屋面建筑节能设计措施探讨

2015-10-21许捷

建筑工程技术与设计 2015年21期

关键词：节能

许捷

【摘要】随着我国城市化进程的发展，对资源的需求也越来越大，而我们知道，资源是有限的，建筑能耗在我国总能耗中所占的比例是很大的，约为25%-40%。与世界发达国家相比还有相当大的差距，例如，我国绝大多数采暖地区围护结构的热功能性都比气候相近的发达国家要差许多，外墙传热系数为他们的3.5-4.5倍，外窗为2-3倍，屋面为3-6倍；而且单位建筑面积的能耗还很高，能源利用率还很低，仅为28%，欧美平均近50%，日本为57%。要使得社会长远的发展就必须要遵循可持续发展的发展原则，节约资源，这样才能使得资源长久地利用。在我国的城市化进程中，在城市的建筑中也要实施可持续发展的举措，这对我国的长久发展有着十分重要的意义。在建筑方面实施节能的举措时，屋顶作为一种建筑物外围护结构所造成的室内外温差传热耗热量，大于任何一面外墙或地面的耗热量。夏季日照时间长，而且太阳辐射强度大，通常水平屋面外表面的空气综合温度达到60～80℃，顶层室内温度比其下层室内温度要高出2～4℃。因此，提高屋面的保温隔热性能，对提高抵抗夏季室外热作用的能力尤其重要，这也是减少空调耗能，改善室内热环境的一个重要措施。在多层建筑围护结构中，屋顶所占面积较小，能耗约占总能耗的8%-10%。据测算，每降低1℃，空调减少能耗10%，而人体的舒适性会大大提高。因此，加强屋顶保温节能对建筑造价影响不大，节能效益却很明显。本文就屋面节能方面的技术进行了初步的理论进行一些简单地探讨，期望能对工程设计起到某种参考作用。

【关键词】屋面建筑；节能；设计措施

0.引言

我国有很多的城市，气候十分适宜人居住，而在云南之类的这种地区的建筑在考虑节能的同时还要考虑建筑的居住舒适程度，这是建筑节能技术应用的前提条件。在屋面建筑的方面要注意屋面要有一定的保温，隔热等的基本功能。还要提高采暖、空调、照明系统的运行效率，减少能耗，加强科学合理的管理，利用可再生能源[1]。

根据地域，气候来进行屋面建筑节能设计技术的实施，屋面是一个比较好利用的空间，屋顶的光照充足，空间较大，且不占用土地面积，对屋面的利用将有效地节约建筑资源，进而使得我国的资源合理可持续发展。

1. 屋面建筑节能设计的优势

1.1加快我国经济化快速发展

我们都知道我国占地面积广阔，资源也相对较多，但是我国人口众多，人均资源远远不够，低于世界平均水平。自然资源可以说是相对比较匮乏的，这也是制约我国经济快速发展的主要因素之一，而只有做到节约能源，发展能源节约技术，才能解决我国资源严重不足的问题，这样才有利于我国经济等各个方面的快速稳定健康发展，进而促进我国在世界上国家地位的提高，有利于我国的快速发展。

1.2建筑节能有利于改善人们的建筑环境

随着现代化建设的发展和人们的生活水平的提高，人们越来越需要一个舒适的建筑热环境[2]。在设计中根据地域特点有效地做到合理利用有限资源，才能真正满足人们对建筑的要求，进而得以改善人们的居住环境。

1.3有利于国家可持续发展措施的实施

我国的基本国情就是国家资源总量大，但是人口基数大，造成了人均资源严重不足的现象，所以在使用自然资源的时候我们就要十分重视资源的持续发展，回收利用。而建筑的节能技术可以有效地解决建筑资源不足的问题，有利于国家实施可持续发展的措施。

在建筑设计的时候要考虑到资源的有效利用，制定最节约资源的建筑方案，设计出一个符合我国国情，节约能源的建筑，达到有效节约资源的目的。

2.屋面建筑节能设计措施分析

2.1建筑设计中进行屋面绿化

建筑的节能设计还要考虑到光、热、风等环境的问题，而云南地区的光线是比较强烈的，我们可以利用屋顶的闲置的空间进行绿化发展，在屋顶上种植的植物可以进行充足的光照，风雨的洗礼。这种利用空间的方法不仅可以有效的利用屋顶的闲置的空间，还可以有效地避免光线对屋顶的直接照射，进而就可以控制建筑内部的热度，云南的夏天虽然不熱，但是还是偶尔的有一段时间的比较炎热的，所以这样的方法就可以有效的降低建筑内部的温度，进而调节建筑的温度，有利于增加人们在建筑内的舒适程度也是一个有效地保护建筑的措施之一。

这样的利用空间的技术可以节省大量的空间，节约徒土地面积，还可以扩大绿色植被的面积，有利于环境的改善绿化，降低城市夏天温度高的问题，植物还可以减少噪音，有利于城市环境的改善，可以改善空气质量。

随着我国城市化进程的高速发展和建筑面积的急剧增加，建筑能耗将更加巨大，"城市热岛"现象将更为严重。城市建筑实行屋面绿化，可以大幅度降低建筑能耗、减少温室气体的排放，同时可增加城市绿地面积、美化城市、改善城市气候环境。

2.1.1屋面绿化的保温隔热性能

当平屋面上的找坡层平均厚100mm，再加上覆土厚度为80mm的屋面，其传热系数K<1.5W/m2.k，若覆土厚度大于200mm时，其传热系数K<1.0W/m2.k。夏季绿化屋面与普通隔热屋面比较，表面温度平均要低6.3℃，屋面下的室内温度相比要低2.6℃。因此，屋顶绿化作为夏季隔热有着显著效果，可以节省大量空调用电量。提高建筑物的隔热功能，可以节省电能耗20%。对于屋面冬季保温，采用轻质种植土，如80%的珍珠岩与20%的原土，再掺入营养剂等，其密度小于650kg/m3，导热系数取值为0.24W/m.k，基本覆土厚度为220mm，可计算出k值<1。

2.1.2屋面绿化对周围环境的影响

建筑屋顶绿化可明显降低建筑物周围环境温度（0.5℃-4.0℃），而建筑物周围环境的温度每降低1℃，建筑物内部空调的容量可降低6%，对低层大面积的建筑物，由于屋面面积比墙面面积大，夏季从屋面进入室内的热量占总围护结构得热量的70%以上，绿化的屋面外表面最高温度比不绿化的屋面外表面最高温度（可达60℃以上）可低20℃以上。而且城市中心地区热气流上升时，能得到绿化地带比较凉爽空气流的自然补充，以调节城市气候。种植屋面保温效果很明显。特别干旱地区，入冬后草木枯死，土壤干燥，保温性能更佳。保温效果随土层厚增加而增加。种植屋顶有很好的热惰性，不随大气气温骤然升高或骤然下降而大幅波动。绿色植物可吸收周围的热量，其中大部分用于蒸发作用和光合作用，所以绿地温度增加并不强烈，一般绿地中的地温要比空旷广场低10-17.8℃。另外屋面绿化可使城市中的灰尘降低40%左右；可吸收诸如SO2、HF、CL2、NH3等有害气体；对噪声有吸附作用，最大减噪量可达10分贝；绿色植物可杀灭空气中散布着的各种细菌，使空气新鲜清洁，增进人体健康。

屋面绿化的造价为70--120元/m2，与普通隔热屋面相似，从使用角度分析，改造一个上人活动的绿化屋面每平方米只需增加100元左右。总之，屋面绿化的普及和实施是有利于环境、有利于城市、有利于居民的综合性好事，应积极推广。

2.2蓄水屋面

蓄水屋面就是在刚性防水屋面上蓄一层水，其目的是利用水蒸发时，带走大量水层中的热量，大量消耗晒到屋面的太阳辐射热，从而有效地减弱了屋面的传热量和降低屋面温度，是一种较好的隔热措施，是改善屋面热工性能的有效途径。

2.2.1蓄水屋面的隔热性能

在相同的条件下，蓄水屋面比非蓄水屋面使屋顶内表面的温度输出和热流响应要降低得更多，且受室外扰动的干扰较小，具有很好的隔热和节能效果。对于蓄水屋面，由于一般是在混凝土刚性防水层上蓄水，既可利用水层隔热降温，又改善了混凝土的使用条件：避免了直接暴晒和冰雪雨水引起的急剧伸缩；长期浸泡在水中有利于混凝土后期强度的增长；又由于混凝土有的成分在水中继续水化产生湿涨，因而水中的混凝土有更好的防渗水性能。同时蓄水的蒸发和流动能及时地将热量带走，减缓了整个屋面的温度变化；另外，由于在屋面上蓄上一定厚度的水，增大了整个屋面的热阻和温度的衰减倍数，从而降低了屋面内表面的最高温度。经实测，深蓄水屋面的顶层住户的夏日温度比普通屋面要低2～5℃。因此，由于上述优点，蓄水屋面现在已经被大面积推广采用。

2.2.2蓄水屋面的水深

但是，要设计一个隔热性能好，又节能的蓄水屋面，必须对它的传热特性进行动态分析和计算，以确定蓄水的深度究竟取为多大才比较合适。蓄水屋面有普通的和深蓄水屋面之分。普通蓄水屋面需定期向屋顶供水，以维持一定的水面高度。深蓄水屋面则可利用降雨量来补偿水面的蒸发，基本上不需要人为供水。水深为50mm时，屋顶外表面及顶棚面最高温度比不蓄水时降低了许多。由水深曲线可知，单纯增加水深对降温效果不很明显。气象资料表明，华中地区由于夏天天气炎热，蒸发量较大，日平均蒸发量在9mm左右，若无降水期长达30-50天，水太浅无人看管时，可蒸发掉水深270-450mm水，一般说来水深400mm较适宜。蓄水深度超过一定程度则降温效果不明显，且蓄水过深，使屋面静荷载增加，将会增加结构设计难度。

2.3浅色坡屋面

目前，大多数建筑仍采用平屋顶，在太阳辐射最强的中午时间，太阳光线对于坡屋面是斜射的，而对于平屋面是正射的，深暗色的平屋面仅反射不到30%的日照，而非金属浅暗色的坡屋面至少反射65%的日照，反射率高的屋面大约节省20%--30%的能源消耗，美國外境保护署U.S.EnvironmentalProtectionAgence（EPA）和弗罗里达太阳能中心FloridaSolarEnergyCenter的研究表明使用聚氯乙烯膜或其他单层材料制成的反光屋面，确实能减少至少50%的空调能源消耗。在夏季高温酷暑季节节能减少10%--15%的能源消耗。因此，隔热效果不如坡屋面。而且平屋面的防水较为困难，且耗能较多。若将平屋面改为坡屋面，并内置保温隔热材料，不仅可提高屋面的热工性能，还有可能提供新的使用空间（顶层面积可增加约60%），也有利于防水，并有检修维护费用低、耐久之优点。因此坡屋面的设计必须搞好屋面细部构造设计，保温层的热工设计，使其能真正达到防水、节能的要求。限于篇幅，本文对其细部构造及保温层热工设计不作探讨。

2.4倒置式屋面

倒置式屋面是与传统屋面相对而言的。所谓倒置式屋面，就是将传统屋面构造中的保温层与防水层颠倒，把保温层放在防水层的上面。倒置式屋面的定义中，特别强调了"憎水性"保温材料，工程中常用的保温材料如水泥膨胀珍珠岩、水泥蛭石、矿棉岩棉等都是非憎水性的，这类保温材料如果吸湿后，其导热系数将陡增，所以才出现了普通保温屋面中需在保温层上做防水层，在保温层下做隔气层，从而增加了造价，使构造复杂化。其次，防水材料暴露于最上层，加速其老化，缩短了防水层的使用寿命，故应在防水层上加做保护层，这又将增加额外的投资。再次，对于封闭式保温层而言，施工中因受天气、工期等影响，很难做到其含水率相当于自然风干状态下的含水率：如因保温层和找平层干燥困难而采用排汽屋面的话，则由于屋面上伸出大量排汽孔，不仅影响屋面使用和观瞻，而且人为地破坏了防水层的整体性，排汽孔上防雨盖又常常容易碰踢脱落，反而使雨水灌入孔内。倒置式屋面与普通保温屋面的比较如下表，由表可知，倒置式屋面的优越性显而易见。

节能屋面优劣比较表

性能工法

USD屋面（XPS）

BUR屋面

水泥珍珠岩屋面

保温隔热性

极佳

视选用材料

高厚度才能达到XPS的标准

施工方便性

施工简易、质轻好搬、易切割、施工期短、成本无形中降低

需考虑防水层的施工与防水材料的选用，要配合绝热材增加施工麻烦

施工困难、搬运慢且需要做隔气层与排气孔，施工期长，成本无形中增加

屋顶结构负荷

极小（40kg/m3）

视选用材料

极大（400kg/m3）

老化性

几乎不老化，可以说与建筑物同寿无翻修问题

防水层一旦破裂，绝热材可能也会老化分解

一旦受潮就开始有老化分解现象，时候一到就要翻修

排气孔隔气层

不需要

某些情况需要，如室内是潮湿环境

一旦受潮就开始有老化分解现象，时候一到就要翻修

屋顶使用性

屋顶可再利用，如花园

高

因有隔气层再利用性低与不便

施工气候性

无特别要求甚至雨天也可施工

需晴天

需好天气

施工队专业性

不需专业训练施工极为简易人人都会

因在防水层下方先选用材料决定施工难易

施工人员需训练过

防水层日后维修性

方便只要移开XPS即可

一旦修补可能连绝热层都一齐伤损

不易

注：USD工法----将绝热层放在防水层上方的工法。（UP-SIDEDOWN）

BUR工法----将绝热层放在防水层下方的传统工法。

XPS-----挤塑式聚苯乙烯保温板

2.5建筑通风性能的设计

根据冬天和夏天风的主要方向来进行建筑的设计，尽量使用自然的通风来解决建筑的通风问题，让建筑在夏天也可以有足够的风通过，带走热气，让人们更加舒爽，而冬天发热风则被阻挡在建筑体外，保持室内的温暖，一切的设计都啊哟以人为本，然后对自然资源进行最大化的利用，做到不浪费资源也不滥用资源，优化建筑功能。

2.6屋面太阳能利用

相关研究显示，2009年全国太阳能热水器和热水系统总保有量达到1.45亿平方米，按照普通煤的市场价格来计算，相当于节省了225亿元人民币，一年可减排二氧化碳约4451万吨。太阳能光伏发电更可以满足人们日常生活所需的电力。仅上海世博会园区，光伏建筑的太阳能发电规模达到4.68兆瓦，年均发电可达406万千瓦时，减排二氧化碳总量逾3400吨。太阳能作为一种无处不在、取之不尽用之不竭的清洁能源，其巨大的生态和经济价值正日益受到重视。

太阳能热水器的成功应用是环保节能屋面创新应用的例证，太阳能热水器的主要功能就是节能、环保、便捷安装、使用快捷、加热迅速，节省了大量的电能[3]。随着能源可持续利用的趋势发展，太阳能的利用逐渐普及，这是一个十分有效地节约能源的方法。

在具体的应用實施过程中，我们要考虑屋面的设计结构，以便进行有效的安装，只有有效的安装才能充分有效地利用太阳能进行日常的洗漱工作。

还要建立一个功能齐全的发电系统，有效地为人们提供持续的发电功能，这样可以减少人们使用太阳能发电系统不够优化的忧虑，强化太阳能电池，尽量减少能源的损失，使得屋顶的设计更加节能且具有一定的生活功能。

2.5合理选择建筑材料

建筑的设计过程中一个必要的环节就是建筑材料的选择，合理的建筑材料可以节省很多的能源，在选择建筑材料的时候要考虑到是否能节省能源，以最有效的材料做出最好的建筑，而不是浪费了大量的无用材料之后才考虑到这个问题。随着科学技术的飞速发展，大量的高科技建筑材料已经被开发出来，我们在建筑设计的时候就可以采用高科技的建筑材料，将高科技的建筑技术应用到建筑设计中去，以求达到节约建筑资源的目的，达到可持续发展。

3.结束语

在经济技术，科学技术飞速发展的今天，资源的合理有效利用已经是人们普遍关心的问题，屋面建筑节能设计是一门节约能源的技术，在城市化的今天，我国主要面临的问题就是建筑资源紧缺的问题，而根据地域特点进行屋面建筑节能设计将有效地解决建筑资源紧缺的问题，有利于我国的可持续发展。

参考文献：

[1]赖竹寒，李家泉.尊重·顺应自然利用·享受自然：温和地区居住建筑节能设计标准编制的技术路线和设计措施[J].建筑创作.2011：144

[2]马瑞芳.浅析建筑节能设计与措施[J].中华民居（下旬刊）.2014：64

[3]陈良波，屋面建筑节能设计对策分析[J].价值工程.2011（161）：152

[1].张进嘉，陈大昆.住宅的优化设计[J]住宅科技2001（2），18-19

[2].王建胜，王军.倒置式屋面在今后住宅中的地位[J]四川建筑科学研究2001（1），75-76

[3].浅色屋顶---节能省钱[N]2002--10-12

[4].孟祥柱.推广坡屋面改造平屋面势在必行[J]工程质量2003（1），42

[5].唐鸣放，孟庆林.蓄水屋面强化隔热研究[J]建筑技术开发2000（6），36

[6].刘少斌.蓄水屋面的设计与施工[J]湖南城建高等专科学校学报2000（4），21-22