农村自建房双层通风屋顶的节能效果探究

王虎星，周智勇，苟雪琴

(1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650000；2.云南经济管理学院，云南 昆明 650000)

0 引 言

我国建筑能耗占全国总能耗[1]的11%以上，并且这一比例仍在持续增大，因此建筑节能是我国重点关注方向。安康市全年四季分明，该地区有丰富的太阳辐射（每年平均辐射量4100～4400 MJ/m2），其冬夏两季采暖及制冷负荷需求较大。在其农村地区，由于自建房施工工艺参差不齐，施工工艺多数无法按照国家标准的要求进行建造，因此其屋顶保温及隔热效果不佳、也容易出现渗漏问题。这种现象不仅影响居民的居住，而且降低了整个建筑的使用功能，使整个建筑的使用能耗增加，缩短了使用寿命[2]，因此农村自建房屋顶构造也是重要关注点之一。为解决这一问题，目前农村自建房屋采用的方法是改善屋顶结构，主要是将平屋顶改为坡屋顶[3]。不足之处是在于检修困难、造价较高、如未做成闷顶结构就不能作其他用途。对于农村自建房，在屋顶晾晒粮食、太阳能热水器安装、杂物堆放等也是其重要的用途，相比较传统坡屋顶而言双层通风屋顶，在增强隔热、防水性能同时，又可兼顾屋顶空间利用率。

1 双层通风屋顶结构

1.1 下层保温双层通风屋顶

为了更好探究农村自建房双层通风屋顶应用的节能效果[4]，以夏热冬冷地区农村自建房为研究对象，从全年采暖及制冷能耗的角度出发，首先通过传统经验公式确定最佳通风层高度，再运用ecotect 能耗分析软件，基于安康市的气象数据，对采用双层通风屋面以及传统平、坡屋顶情况下自建房逐月的空调能耗及三种屋顶结构节能率进行分析，为农村自建房屋顶结构优化提供参考。意大利的M. Ciampi 和F. Leccese 建立了双层屋顶模型[5]，并在夏季的真实环境中进行了测试，也证明了双层通风屋顶中的气流可以有效带走热量，比相同结构的不通风屋顶节能30%。双层通风屋顶结构如图1 所示。

1.2 双层通风屋顶最佳空腔间距

在夏季，双层通风屋顶通风窗开启时，室外太阳辐射热量Qout一部分热量Qls由反射和对流传递至外界[6]，流动的空气与上下壁之间发生对流传热，气体从通风窗出口处流出，带走部分热量Qv，减少屋顶的热负荷，提高屋顶隔热性能。进入冬季，可关闭双层通风屋顶的通风窗，使夹层区形成温室。白天太阳照射使空气夹层内空气温度Tgap升高，使下层屋顶上表面温度Tpe升高，从而降低下层屋顶两面的温差，有效阻止室内热量向外扩散，增加屋顶的保温性能。其传热示意图见图2。

通风屋顶传热方程如式(1)所示，通风夹层中空气流动带走的热量Qv，其值越大代表双层屋面的隔热效果越好。在稳态条件下，Qv可表示为式(2)。

式(1)中Qout为太阳辐射热量；Qls为反射及对流至外界的热量；Qin为传递至室内的热量。式(2)中b、d分别为通风口的宽度和高度；c为比热容；v1、v2分别为入口空气平均流入和出口空气平均流速；ρ1、ρ2分别为出入口空气密度；T1、T2分别为通风层空气的入口及出口的平均温度。由式(1)和式(2)可以看出：夹层高度，出入口气体平均温度、平均流速对夹层内空气流动带走的热量大小有重要影响。实验证明[7,8]通风屋顶结构存在最佳间距。当通风间距超过最佳间距时，屋顶的散热效果并无明显提高。浙江大学的赵黎[4]从强迫对流角度对双层通风屋面的隔热性能进行了分析计算，推导出双层通风屋面空气层最大热阻与空气层高度的关系计算公式[4]，由式(3)所示，对工程计算具有参考价值。

由(3)式可知，通风屋顶空气夹层与夹层间空气流动的雷诺数和普朗特数有关。多数气体Pr＜1,空气的γ＝1.4 (γ为比热比)[9]，Pr取值0.75，L为屋面长度取值10m。代入式中可得出雷诺数Re与D的关系曲线如图3。从关系曲线图可看出夹层高度在0.3m 处，随雷诺数增大最佳间距变化趋于平缓，综合考虑房屋建造成本及空间使用率夹层厚度取0.3m。

图3 雷诺数Re 与空气夹层间距D 的关系曲线

2 能耗分析模型与参数设置

2.1 ECOTEC 能耗分析模型建立

该自建房总建筑面积160m2，设置有4 个房间、1 个客厅、2 个卫生间，外墙厚度270mm，内墙厚度155mm。利用ECOTEC 分别建立双层通风屋顶(夹层厚度30cm)、平屋顶、传统坡屋顶(坡度25°)三个模型[10]，各模型层高均为2.9 m，如图4-6 所示。

图5 瓦面坡屋顶模型

图6 传统平屋顶模型

2.2 能耗模拟参数设置

ECOTEC 在进行能耗分析时，需要考虑室内设备、人员数量、服装热阻、活动强度、室内换气次数、风速、作息时间等。为了更准确地对三类不同屋顶结构的模型进行对比分析，三个模型除屋顶外的区域参数均采用相同设置。自建房内总人数6 人、照度300Lux、换气次数：1.5 次/h、湿度60%、室内温度保持16～26℃，屋面区域均设置为自然通风，卧室空调系统使用时间设置为21:00—8:00，客厅空调使用时间设置为8:00—21:00，其中气象数据使用中国气象台所监测的陕西安康市气象数据为计算依据。三个模型门窗均采用相同材料，为实心木门、铝合金双层low-e玻璃窗，模型外墙、内墙、屋顶热工参数见表1。

表1 模型热工参数表

3 ECOTECT 模拟结果分析

3.1 不同屋顶结构模拟结果与分析

根据设定好的区域参数，对三种不同构造的屋顶形式模拟结果如图7-9 所示。三种屋顶构造形式下，建筑全年热负荷都大于全年冷负荷，可以看出双层通风屋顶逐月负荷均少于传统平屋顶及坡屋顶。冷负荷主要集中在5—9 月，双层通风屋顶相比较其他两种屋顶构造在8 月冷负荷差值最大分别为101.35 kW·h、120.91 kW·h，冷负荷集中在1—4 月、10—12 月，其中1 月热负荷差值最大分别为147.95 kW·h、302.81 kW·h，7 月及1 月份正处于夏季、冬季极端气候时间段，由此可以看出双层通风屋顶在极端气候月份其节能效果更明显。通过图9 三种屋顶结构总负荷模拟结果可知，双层通风屋顶保温及隔热性能优势显著，较传统平屋、瓦面坡屋顶全年总负荷分别减少837.80 kW·h、1454.81 kW·h。

图7 三种屋顶逐月热负荷对比

图8 三种屋顶逐月冷负荷对比

图9 三种屋顶结构总空调负荷对比

3.2 不同屋顶结构节能率分析

3.2.1 节能率指标确定

建筑的节能率是指：设计建筑全年能耗与基准住宅全年空调采暖能耗比值。根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134.2010)，夏热冬暖地区其基准建筑负荷计算参数：冬天16℃、夏天26 ℃；外墙：传热系数K=2.47 W/(m2·K)；屋面：传热系数K=1.8 W/(m·K)；外窗：传热系数K=6.4 W/(m2·K)，遮阳系数SC=0.9；换气次数：1.5 次/h。以上条件下，通过ecotect 软件模拟计算，获得E、Ejz[11]。节能率是参照建筑和设计建筑的采暖及供冷耗电量来计算的，相应的计算公式[12]为：

式中：R为建筑节能率，%;

E、Ejz分别为设计建筑和基准住宅单位面积全年采暖及供冷耗电量[13]，kW·h /m2。

3.2.2 相对节能率分析

通过计算得到，平屋顶、坡屋顶、双层通风屋顶三种屋顶结构建筑节能率分别为：63.17%、64.97%、67.42%。图10 为三种屋顶结构形式的相对节能率。从图中可以看出，双层通风屋顶对比传统平屋顶其相对节能率最高为4.24%，而双层通风屋顶及坡屋顶均比普通屋顶节能效果更强，双层通风屋顶对比坡屋顶其节能率也提高2.45%。由此可以看出双层通风屋顶在夏热冬冷地区有较好的节能效果[14,15]。

图10 三种屋顶结构相对节能率图

4 结论

1)基于本模型的安康市农村地区自建房，在不考虑其他因素影响的情况下，屋顶结构的变化对建筑空调的能耗有很大的影响，因此有必要考虑对屋顶进行节能设计。

2)通过模拟数据计算和对比分析，双层平屋顶分别较普通平屋顶及传统坡屋顶全年总冷负荷分别减少245.96 kW·h、293.40 kW·h；全年总热负荷分别减少591.83 kW·h、1162.11 kW·h。双层通风屋顶，在我国夏热冬冷地区相比较传统平、坡屋顶形式有更良好的保温及隔热性能。

3)应用双层通风屋顶自建房的建筑节能率相比较使用传统平、坡屋顶分别提高4.25%、2.45%。其建筑节能率可达到67.42%，符合我国夏热冬冷地区居住建筑节能要求，因此在屋顶节能设计时，可考虑双层通风屋顶结构的应用。