通风屋顶隔热性能影响因素综述

龙正熠 李晓杰 李光辉 罗清海 邓滔文

南华大学土木工程学院

0 引言

在经济的发展和物质生活水平提高的背后，付出的是能源的高额支出，其中建筑行业的能耗需求已成为主要部分[1］，在我国，建筑全生命周期能耗已占全国能源消费总量的46.5%，碳排放总量为全国能源碳排放的51.2%[2］，为此，我国推出了一系列政策来大力发展绿色建筑。相比于主动式节能技术，被动式节能技术在节能减排方面享有天然的优势，通过采取预防措施，在遮阳和通风等方面，不需额外消耗能量就能削减或是阻断外部热量通过围护结构进入室内。不少文献已经证实通风屋顶在减少室内得热方面有着优异的表现性能[3］，本文基于以往对通风屋顶隔热性能的研究，对影响通风屋顶隔热性能的相关因素进行了归类和总结，并对通风屋顶未来的研究方向提出见解。

1 主体结构

通风屋顶主体结构大致分为遮阳层、通风层和保温隔热层，如图1 所示。通常遮阳层以椽条和檩条等支撑构件架设在保温层上，其与保温层之间形成的通风空隙为通风层，通风层可以使气流通过以带走部分热量，为增强通风量，屋顶一般设有一定的倾斜角度。

图1 通风屋顶结构示意图

遮阳层一般由轻质非透明材料构成，如钢板铁皮、薄土瓦片、瓷砖瓦块等，其特点是外表面反射率较高，能够有效减少外表面太阳辐射得热量，且由于其较差的蓄热特性，遮阳层的热响应时间较短，当太阳辐射强度逐渐增大时，遮阳层也能同步升温，加热通风层上侧气流，从而增强空腔热压作用，增大空腔气流流量而带走更多热量。为避免遮阳层过高的温升对保温隔热层产生较大的热辐射作用，可以在保温隔热层上表面或者遮阳层下表面设置辐射屏障，如铝箔等，以减少保温层得热[4-5］；由于支撑构件的存在，通风层间的气流流动会受到一定的影响，将圆边支撑构件设置为圆边会比方边的更有利于通风层层间气流的流动[6］；保温隔热层一般采用传统构造方法，但近年来更多人研究使用相变材料作为保温隔热层，这进一步增大了屋顶的热惰性及蓄热能力，更有利于室内热舒适环境的营造[7-8］。

2 研究方法

对通风屋顶节能效果的研究，一般采用数值模拟的方法，如采用CFD 模拟技术，将物理模型进行建模及网格划分后，在设定边界条件的基础上，对质量、能量及动量守恒方程和N-S 方程等进行求解，其关键是针对通风层气流流态选择恰当的求解模型，不同的求解模型会对模拟结果产生一定的影响，对于湍流模型，采用Realizable k-ε模型的模拟结果更加理想[9］；其次是试验测试，多数为室内搭建测试平台，在定边界壁温或者定热流的条件下测量通风层各表面温度及出入口风速等，其目的主要是用以验证数值模拟模型的正确性；少数也有对实际搭载了通风屋顶的建筑进行数据测量[10-12］，以分析实际条件下通风屋顶的隔热性能；另也有采取理论计算或建立预测模型的研究手段，如Ciampi M等[13］采用热阻网络法对通风层传热热阻进行分析和处理，其采用经验公式或者半经验公式，如Haaland 公式及Gnielinsk 公式来计算通风层内的对流换热热阻；Gómez V H H 等[14］则基于全局能量平衡法提出了新的计算模型，并用Mathematica 程序对模型方程进行求解。此外，Tzuc O M 等[15］采用多基因遗传规划(MGGP)方法建立了平顶自然通风屋面得热模型，基于实验测试数据对该模型进行驯化，用于预测通风屋顶得热情况；Tong S 等[16］基于MATLAB 程序，采用解析复杂快速傅里叶变换(CFFT)方法对自然通风房间多层屋面的瞬态温度和传热热通量进行了预测。以上研究文献均表明，相对于传统屋顶，在夏季通风屋顶具有更好的隔热性能。

3 隔热性能影响因素

就通风屋顶自身而言，其隔热性能与遮阳层隔热能力、通风层的排热量及保温层隔热效果密切相关，此外也会受到环境因素，诸如太阳辐射强度、室外气温及风环境等的影响。为量化分析影响通风屋顶热性能的因素，给出合理的通风屋顶设计方案，多数文献采用了数值模拟结合室内试验的方法对通风屋顶进行了进一步的研究和分析。

3.1 表面发射率

表面发射率对通风屋顶热性能的影响，主要体现在削减辐射传热的过程上。通风屋顶由于空腔的存在而有多个表面，虽然遮阳层外表面受太阳辐射直接影响，但降低通风层内上下表面发射率,减少通过通风屋顶的热流密度的效果更加显著[17］，一般采用增设辐射屏障的方式，如增设铝箔或者低发射率涂层来降低表面发射率，设置位置如图2 所示。当通风层内上下表面发射率从0.8 降低至0.15 时，可以使通过通风屋顶的总热流密度减少48%，而遮阳层外表面及通风层内上下表面发射率均由0.8 降至0.15 时，通风屋顶的总热流密度降低了59%[18］，当仅降低遮阳层外表面发射率至0.09 时，热流密度降低了23%~25%[19］，以上数据说明削减二次传热过程中遮阳层温升对保温层的辐射换热作用可能比削减太阳辐射对遮阳层的直接影响作用更大，但文献[17］[18］的数据结果是在太阳辐射强度为800 W/m2的条件下得出的，上述结论可能还缺乏不同太阳辐射强度数据的支撑。此外，Roels S 等[4］指出降低表面发射率与减少室内得热并非是线性关系，当上下表面发射率由0.8降至0.47时，通过屋顶进入室内的热流密度仅降低了2%左右，为保证有较好的隔热效果，通风层上下表面发射率应尽可能低，同时也应注意长时间使用后会由于积尘的影响而增大上下表面发射率[4］。

图2 辐射屏障设置示意图

3.2 屋顶水平倾角

虽然同是夹层空腔气流流动的通风结构，但通风屋顶对倾角设计的要求与太阳能烟囱及太阳能集热器不同，后两者是要求尽可能接收到太阳辐射，故而其倾角设计与当地地理纬度相关，纬度越高，水平倾角越大[20］，所能接收到的太阳辐射量也越大；而通风屋顶的要求是减少太阳辐射得热的影响，通风层的构建可以有效利用气流通风而削减太阳辐射的影响，因此，通风屋顶倾角改变的影响主要体现在通风层内气流流态的发展上，作用于通风层内上下表面热边界层及速度边界层的形成和发展[21］，影响着层间通风气流速率[22］及上下表面平均对流换热系数[21］。一般而言，水平倾角越大，越有利于加速通风层内的自然对流及增强层内上下表面对流换热[23-24］，从而降低室内得热，柳晟等人[25］表明当屋面倾角从15°增加到45°时，最大热流和日透过热量分别约降低40%和39%，但当水平倾角超过33°时，保温层上表面的平均温度及通过保温层的热流密度下降幅度有限[26］，倾角的增大对壁面温度的影响不大[27］；Lee D S等人也指出对于这种夹层通风结构，水平倾角为45°时，通风层内气流流动的阻力最小[28］；再综合考虑到建筑的功能性、美观及屋顶的结构特性和建造成本等因素，通风屋顶水平倾角设计推荐值在33°~40°范围内[26］。值得一提的是，对于屋顶水平倾角的结构设计，Hirunlabh J 等人[29］提出了一种接近于传统泰式风格建筑的多倾角通风屋顶结构，如图3所示，该结构尽可能地设置较大的水平倾角来获得更大的通风量，结果也显示，相比于该文献中的其它屋顶设计，通风屋顶结构a的通风量最大。

图3 多倾角通风屋顶结构[29]

3.3 通风层间距

尽管通风层间距（h）对通风屋顶整体热性能的影响不如表面发射率和屋顶倾角[17］，但它直接影响着通风层内上下表面热边界层及速度边界层的形成和发展，以及间接影响层内气流流态的转捩[9,21,30］，最终影响到屋顶的通风量及通风层内由气流带走的热量。较大的通风层间距虽然会减少支撑构件对气流的阻力影响，但也同时降低了层内热压作用的效果，研究表明，通风层间距由4 cm 改为6 cm 时，通过通风屋顶的最大热流密度减少了6.6%，而由6 cm改为10 cm 时，其最大热流密度仅减少了2.0%[25］，Giacomo Villi 等人[31］也表明通风层高度在5 cm 时其整体隔热性能最好，但与10 cm 时的热性能相差不大，而当超过10 cm 时对屋顶整体传热基本没有影响[32］，所以将通风层间距设置在6～10 cm 范围内[18,26］，通风屋顶能获得较好的隔热性能。但值得指出的是，文献[18］[32］是在太阳辐射强度分别为800 W/m2及600 W/m2的条件下得出的结论，亦缺乏不同太阳辐射值条件下的研究数据，而文献[25］[26］[31］虽然模拟了全天的太阳辐射变化情况，但Li D 等人[26］没有研究在通风层间距为10～14 cm之间屋顶得热情况的变化，柳晟[25］及Giacomo Villi 等人[31］也没有对通风层间距超过10 cm的通风屋顶进行模拟分析。有趣的是，Lai C 等人[33］指出，当通风层间距与其内上下表面的热边界层厚度非常接近时，此时的通风层排热量最大；Alzwayi A S等人[9,30］也表明通风层内的气流发展会受到通风层上表面以及通风层内整体平均温升的影响，导致通风层内气流提早发生转捩，使得上下表面热边界层的发展也会受到影响，因此，对于通风层最佳间距的选取，除了要考虑通风屋顶自身结构及材料以外，还需要结合通风屋顶所在地区的年太阳辐射强度及年室外空气温度作进一步分析。

3.4 保温隔热层

保温隔热层的厚度和材料的选用直接影响着通风屋顶的综合传热热阻，工程上一般选取EPS 聚苯板、XPS 挤塑板、膨胀珍珠岩块等作为保温隔热材料，显然，其厚度越大，能降低通过屋顶的最大热流密度的比例也越大[25］，室内天花板表面温度也会有显著的降低[18,25］，但相应地保温隔热层上表面的温度会升高，通风层内的气流质量流量也会随之上升[18］，总体而言，通风屋顶整体的隔热效果会随着保温隔热层厚度的增加而增加[9］，但受限于屋顶结构设计与成本考虑，保温层厚度会受到限制，Biwole P H 等人[18］推荐保温层厚度为5 cm。近年来，由于相变材料优异的保温性能和蓄热特性，其在建筑领域内的应用越来越广泛[34］，相变材料对建筑围护构件的增益主要体现在其对温度波动的“移峰削谷”作用上，减小室内温度的波动范围；选用相变温度接近于人体舒适温度的相变材料分别布置在通风屋顶外表面及作为保温层，如图4所示，不仅可以使室内峰值温度降低16.9%~18.8%，显著推迟峰值温度的出现时间[7］，还可以有效降低室内热环境的不满意率[8］。

图4 相变材料布置示意图

3.5 其它因素

由于通风屋顶的结构特性，影响其隔热性能的因素并不局限于上述4种，通风层的纵向宽度[23］，轴向长度（L）[22,27,29］，进出口面积之比[26］，通风层上下表面的摩擦系数[13］等都会对通风屋顶的隔热性能产生或多或少的影响。此外，考虑风压作用下的通风屋顶，其倾角还需要结合风向来设置，对于水平倾角为60°的通风空腔，只要是水平方向吹来的风都会导致空腔质量流率的下降[35］；Lee S 等人[36］还研究了带肋板的通风屋顶隔热性能，发现肋板虽然会使得通风层的排热能力变大，但也会导致更高的通风层下表面温度，为利于室内热环境舒适的营造，需在保温层上表面增设热阻断。

可以看出，研究以上因素的文献较少，但这并不表明这些因素对通风屋顶隔热性能的影响效果不如前文提及的因素，相反，这说明了在这些因素方面，通风屋顶可能还有更多的节能潜力值得进一步分析，后续的研究者们也许可以在此更加深入下去，发掘出更多有意义的结论，让通风屋顶的研究更加全面和细致。

4 总结

总体而言，基于对目前影响通风屋顶隔热性能因素的量化分析，表面发射率可能对其影响最大，在通风屋顶设计中应首要考虑降低通风层上下表面的发射率；其次则可能是屋顶水平倾角，而屋顶不仅承担着遮阳的作用，还要起着挡雨的功能，张涛[37］表明中国传统民居建筑的屋顶坡度主要与地区年降雨量有关，要想将通风屋顶应用于传统民居，可能还需要对通风屋顶倾角设计给予更多的考量。此外，大多数文献都是依据室内试验及数值模拟来展开对通风屋顶隔热性能的研究，虽能有针对性地具体研究影响通风屋顶隔热性能的因素，但其对通风屋顶的实际应用作用有限，因为室外实际情况的变化要比室内的模拟更复杂多变，不同地区的地理条件和气候特征都有可能对通风屋顶的隔热性能产生重要影响，一方面表现为通风屋顶的气候适应性，另一方面则是自然因素，如积尘，降雨，锈蚀老化等对其隔热性能的干扰。虽然不少文献给出了通风屋顶最佳设计的参考值，但其可靠性有待进一步的应用研究；对于少数测量实际工程中通风屋顶数据的文献，由于数据的庞杂及不明显的规律表现，很难总结出通风屋顶设计的普适经验，亦缺乏更加深入的分析。

对于部分文献提出的基于大量研究数据来驯化通风屋顶得热预测模型，其从本质上可能要比对单一或者较少工况进行研究的文献结论更加可靠，这也可能是有效剔除室内试验局限性的方式，但是，结合地区的气候特征及地理环境来设计出适应于当地的通风屋顶，给予自然影响因素更加充分的考虑，就如土家族民居通风屋顶设计[10］，设计结合到实处，才能赋予节能真正的意义。