“零耗能”建筑屋顶设计探究

桂益君 朱 吟

（浙江省工业设计研究院，浙江 杭州 310052）

当前社会经济发展过程中，建筑工程项目迅猛发展，建筑数量和建设规模有明显增大，建筑工程施工设计中，人们越来越重视节能材料和节能技术应用。建筑屋顶设计在建筑工程设计中十分关键，当前人们在建筑屋顶设计中越来越重视“零能耗”理念的应用，“零能耗”建筑屋顶重视从设计方面出发，对建筑形体、建筑构造以及外部环境等有充分考虑，提高建筑综合节能效果，取得理想能源使用效益。当前我国“零能耗”建筑屋顶设计逐渐成熟，本文就此展开了研究分析。

1 “零能耗”建筑屋顶设计需要考虑的要素

1.1 在环境方面

建筑屋顶设计需要利用场地规划、建筑朝向、建设材料、建筑构造、建筑形体等方面内容减少不必要的常规能源消耗，这些方面设计在技术要求方面相对较低，建筑设计人员在设计方案时需要对此有足够重视，注意自然采光、建筑空间组织通风等方面内容。

1.2 被动式节能设计

在设计过程中注意利用风能、太阳能、生物质能等替代常规能源，提高节能设计效果。

1.3 主动式节能设计

利用机械设备等为建筑提供能源供应，如应用智能采光通风系统等。

“零能耗”建筑屋顶设计首先要对节能和减排方面问题有足够重视度，从环境方面出发综合分析考虑，利用被动式节能设计和主动式节能设计，实现对建筑生态环境的优化和调节，更好地实现建筑“零能耗”。

2 “零能耗”建筑屋顶设计的概念和原则

2.1 “零能耗”建筑屋顶设计概念

“零能耗”建筑主要是利用节能设计方式使建筑物以及设备的节能效果和能源利用效率得到提升，同时充分利用可再生资源，降低建筑在能源方面消耗，最终实现“零能耗”目标。

“零能耗”建筑本质上而言是减少建筑在能源方面需求，根据不同环境相应设计以及智能系统，营造出一个舒适和良好的建筑环境，使建筑物能源利用效率有明显提升，减少不必要的能耗。另外，充分发挥出风能、太阳能等可再生资源的价值，替代建筑物所消耗的电能和燃料能耗，促使建筑物不利用外界能源供满足自身舒适独立运行需要。

当前世界范围内对“零能耗”建筑的研究和推广有非常高重视度，美国已经完成建设一定数量的“零能耗”建筑，在“零能耗”建筑推广方面获得了政策方面支撑。同时日本、德国等国家在“零能耗”研究方面同样有非常高重视度。我国“零能耗”建筑研究相对较晚，近年在“零能耗”建筑研究方面投入了大量人力和精力，已经取得了一定的成效。

2.2 “零能耗”建筑设计原则

“零能耗”屋顶指的是屋顶热传递能量与屋顶可再生能源利用达到基本平衡状态。研究发现，建筑维护结构能耗在整个建筑总能耗中占1%～3.2%，当前国内建筑在可再生能源利用方面利用率不足1%。也就是说，现阶段我国多数建筑为纯能耗建筑，在这种情况下，若要实现“零能耗”目标，必须要坚持以下两个原则：

第一，降低热传递过程中能量消耗，在建筑工程投资花费中，选择新型维护结构，其成本占总成本3%～6%，能够提升约20%～40%的节能效果。通过对建筑物维护结构热工性能的改善和优化，降低夏季室外热量向室内传导，减少冬季室内温度的损失，能够实现对建筑维护结构热传递消耗有效控制。

第二，提高可再生资源利用率，建筑设计过程中可应用自然通风、自然采光、太阳能等各类节能技术措施，从设计角度出发，与建设单位发展要求相结合，在建筑建设中提高可再生资源利用有效性。通过对可再生资源的综合性利用，能够在提高建筑维护结构热工性能的同时减少建筑不必要能耗。研究发现，建筑充分利用可再生资源，能够降低建筑能耗35%～40%。

3 屋面遮阳系统设计

建筑遮阳系统指的是遮挡阳光，避免阳光对外围护结构的直接照射，最大限度减少太阳热辐射，取得理想节能效果。遮阳在控制室内温度方面有非常好的效果，研究表明，在闭窗情况下，有遮阳室内温度与无遮阳室内温度差2 ℃，平均温度差可控制在1.4 ℃左右，在有遮阳情况下，房间温度波动范围不是很大，整个室内温度场相对较为均匀，能够很大程度上延迟室内温度最高值出现时间。

建筑遮阳系统不仅可以设置在建筑立面，同时还可以应用在建筑屋顶设计中，计算地区日照角，在屋面结构板设计时设计深挑檐。采取这种建筑构造方式不仅能够优化建筑风格，同时还能够有效降低夏季外墙方面的太阳热辐射。另外，屋面遮阳系统设计过程中结合屋顶功能方面需要，在屋顶无绿化区域设计遮阳屋面平板和钢花架等，在减少屋面太阳热辐射的同时为住户营造一个良好的遮阴效果。

4 “零能耗”建筑屋顶设计关键技术

建筑屋顶绿化设计能够使建筑室内和周围环境温度明显下降，最高下降温度可达4 ℃。有数据研究显示，建筑环境温度每下降1 ℃，建筑内部空调在容量方面要求可减少6%。建筑屋顶种植绿化后可以取得非常好保温效果，能够保证室内温度不随外界环境温度变化出现较大幅度波动，可避免外界环境温度突变在建筑内部舒适性等方面影响。尤其在夏季，相比较普通隔热屋面，绿化屋顶表面平均温度可降低6.3 ℃，室内温度可下降2.6 ℃。屋顶绿化后建筑隔热功能明显提高，能够节约20%空调所消耗的电能。通过屋顶绿化还能够使建筑维护构造保温效果有明显提升和改善。

“零能耗”建筑屋顶绿化设计中需要确保有轻质排水、保税耐风、生态性等特点，在选择倒置式综合节能屋顶结构的同时可在建筑有卧室屋顶设计绿化种植区，在面积方面占屋顶50%左右。在建筑构造设计方面总结以往设计经验，一方面选择新的屋面材料，比如轻质薄层架空排水板；另一方面，选择1：2泥炭土种植，加强建筑防水、屋面排水等方面设计。有数据显示，屋面找坡层厚度控制在100 mm，种植覆土厚度控制在80 mm，屋面传热系数可控制在1.5 W/（m2·K），如果种植覆土厚度超过200 mm，传热系数为1.0 W（/m2·K）。与建筑立面设计和屋顶构造设计相结合，控制种植覆土厚度在300～500 mm，传热系数0.404 W（/m2·K）。不仅可以取得较好保温隔热效果，同时还能够在建筑中利用可再生资源。

5 结语

社会经济发展过程中，建筑行业迅猛发展，在建筑建设方面要求也更为严格。尤其在能源危机不断加重情况下，对建筑节能设计有迫切需要。当前我国“零耗能”建筑屋顶设计在实际应用中取得了一定的成果，但是未来发展过程中还需要注意借鉴和总结各类先进经验，重视建筑节能减排方面研究，加大新材料和技术开发力度，推广使用高效节能环保材料，更好地满足“零耗能”建筑屋顶设计需要，提高建筑节能设计有效性，更好地满足当前社会发展过程中人们在建筑节能方面需要。