建筑屋面節能技術
簡介：中國建筑節能技術正處在發展的初期，建筑能耗很高，能源利用率還很低，我國南方地區在夏季太陽輻射和室外氣溫的綜合作用下，從屋頂傳入室內的熱量要比從墻體傳入室內的熱量多得多，因此，建筑屋面的隔熱節能尤為重要。
關鍵字：屋面節能 倒置式屋面 屋面綠化 蓄水屋面 坡屋面
建筑能耗在我國總能耗中所占的比例是很大的，約為25%-40%.與世界發達國家相比還有相當大的差距，例如，我國絕大多數采暖地區圍護結構的熱功能性都比氣候相近的發達國家要差許多，外墻傳熱系數為他們的3.5-4.5倍，外窗為2-3倍，屋面為3-6倍；而且單位建筑面積的能耗還很高，能源利用率還很低，僅為28%，歐美平均近50%，日本為57%.但是我國的可利用能源是極為有限的，這已經引起了我國的高度重視。提高圍護結構的保溫性能是降低建筑能耗的關鍵。屋頂作為1種建筑物外圍護結構所造成的室內外溫差傳熱耗熱量，大于任何1面外墻或地面的耗熱量。
華中大部分地區屬濕熱性氣候，全年氣溫變化幅度大，干濕交變頻繁。如武漢市區年絕對最高與最低溫差近50℃，有時日溫差接近20℃，夏季日照時間長，而且太陽輻射強度大，通常水平屋面外表面的空氣綜合溫度達到60～80℃，頂層室內溫度比其下層室內溫度要高出2～4℃。因此，提高屋面的保溫隔熱性能，對提高抵抗夏季室外熱作用的能力尤其重要，這也是減少空調耗能，改善室內熱環境的1個重要措施。在多層建筑圍護結構中，屋頂所占面積較小，能耗約占總能耗的8%-10%.據測算，每降低，空調減少能耗10％，而人體的舒適性會大大提高。因此，加強屋頂保溫節能對建筑造價影響不大，節能效益卻很明顯。本文就屋面節能方面的技術進行了初步的理論探討，期望能對工程設計起到某種參考作用。
1、倒置式屋面
倒置式屋面是與傳統屋面相對而言的。所謂倒置式屋面，就是將傳統屋面構造中的保溫層與防水層顛倒，把保溫層放在防水層的上面。倒置式屋面的定義中，特別強調了“憎水性”保溫材料，工程中常用的保溫材料如水泥膨脹珍珠巖、水泥蛭石、礦棉巖棉等都是非憎水性的，這類保溫材料如果吸濕后，其導熱系數將陡增，所以才出現了普通保溫屋面中需在保溫層上做防水層，在保溫層下做隔氣層，從而增加了造價，使構造復雜化。其次，防水材料暴露于最上層，加速其老化，縮短了防水層的使用壽命，故應在防水層上加做保護層，這又將增加額外的投資。
再次，對于封閉式保溫層而言，施工中因受天氣、工期等影響，很難做到其含水率相當于自然風干狀態下的含水率：如因保溫層和找平層干燥困難而采用排汽屋面的話，則由于屋面上伸出大量排汽孔，不僅影響屋面使用和觀瞻，而且人為地破壞了防水層的整體性，排汽孔上防雨蓋又常常容易碰踢脫落，反而使雨水灌入孔內。倒置式屋面與普通保溫屋面的比較如下表，由表可知，倒置式屋面的優越性顯而易見。
節能屋面優劣比較表
性能工法 USD屋面（XPS） BUR屋面 水泥珍珠巖屋面 保溫隔熱性 極佳 視選用材料 高厚度才能達到XPS的標準 施工方便性 施工簡易、質輕好搬、易切割、施工期短、成本無形中降低 需考慮防水層的施工與防水材料的選用，要配合絕熱材增加施工麻煩 施工困難、搬運慢且需要做隔氣層與排氣孔，施工期長，成本無形中增加 屋頂結構負荷 極小（40kg/m3） 視選用材料 極大（400kg/m3） 老化性 幾乎不老化，可以說與建筑物同壽無翻修問題 防水層1旦破裂，絕熱材可能也會老化分解 1旦受潮就開始有老化分解現象,時候1到就要翻修 排氣孔隔氣層 不需要 某些情況需要，如室內是潮濕環境 1旦受潮就開始有老化分解現象,時候1到就要翻修 屋頂使用性 屋頂可再利用，如花園 高 因有隔氣層再利用性低與不便 施工氣候性 無特別要求甚至雨天也可施工 需晴天 需好天氣 施工隊專業性 不需專業訓練施工極為簡易人人都會 因在防水層下方先選用材料決定施工難易 施工人員需訓練過 防水層日后維修性 方便只要移開XPS即可 1旦修補可能連絕熱層都1齊傷損 不易
注：USD工法——將絕熱層放在防水層上方的工法。（UP—SIDEDOWN）
BUR工法——將絕熱層放在防水層下方的傳統工法。
XPS——擠塑式聚苯乙保溫板
2、屋面綠化
隨著我國城市化進程的高速發展和建筑面積的急劇增加，建筑能耗將更加巨大，“城市熱島”現象將更為嚴重。城市建筑實行屋面綠化，可以大幅度降低建筑能耗、減少溫室氣體的排放，同時可增加城市綠地面積、美化城市、改善城市氣候環境。
2.1屋面綠化的保溫隔熱性能
當平屋面上的找坡層平均厚100mm，再加上覆土厚度為80mm的屋面，其傳熱系數K<1.5W/m2.k，若覆土厚度大于200mm時，其傳熱系數K<1.0W/m2.k.夏季綠化屋面與普通隔熱屋面比較，表面溫度平均要低6.3℃，屋面下的室內溫度相比要低2.6℃。因此，屋頂綠化作為夏季隔熱有著顯著效果，可以節省大量空調用電量。例如，上海夏季空調的負荷最高值1048萬KVA（最高氣溫時），1般負荷600萬KVA（11月份），而上海的發電能力約為800萬KVA，電力谷峰差的缺口要靠外地輸入。
提高建筑物的隔熱功能，可以節省電能耗20%.對于屋面冬季保溫，采用輕質種植土，如80%的珍珠巖與20%的原土，再摻入營養劑等，其密度小于650kg/m3，導熱系數取值為0.24W/m.k，基本覆土厚度為220mm，可計算出k值<1.由于我國地域廣闊，冬季溫度的差別很大，因此可結合各地的實際情況作不同的工藝處理。
2.2屋面綠化對周圍環境的影響
建筑屋頂綠化可明顯降低建筑物周圍環境溫度（0.5℃—4.0℃），而建筑物周圍環境的溫度每降低，建筑物內部空調的容量可降低6%，對低層大面積的建筑物，由于屋面面積比墻面面積大，夏季從屋面進入室內的熱量占總圍護結構得熱量的70%以上，綠化的屋面外表面最高溫度比不綠化的屋面外表面最高溫度（可達60℃以上）可低20℃以上。而且城市中心地區熱氣流上升時，能得到綠化地帶比較涼爽空氣流的自然補充，以調節城市氣候。種植屋面保溫效果很明顯。不論北方或南方都有保溫作用。特別干旱地區，入冬后草木枯死，土壤干燥，保溫性能更佳。保溫效果隨土層厚增加而增加。
種植屋頂有很好的熱惰性，不隨大氣氣溫驟然升高或驟然下降而大幅波動。冰島和斯堪的那維亞半島的種植屋面，已有百年歷史，證實上述情況。綠色植物可吸收周圍的熱量，其中大部分用于蒸發作用和光合作用，所以綠地溫度增加并不強烈，1般綠地中的地溫要比空曠廣場低10—17.8℃。另外屋面綠化可使城市中的灰塵降低40%左右；可吸收諸如SO2、HF、CL2、NH3等有害氣體；對噪聲有吸附作用，最大減噪量可達10分貝；綠色植物可殺滅空氣中散布著的各種細菌，使空氣新鮮清潔，增進人體健康。
2.3綠化屋面的防水
不少人認為屋頂綠化對抗滲防漏不利，這是1種比較片面的看法。實際上土壤在吸水飽和后會自然形成1層憎水膜，可起到滯阻水的作用，從這個角度看對防水有利。并且覆土種植后，可以起到保護作用：使屋面免受夏季陽光的曝曬、烘烤而顯著降低溫度，這對剛性防水層避免干縮開裂、緩解屋面震動影響，柔性防水層和涂膜防水層減緩老化、延長壽命10分有利。
當然也有不利影響：當澆灌植物用的水肥呈1定的酸堿性時，會對屋面防水層產生腐蝕作用，從而降低屋面防水性能。克服的辦法是：在原防水層上加抹1層厚1.5—2.0cm的火山灰硅酸鹽水泥砂漿后再覆土種植。同普通硅酸鹽水泥砂漿相比，火山灰硅酸鹽水泥砂漿具有耐水性、耐腐蝕性、抗滲性好及喜濕潤等顯著優點，平常多用于液體池壁的防水上。將它用于屋頂覆土層下的防水處理，正好物盡其用，恰到好處。在它與覆土層的共同作用下，屋頂的防水效果將更加顯著。
2.4綠化屋面的荷重及植被
屋頂綠化與地面綠化的1個重要區別就是種植層荷重限制。應根據屋頂的不同荷重以及植物配置要求，制定出種植層高度。種植土宜采用輕質材料（如珍珠巖、蛭石、草炭腐殖土等）。種植層容器材料也可采用竹、木、工程塑料、ＰＶＣ等以減輕荷重。若屋頂覆土厚度超過允許值時，也會導致屋頂鋼筋砼板產生塑性變形裂縫，從而造成滲漏。所以必須嚴格按照前面所述，確定覆土層厚度。由于層頂綠化的特殊性，種植層厚度的限制，植物配植以淺根系的多年生草本、匍匐類、矮生灌木植物為宜。要求耐熱、抗風、耐旱、耐貧瘠，如彩葉草、3色堇、假連翹、鴨跖草、麥冬草等。
屋面綠化的造價為70——120元/m2，與普通隔熱屋面相似，從使用角度分析，改造1個上人活動的綠化屋面每平方米只需增加100元左右。總之，屋面綠化的普及和實施是有利于環境、有利于城市、有利于居民的綜合性好事，應積極推廣。
3、蓄水屋面
蓄水屋面就是在剛性防水屋面上蓄1層水，其目的是利用水蒸發時，帶走大量水層中的熱量，大量消耗曬到屋面的太陽輻射熱，從而有效地減弱了屋面的傳熱量和降低屋面溫度，是1種較好的隔熱措施，是改善屋面熱工性能的有效途徑。
3.1蓄水屋面的隔熱性能
在相同的條件下，蓄水屋面比非蓄水屋面使屋頂內表面的溫度輸出和熱流響應要降低得更多，且受室外擾動的干擾較小，具有很好的隔熱和節能效果。對于蓄水屋面，由于1般是在混凝土剛性防水層上蓄水，既可利用水層隔熱降溫，又改善了混凝土的使用條件：避免了直接暴曬和冰雪雨水引起的急劇伸縮；長期浸泡在水中有利于混凝土后期強度的增長；又由于混凝土有的成分在水中繼續水化產生濕漲，因而水中的混凝土有更好的防滲水性能。同時蓄水的蒸發和流動能及時地將熱量帶走，減緩了整個屋面的溫度變化；另外，由于在屋面上蓄上1定厚度的水，增大了整個屋面的熱阻和溫度的衰減倍數，從而降低了屋面內表面的最高溫度。經實測，深蓄水屋面的頂層住戶的夏日溫度比普通屋面要低2～5℃。因此，由于上述優點，蓄水屋面現在已經被大面積推廣采用頂層保溫、隔熱問題蓄水屋面和種植屋面。
3.2蓄水屋面的水深
但是，要設計1個隔熱性能好，又節能的蓄水屋面，必須對它的傳熱特性進行動態分析和計算，以確定蓄水的深度究竟取為多大才比較合適。蓄水屋面有普通的和深蓄水屋面之分。普通蓄水屋面需定期向屋頂供水，以維持1定的水面高度。深蓄水屋面則可利用降雨量來補償水面的蒸發，基本上不需要人為供水。不同水深與屋面外表和內表的最高溫度如圖1所示。由圖可知當水深H=0時，即屋面僅作防水處理時其屋頂外表面及屋頂內表面的最高溫度都遠遠高于最高氣溫。水深為50mm時，屋頂外表面及頂棚面最高溫度比不蓄水時降低了許多。由水深曲線可知，單純增加水深對降溫效果不很明顯。氣象資料表明，華中地區由于夏天天氣炎熱，蒸發量較大，日平均蒸發量在9mm左右，若無降水期長達30—50天，水太淺無人看管時，可蒸發掉水深270—450mm水，1般說來水深400mm較適宜。蓄水深度超過1定程度則降溫效果不明顯，且蓄水過深，使屋面靜荷載增加，將會增加結構設計難度。
3.3蓄水屋面的防水
蓄水屋面除增加結構的荷載外，如果其防水處理不當，還可能漏水、滲水。因此，蓄水屋面既可用于剛性防水屋面，也可用于卷材防水屋面。采用剛性防水層時也應按規定做好分格縫，防水層做好后應及時養護，蓄水后不得斷水。采用卷材防水層時，其做法與卷材防水屋面相同，應注意避免在潮濕條件下施工。例如，可設置1個細石混凝土防水層，但同時也可在細石混凝土中摻入占水泥重量0.05%的3乙醇胺或1%的氧化鐵，使其成為防水混凝土，提高混凝土的抗滲能力，防止屋面滲漏。為了避免池壁裂縫，應采用鋼筋混凝土池壁或半磚、半鋼筋混凝土池壁。前者用于現澆鋼筋混凝土屋面，后者適應于預制板屋面。采用磚砌池墻時，靠近池底應做60—100mm高混凝土反邊，且磚池壁應適當配置水平鋼筋。以上幾種做法，均避免了池墻滲漏現象。不再出現池壁裂縫，池壁內抹灰可同池底。
4、淺色坡屋面
目前，大多數住宅仍采用平屋頂，在太陽輻射最強的中午時間，太陽光線對于坡屋面是斜射的，而對于平屋面是正射的，深暗色的平屋面僅反射不到30%的日照，而非金屬淺暗色的坡屋面至少反射65%的日照，反射率高的屋面大約節省20%——30%的能源消耗，美國外境保護署U.S.EnvironmentalProtectionAgence（EPA）和弗羅里達太陽能中心FloridaSolarEnergyCenter的研究表明使用聚氯乙膜或其他單層材料制成的反光屋面，確實能減少至少50%的空調能源消耗。在夏季高溫酷暑季節節能減少10%——15%的能源消耗。因此，隔熱效果不如坡屋面。而且平屋面的防水較為困難，且耗能較多。若將平屋面改為坡屋面，并內置保溫隔熱材料，不僅可提高屋面的熱工性能，還有可能提供新的使用空間（頂層面積可增加約60%），也有利于防水，并有檢修維護費用低、耐久之優點。特別是隨著建筑材料技術的發展，用于坡屋面的坡瓦材料形式多，色彩選擇廣，對改變建筑千篇1律的平屋面單調風格，豐富建筑藝術造型，點綴建筑空間有很好的裝飾作用。在中小型建筑如居住、別墅及城市大量平改坡屋面中被廣泛應用。但坡屋面若設計構造不合理、施工質量不好，也可能出現滲漏現象。因此坡屋面的設計必須搞好屋面細部構造設計，保溫層的熱工設計，使其能真正達到防水、節能的要求。限于篇幅，本文對其細部構造及保溫層熱工設計不作探討。
5、結語
如今建筑節能工作已在全國啟動，節能住宅也是1項正在興起的嶄新事業，體現了建筑節能的前進方向。我們必須跟隨世界和中國建筑節能發展的大趨勢和大潮流，抓住機遇，迎接挑戰、開拓進取，搞好建筑屋面的節能，改善市內熱環境，促進建筑技術和建筑產業的發展，為合理利用資源、保護生態環境、提高人民生活質量而努力。
參考文獻：
[1].張進嘉，陳大昆。住宅的優化設計[J]住宅科技2001（2），18—19
[2].王建勝，王軍。倒置式屋面在今后住宅中的地位[J]4川建筑科學研究2001（1），75-76
[3].淺色屋頂——節能省錢[N]2002——10—12
[4].孟祥柱。推廣坡屋面改造平屋面勢在必行[J]工程質量2003（1），42
[5].唐鳴放，孟慶林。蓄水屋面強化隔熱研究[J]建筑技術開發2000（6），36
[6].劉少斌。蓄水屋面的設計與施工[J]湖南城建高等專科學校學報2000（4），21—22
[7].董靚，陳啟高。蓄水種植屋面的傳熱過程[J]重慶建工學院學報1990（2），23——24
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