施諾 謝瑩

(福建工程學(xué)院建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福建福州 350001)

1 概述

近年來(lái)，夏熱冬暖地區(qū)夏季空調(diào)制冷能耗量呈逐漸攀升之勢(shì)，能源的消耗使空氣中二氧化碳等污染物的含量逐漸增多，加劇了環(huán)境惡化。建筑節(jié)能改造作為節(jié)能工作的重要組成部分，是改善和提高建筑舒適性、促進(jìn)環(huán)境保護(hù)、減少溫室氣體排放、降低城市熱島效應(yīng)的重要措施。屋頂作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件之一，是節(jié)能改造的薄弱部位，也是關(guān)鍵所在。

2 屋頂對(duì)建筑總能耗的影響

根據(jù)節(jié)能住宅研究機(jī)構(gòu)文獻(xiàn)記載，屋頂?shù)哪芎膿p失是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中僅次于外墻、門窗及樓梯間的重要熱量損失部位。在大量的建筑中，屋頂雖然是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面所占面積較小的部分，但是所造成的室內(nèi)外溫差傳熱、耗熱量卻大于任何一面外墻，其表面積建筑能耗也高居整幢建筑物表面積建筑能耗比值的榜首［1］。特別是一些老舊建筑，以多層為主，屋頂占建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)比例大，導(dǎo)致其對(duì)建筑總能耗的影響遠(yuǎn)高于普通高層建筑。

在我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)，冬季基本無(wú)采暖要求，而夏季的制冷能耗卻占總用電量的一半。因?yàn)橄募疚蓓斘沾罅康奶?yáng)輻射熱，使水平屋面的表面空氣溫度升高，溫度達(dá)到60℃～80℃，頂層比其下層室內(nèi)溫度高出2℃～4℃。據(jù)測(cè)算，室溫每降低1℃，空調(diào)能耗減少10%，而人體的舒適性也會(huì)大大提高［2］。因此，提高屋頂隔熱降溫能力對(duì)建筑節(jié)能具有重大作用。

3 夏熱冬暖地區(qū)既有建筑屋頂節(jié)能改造策略分析

3.1 增加熱阻

熱傳遞是通過(guò)輻射、對(duì)流及導(dǎo)熱這3種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱阻表示熱量通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞時(shí)所受到的阻力，是反映阻止熱量傳遞能力的綜合參量。如圖1所示，太陽(yáng)照射為輻射熱，夏季當(dāng)陽(yáng)光通過(guò)輻射方式傳到屋頂時(shí)，其中約有20%～30%的熱量被反射，剩余被屋頂接收的輻射熱，一部分經(jīng)屋頂材料內(nèi)部以熱導(dǎo)方式傳向室內(nèi)，另一部分則由屋頂表面向大氣層輻射，并通過(guò)對(duì)流換熱的方式將熱量傳遞給周圍空氣［3］。建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫層的主要意義在于減少室內(nèi)外熱量的傳遞。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻越大，說(shuō)明通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的熱量越少，隔熱性能越好。由于夏熱冬暖地區(qū)冬季基本不需要采暖，夏季隔熱防熱才是其主要設(shè)計(jì)要求，因此提高材料層的隔熱能力，增加其熱阻，不僅可以降低夏季由于室外太陽(yáng)輻射作用對(duì)頂層室內(nèi)熱環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響，同時(shí)也可以保證室內(nèi)空調(diào)制冷效果不會(huì)由于屋頂熱阻過(guò)小而使大量冷氣通過(guò)屋面向外進(jìn)行熱傳遞，出現(xiàn)制冷能耗過(guò)大，浪費(fèi)的現(xiàn)象。夏熱冬暖地區(qū)既有建筑屋頂?shù)闹饕獦?gòu)造層次是承重層和防水層，另外還有一些輔助性層次。早期受經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件影響，大部分既有老舊建筑屋頂熱阻較小，隔熱效果差，室內(nèi)熱環(huán)境無(wú)法滿足人體舒適度需求。根據(jù)這些問(wèn)題，可以利用增加熱阻的方法提高屋頂?shù)母魺崮芰Γ丛诔兄貙优c防水層之間增設(shè)1層實(shí)體輕質(zhì)材料，或直接在防水層上面鋪設(shè)隔熱材料，旨在提高結(jié)構(gòu)的熱惰性，使屋頂內(nèi)表面平均溫度波動(dòng)范圍降低。目前以增加熱阻為目的的屋頂節(jié)能改造方式主要體現(xiàn)在實(shí)體材料層和帶有封閉空氣層的隔熱屋頂?shù)倪\(yùn)用上。這類屋頂又分坡屋頂和平屋頂，而對(duì)住宅這種全天候使用的建筑，屋頂除有足夠大的熱阻和衰減外，還應(yīng)使室內(nèi)氣溫的總延遲時(shí)間更長(zhǎng)，讓內(nèi)表面最高溫度推遲到午夜后出現(xiàn)，而此時(shí)室外氣溫已大大降低，室內(nèi)溫度也將隨之下降。這種改造方式的特點(diǎn)是不僅在夏季具有隔熱性能，而且在冬季也能起到一定的保溫作用，對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)非常適用。

3.2 通風(fēng)降溫

在夏熱冬暖地區(qū)，屋頂通風(fēng)可以帶走多余熱量、改善室內(nèi)熱環(huán)境狀態(tài)、有效緩解室外高溫環(huán)境對(duì)室內(nèi)溫度的影響，對(duì)建筑節(jié)能改造具有重要意義。通風(fēng)降溫的具體運(yùn)用主要體現(xiàn)在自然通風(fēng)屋面以及熱壓自然通風(fēng)屋面的使用上。建筑通常意義上的自然通風(fēng)指的是通過(guò)有目的的開口，產(chǎn)生空氣流動(dòng)。這種流動(dòng)直接受建筑表面的壓力分布和不同開口的影響。壓力分布是動(dòng)力，而各開口的特點(diǎn)則決定了流動(dòng)阻力。建筑表面的壓力由風(fēng)壓和室內(nèi)外溫差引起的熱壓所組成。風(fēng)壓依賴于建筑的幾何形狀、建筑相對(duì)于風(fēng)向的方位、風(fēng)速和建筑周圍的自然地形。熱壓依賴于進(jìn)出口高差和內(nèi)外溫差?？傊?，自然通風(fēng)受風(fēng)壓和熱壓的影響，這兩種因素可單獨(dú)起作用，也可共同起作用［4］。通風(fēng)屋頂?shù)母脑煸硎窃谖蓓敿釉O(shè)通風(fēng)間層，一方面利用通風(fēng)間層的外層遮擋陽(yáng)光，使屋頂變成二次傳熱，避免太陽(yáng)輻射熱直接作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上;另一方面利用風(fēng)壓和熱壓的作用，尤其是自然通風(fēng)，帶走進(jìn)入夾層中的熱量，從而減少室外熱作用對(duì)內(nèi)表面的影響。通風(fēng)屋頂最主要的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，改造既可用于平屋頂，也可用于坡屋頂;既可以在屋面防水層上組織通風(fēng)，也可在防水層下組織通風(fēng)，保證白天能隔熱，晚上又易散熱。無(wú)論是平屋頂還是坡屋頂，迎風(fēng)面通風(fēng)口處的壓強(qiáng)超過(guò)大氣壓，則形成正壓區(qū);在背風(fēng)面，空氣稀薄，實(shí)際壓強(qiáng)低于大氣壓，形成負(fù)壓區(qū)。在平屋頂，迎風(fēng)面進(jìn)氣，背風(fēng)面排氣。在坡屋頂，當(dāng)上開口無(wú)擋風(fēng)板時(shí)，在風(fēng)力作用下，迎風(fēng)面下開口總是進(jìn)氣。此外，改造時(shí)還可將間層面層在檐口處向外挑出一段，如圖2a)所示，能起到兜風(fēng)作用，可提高間層的通風(fēng)效果。而熱壓通風(fēng)即通常所說(shuō)的煙囪效應(yīng)，其原理為熱空氣(密度小)上升，從建筑上部風(fēng)口排出，室外冷空氣(密度大)從建筑底部被吸入，見圖2b)。熱壓的大小取決于進(jìn)排氣口的溫差和高差，溫差高差越大，通風(fēng)量就越大。在夏熱冬暖地區(qū)建筑通風(fēng)屋面改造設(shè)計(jì)中，可利用坡屋頂或在平屋頂排風(fēng)處架高排風(fēng)口等來(lái)強(qiáng)化熱壓，并在屋頂排風(fēng)帽上涂黑色材料，增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，達(dá)到加強(qiáng)熱壓自然通風(fēng)的目的。與風(fēng)壓自然通風(fēng)不同的是，熱壓式自然通風(fēng)更能適應(yīng)常變的外部風(fēng)環(huán)境和不良的外部風(fēng)環(huán)境［3］。炎熱的夏季并不能保證隨時(shí)都有足夠的風(fēng)壓來(lái)帶走屋頂多余的熱量，而這種熱壓通風(fēng)改造方法則可彌補(bǔ)風(fēng)壓不足時(shí)的情況，因此改造時(shí)可將二者進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)。

圖1 屋頂被太陽(yáng)照射時(shí)的受熱情況

圖2 間層空氣流通的動(dòng)力

3.3 降低屋面綜合溫度

房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面不但經(jīng)受室外空氣溫度的變化，而且還接收來(lái)自太陽(yáng)的輻射，同時(shí)也與周圍環(huán)境之間進(jìn)行輻射換熱。在確定這些因素形成的室內(nèi)得熱量時(shí)，為了計(jì)算上的簡(jiǎn)單方便和易于理解，一種習(xí)慣的做法就是將輻射熱作用折算成相當(dāng)?shù)氖彝饪諝鉁囟仍隽浚瑢⒋嗽隽颗c室外干球溫度相加，即將兩者的作用綜合在一起，從而產(chǎn)生一個(gè)假定的室外空氣溫度，這就是所謂的綜合溫度［5］。屋頂綠化是夏熱冬暖地區(qū)降低屋面綜合溫度的有效方法。綠化植物層通過(guò)利用植物葉片、冠層對(duì)太陽(yáng)輻射的遮擋、反射作用與植物的蒸騰作用以及光合作用達(dá)到調(diào)節(jié)、減少建筑物吸收太陽(yáng)輻射，改變環(huán)境濕、熱平衡的效果，進(jìn)而減少室內(nèi)得熱，改善室內(nèi)熱環(huán)境。由于太陽(yáng)輻射和室外氣溫的綜合作用，建筑屋面溫度與周圍空氣溫度往往相差很多。因此還可以通過(guò)在改造屋面表層噴涂或滾涂高反射性涂料，通過(guò)把太陽(yáng)光譜中的可見光及紅外線、紫外線反射出去的途徑來(lái)降低屋面綜合溫度(見圖3)。這種在普通屋頂上涂高反射率的涂料，提高屋頂?shù)娜丈浞瓷渎?，減少太陽(yáng)熱量的吸收，從而達(dá)到空調(diào)節(jié)能目的的屋頂叫做“冷屋頂”(cool roofs)。一般涂有瀝青的屋面反射率僅為5%左右，即有95%的太陽(yáng)光及太陽(yáng)能要被屋面吸收，一般的鋼板屋面的反射率為25%左右，而高反射性涂料反射率則高達(dá)85%以上，只有15%左右的太陽(yáng)光及太陽(yáng)能被屋面吸收。根據(jù)國(guó)外數(shù)據(jù)表明，涂刷高反射性涂料屋頂比傳統(tǒng)屋頂節(jié)能20%～30%。此外，屋頂表面顏色也是影響反射率的主要因素，表面顏色越淺，反射太陽(yáng)輻射熱的能力就越強(qiáng)。

圖3 屋頂接收太陽(yáng)輻射示意圖

3.4 太陽(yáng)能利用

太陽(yáng)能是各種綠色可再生能源中最重要最基本的能源，且太陽(yáng)能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中幾乎不會(huì)產(chǎn)生危及環(huán)境的污染。我國(guó)幅員遼闊，全國(guó)2/3的國(guó)土面積年日照在2 200 h以上，年輻射量超過(guò)600 MJ/m2［6］。夏熱冬暖地區(qū)如閩東南的太陽(yáng)能輻射能量較大，因此可以將太陽(yáng)能利用與屋頂節(jié)能改造結(jié)合起來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，在建筑屋頂上加裝太陽(yáng)能電熱水器和太陽(yáng)能電池板，是節(jié)能改造的主要方式。在利用太陽(yáng)能加熱過(guò)程中，集熱器將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為熱量，而光電器可將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化成電能。但這些系統(tǒng)的能量生產(chǎn)受產(chǎn)地條件的影響，所以太陽(yáng)能熱水器在夏天應(yīng)當(dāng)安裝在太陽(yáng)高度角比較高的地方。

除以上介紹的太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)外，太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)也是夏熱冬暖地區(qū)太陽(yáng)能利用的主要手段之一。太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)主要是由太陽(yáng)能集熱器陣列、溴化鋰制冷劑、熱泵機(jī)組、蓄能水池和自動(dòng)控制系統(tǒng)等幾大部分組成。冬季通過(guò)板式換熱器將集熱系統(tǒng)收集的熱量交換給蓄能水池，達(dá)到蓄熱的目的;夏天，吸收式制冷機(jī)以太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)收集的熱水為熱源制造冷凍水，作為儲(chǔ)能水池的冷源。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然夏熱冬暖地區(qū)屋頂節(jié)能改造策略，其基本理論是來(lái)源于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，但節(jié)能改造與新建節(jié)能建筑還是存在一定的差異，在改造過(guò)程中必須考慮到既有建筑屋頂?shù)氖褂矛F(xiàn)狀以及構(gòu)造條件等因素，從而選擇適宜的改造策略，為具體改造工程的實(shí)施提供選擇。

［1］韋延年.夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫指標(biāo)的確定方法［J］.四川建筑科學(xué)研究，2002(1):71-73.

［2］楊子江.建筑屋面節(jié)能技術(shù)［J］.工業(yè)建筑，2005(2):40-43.

［3］劉加平.建筑物理［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］［英］D.J.克魯姆.建筑物空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1982.

［5］葉天泉，孫 杰，王岳人，等.城市供熱辭典［M］.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

［6］德國(guó)能源署(dena)建筑節(jié)能部門.中國(guó)建筑節(jié)能手冊(cè)［Z］.2007.