设计详图图集13[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[2] 涂逢祥.图书馆目录[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3] 江 亿，林波荣.住宅节能[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

Passive solar energy technology in residential roof energy saving

Cui Mingmin

(JinchengInstituteofArchitecturalDesign,Jincheng048000,China)

The paper analyzes the roof energy consumption of houses, points out the introduction of passive solar energy technique to roof energy-saving, adopts the optimal roof forms and adjustment of thermal effect of roof surface, and has the sufficient use of energy, so as to realize the sustainable development for the zero energy consumption of houses.

passive solar energy technique, roof energy-saving, application

1009-6825(2015)30-0182-02

2015-08-19

崔明敏(1987- )，女，硕士，助理工程师

TU201.5

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