陕南地区农宅平加坡屋顶构造热工性能研究

■肖求波 XIAO Qiubo 贺 永 HE Yong 刘 煜 LIU Yu 吴晓楠 WU Xiaonan

0 引言

陕南地区属于夏热冬冷地区，总体上属山地暖温带湿润季风气候[1]。据当地居民介绍，该地冬无严寒、夏无酷暑，气候宜人。但是，近年来受全球气候变化影响，当地年平均气温呈上升趋势，夏季高温天气持续增加，极端气候和暴雨频次较往年有所增长[2]。

自2010 年以来，在乡村振兴和移民搬迁政策的指导下，陕南地区大量居民从山区搬迁至城镇和中心村定居。村民修建大量的农宅以满足自身住房需求，且其中大部分农宅由村民自己设计和建造[3]。由于当地施工队普遍缺少建筑保温意识，且当地既有农宅也很少使用保温材料，因此，这些农宅的外围护结构保温性能普遍较差。随着生活条件的改善，当地居民普遍使用分体式空调进行夏季制冷和冬季采暖，但因由于建筑围护结构保温性能较差且空调的调节能力有限，大部分农宅均会配置多个空调（几乎每一个主要功能房间配一个空调），造成了大量的能源浪费和污染。在此背景下，如何提升陕南地区农宅外围护结构热工性能，已成为一个重要的研究内容。

陕南地区是我国贫困地区之一[4]，因此，对当地农宅的节能改造，不能采取高技术和高经济投入的方式。通过实地调查，当地部分农宅使用的平加坡屋顶具有较好的改造潜力，可以在有限的经济投入基础上实现较好的节能效果。

1 平加坡屋顶的概念

当代农宅平加坡屋顶的做法来自于当地传统农宅智慧。陕南地区传统农宅多使用夯土墙和木架结构，因为当地气候湿润、降雨频繁，坡屋顶有利于保护墙体免受雨水冲刷。在当代农宅建设中，则普遍采用预制混凝土板搭建平屋顶，并在屋顶上铺设防水层。但是，这一做法的防水性能有限，在当地降雨频繁的气候环境下，屋顶渗水、墙面渗水等现象时有发生。当地居民借鉴传统农宅智慧，在平屋顶之上加盖一个坡屋顶以解决防水问题，这就是平加坡屋顶（图1）。

图1 平加坡屋顶构造图

实地调研发现，传统农宅相对于当代农宅具有较好的保温性能。一方面，传统农宅使用的夯土墙具有较好的蓄热性能和隔热性能；另一方面，传统农宅的屋顶做法也更有利于保温，充分体现了当地居民的智慧。陕南传统农宅会设置阁楼用于储存，因为阁楼通风条件较好且十分干燥，也兼做夏季卧室。阁楼的地板一般采用在木梁之上铺设紧密排布的木板，并在木板之上夯筑密实的黄土，在黄土中掺入秸秆以增强其牢固程度。如此一来，传统农宅的屋顶构成包含3 部分：第一部分是用于防水的坡屋顶；第二部分是用于承重和保温的夯土楼板；第三部分则是介于坡屋顶和夯土楼板之间的空气层。这3 部分构成了室内环境和室外环境之间的“缓冲层”（图2）。本文对当代平加坡屋顶保温性能的思考也源自于对传统农宅屋顶的观察。

图2 陕南传统农宅及其建筑构造

2 平加坡屋顶与平屋顶的保温性能比较

预制混凝土板平屋顶施工简便、价格低廉，普遍使用于陕南地区当代农宅的建设中。但这种屋顶构造的防水性能和热工性能都很差。为了改善农宅防水，许多居民在屋顶上加盖坡屋顶，使用的屋面材料包括彩钢板、小青瓦和机制瓦。经调研，使用机制瓦和小青瓦的加建方式一般是在外墙上砌筑一堵矮墙，矮墙之上搭建木檩条，在檩条之上铺设挂瓦片和瓦。如果对该屋顶构造进行一定的保温处理，可以提升屋顶的热工性能。

平加坡屋顶比平屋顶多了一个空气间层，使得原有平屋顶的外表面不再直接接触室外空气，而是经过坡屋顶内部的空气层进行缓冲；且增设坡屋顶所采用的木构架、瓦片和页岩砖墙都是蓄热材料，能够改善屋顶的整体蓄热性能。笔者认为，在此基础上，在平屋顶部分再铺设一层保温板，则可以使该屋顶的热工性能得到更显著的提升。

2.1 实验对象选取

为了对比相同情况下，经节能改造的平加坡屋顶和平屋顶之间的保温性能差异，本文选取陕南宁强地区某居民安置点的2个农宅作为研究对象。2 个农宅具有相似的平面构造、朝向和外墙构造，其中，平加坡屋顶农宅为实验农宅，平屋顶农宅为对比农宅（图3、4）。选取2 个农宅西北向卧室作为测试房间，并分别命名为1号测试房间（T1）和2号测试房间（T2）。

图3 采用平屋顶的对比农宅

图4 采用平加坡屋顶的实验农宅

2.2 测试过程

选取夏季8 月21—26 日、冬季12 月6—12 日，对实验农宅和对比农宅屋顶的各表面温度和测试房间的室内外温度进行测量，拟通过各屋顶表面温度的变化趋势，探讨平加坡屋顶的被动式隔热性能。

测试内容包括：实验农宅坡屋顶及平屋顶部分的上、下表面温度，1号测试房间的室内外温湿度、风速和黑球温度；对比农宅平屋顶上下表面温度和2 号测试房间的室内温湿度、风速和黑球温度。

测试过程中，测试房间始终处于密闭状态，除工作人员读取测试数据外无人员出入；且测试所使用的仪器保持一致，测试点位置亦保持一致。同时，夏季测试时，为了更好地研究平加坡屋顶的隔热效果，2 个测试房间均无制冷措施；冬季测试时，则在2 个测试房间采用变频电子加热器，将室内温度控制在18 ℃，以研究平加坡屋顶的保温效果。

预研究显示，当地居民自建农宅的平加坡屋顶没有封闭坡屋顶和平屋顶之间的空气层，导致该屋顶构造的隔热和保温效果相对于平屋顶并无显著优势。因此，本研究对测试农宅的平加坡屋顶进行必要的改造，具体内容为：①在平加坡屋顶内部铺设50 mmXPS 带锡箔纸的保温岩棉板；②使用普通防雨布以遮挡平加坡屋顶通风口，使通风口夏季可以打开，冬季则可以封闭。

测试所使用的仪器均符合《建筑热环境测试方法标准》（JGJ/T 347—2014）[5]的相关要求（表1）。测试过程中的部分仪器安置如图5 所示，测点位置如图6 所示。

图5 测试过程中部分仪器安置

图6 测点位置分布图

表1 使用仪器信息表

2.3 夏季测试结果与分析

为了便于研究，选取测试过程中的典型日期进行对比分析。夏季选取时间为8 月23 日，天气晴朗，微风。当日室外最高温度为32.8 ℃，出现在13:50；最低温度为20.8 ℃，出现在早晨6:50；平均温度为25.7 ℃，昼夜温差为12 ℃。

2.3.1 平加坡屋顶测试结果分析

从图7 可以看出：①实验农宅平加坡屋顶的上表面为机制瓦，该表面温度在太阳出来之前比室外温度约低4 ℃，在太阳出来之后，琉璃瓦屋面升温迅速，且最高能升温至57 ℃，出现时间为14:20；而平加坡屋顶内部的空气温度变化幅度则小得多，且与平屋顶部分的上表面温度接近。②平屋顶部分上表面最高温度为36.3 ℃，出现在14:20；最低温度为22.5 ℃，出现时间为早晨6:50；平均温度为28.2 ℃。③平屋顶部分下表面最高温度为27.8 ℃，出现时间为19:50；最低温度为26 ℃，出现时间为上午10:00；平均温度为26.9 ℃。④1 号测试房间的室内温度变化较为平缓，最高温度为29.2 ℃，出现在18:40；最低温度为25.7 ℃，出现在上午9:30；平均温度为27 ℃，昼夜温差为3.5 ℃。

图7 平加坡屋顶各测点夏季温度变化图

结果显示，平屋顶部分对外界温度具有显著的延迟效果。

2.3.2 平屋顶测试结果分析

从图8 可以看出：①对比农宅的平屋顶上表面温度最高温度为42.3 ℃，出现在14:00；最低温度为22 ℃，出现在早上6:20；平均温度为30 ℃。②该屋顶下表面最高温度为41.1 ℃，出现在18:00；最低温度为26.2 ℃，出现在早晨8:00；平均温度为26.2 ℃。③2 号测试房间室内最高温度为33.5 ℃，出现在18:20；最低温度为27.6，出现在早晨7:10；平均温度为29.6 ℃，昼夜温差为6 ℃。

图8 平屋顶各测试点夏季温度变化图

2.3.3 结果对比

从上述测试结果可以看出：①在相同环境下，1 号测试房间的室内平均温度低于2 号测试房间（约2.7 ℃）；②1 号测试房间的昼夜温差也低于2号测试房间（约2.5 ℃）；③平屋顶对室外温度具有较好延迟作用，从而避免了室内温度随室外温度剧烈变化；④平加坡屋顶的隔热性能明显优于平屋顶，这是因为平加坡屋顶的双层屋面对太阳辐射遮挡效果更显著，且屋顶采用的蓄热材料对温度上升具有较好的延迟效果。

2.4 冬季测试结果

冬季测试过程中，2 个测试房间均采用同一型号的变频加热器对室内进行加热，根据《民用建筑热工设计 规 范》（GB 501761—2016）[6]的相关要求，室内采暖设定温度为18 ℃。变频加热器的工作特点是，它会根据室内温度调整自身加热功率，从而使室内温度维持在一个相对恒定的水平。测试时，使用一个电子电能表记录加热器的电能消耗。本文通过将电能消耗转化为标准煤并除以建筑面积，来计算单位建筑面积能耗（kg/ m2）。通过对比2 个测试房间的单位建筑面积能耗差异，可以反映出屋顶保温性能的差异。

标准煤转化公式采用《农村住宅用能核算标准》（CECS 309：2012）[7]的相关要求。即：

式中，Qdn为电能的标准煤折算量（kg）；kdn为标准煤折算系数，取308 g/(kWh)；Ndn为电能的使用量（kWh）。

本文选取12 月10 日的测试结果为代表，分析各测点温度变化。该日天晴、微风，室外最高温度为21.1 ℃，出现在15:30；最低温度为-1.1 ℃，出现时间为早晨7:50；室外平均温度为7 ℃，昼夜温差为22.2 ℃。

2.4.1 平加坡屋顶测试结果分析

如图9 所示：①平加坡屋顶的上表面最低温度为-5.6 ℃，最高温度为25.2 ℃，温度变化幅度较大，且随室外温度变化明显。②平屋顶部分，上表面最高温度为15 ℃，最低温度为3.4 ℃，平均温度为8.4 ℃；下表面最高温度为19.4 ℃，最低温度为16.5 ℃，平均温度为18.4 ℃。③1 号测试房间室内最高温度为18.8 ℃，最低温度为16.8 ℃，平均温度为18.3 ℃。可以看出，室内温度基本维持稳定，但在测试人员于15:40 进入室内进行数据读取时，有一些扰动，之后恢复正常。

图9 平加坡屋顶各测试点冬季温度变化图

电能表读数显示，在室内维持18 ℃的过程中，1 号测试房间的单日平均电能消耗为34.9 kWh。该房间面积为14 m2，按照标准煤折算，可知其单位建筑面积标准煤耗为0.77 kg/m2。

2.4.2 平屋顶测试结果分析

由图10 可以看出：①平屋顶上表面最高温度为12.1 ℃，最低温度为0.4 ℃，平均温度为5.7 ℃；②下表面最高温度为20.9 ℃，最低温度为13.8 ℃，平均温度为16.9 ℃；③2 号测试房间室内最高温度为18.9 ℃，最低温度为16.2 ℃，平均温度为17.6 ℃。结果表明，在加热器持续工作的状态下，2 号测试房间的温度也难以维持在稳定水平，而是随室外温度变化出现缓慢的变化，在夜晚，其室温难以达到18 ℃。

图10 平屋顶各测试点冬季温度变化图

电能表读数显示，在设定室内维持18 ℃的过程中，2 号测试房间的单日平均电能消耗为48.5 kWh。该房间面积为11 m2，按照标准煤折算，可知其单位建筑面积标准煤耗为1.07 kg/m2。

2.4.3 结果对比

上述测试结果表明：①在室内设置加热器的情况下，1 号测试房间室内温度能够较好地维持在18 ℃，而使用平屋顶的2 号测试房间则易受环境变化影响；②1 号测试房间的单日单位建筑面积能耗低于2 号测试房间（约0.3 kg/m2）；③如按陕西西安地区采暖时间为每年11 月15 日至次年3 月15 日共120 d 计算，对于建筑面积为100 m2的建筑，采用平加坡屋顶比使用平屋顶节省标煤约3.6 t。总而言之，平加坡屋顶相对于平屋顶具有更好的保温效果。

3 结语

在全国乡村振兴和农村居民生活水平不断提升的大背景下，农宅围护结构热工性能的改善，是一个需要深入研究的内容。由于农村居民经济条件有限，针对农宅的保温改造不能像城市住宅那样使用高技术和高经济投入的做法。本研究对当地农宅采用的平加坡屋顶进行简单节能改造，经一系列的测试证明，该改造能够显著提升农宅屋顶的热工性能。因本改造所使用的材料是普通的XPS 保温板，可以在市场上获得，不会明显增加农宅建设的成本；且本次保温改造的施工过程完全由当地施工队完成，因此，在当地具有较好的推广价值。