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建筑屋面節(jié)能技術(shù)
簡介：中國建筑節(jié)能技術(shù)正處在發(fā)展的初期，建筑能耗很高，能源利用率還很低，我國南方地區(qū)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(nèi)的熱量要比從墻體傳入室內(nèi)的熱量多得多，因此，建筑屋面的隔熱節(jié)能尤為重要。
關(guān)鍵字：屋面節(jié)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(fā)達國家相比還有相當(dāng)大的差距，例如，我國絕大多數(shù)采暖地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)的熱功能性都比氣候相近的發(fā)達國家要差許多，外墻傳熱系數(shù)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(jīng)引起了我國的高度重視。提高圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能是降低建筑能耗的關(guān)鍵。屋頂作為1種建筑物外圍護結(jié)構(gòu)所造成的室內(nèi)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(qū)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(qū)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(nèi)溫度比其下層室內(nèi)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(diào)耗能，改善室內(nèi)熱環(huán)境的1個重要措施。在多層建筑圍護結(jié)構(gòu)中，屋頂所占面積較小，能耗約占總能耗的8%-10%.據(jù)測算，每降低，空調(diào)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(jié)能對建筑造價影響不大，節(jié)能效益卻很明顯。本文就屋面節(jié)能方面的技術(shù)進行了初步的理論探討，期望能對工程設(shè)計起到某種參考作用。
1、倒置式屋面
倒置式屋面是與傳統(tǒng)屋面相對而言的。所謂倒置式屋面，就是將傳統(tǒng)屋面構(gòu)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(diào)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(dǎo)熱系數(shù)將陡增，所以才出現(xiàn)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(gòu)造復(fù)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(yīng)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(dāng)于自然風(fēng)干狀態(tài)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(nèi)。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(yōu)越性顯而易見。
節(jié)能屋面優(yōu)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(zhì)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(jié)構(gòu)負荷 極�。�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(xiàn)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(nèi)是潮濕環(huán)境 1旦受潮就開始有老化分解現(xiàn)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(yè)性 不需專業(yè)訓(xùn)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(xùn)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(tǒng)工法。
XPS——擠塑式聚苯乙烯保溫板
2、屋面綠化
隨著我國城市化進程的高速發(fā)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(xiàn)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(huán)境。
2.1屋面綠化的保溫隔熱性能
當(dāng)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(shù)K<1.5W/m2.k，若覆土厚度大于200mm時，其傳熱系數(shù)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(nèi)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(jié)省大量空調(diào)用電量。例如，上海夏季空調(diào)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(fā)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(jié)省電能耗20%.對于屋面冬季保溫，采用輕質(zhì)種植土，如80%的珍珠巖與20%的原土，再摻入營養(yǎng)劑等，其密度小于650kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)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(huán)境的影響
建筑屋頂綠化可明顯降低建筑物周圍環(huán)境溫度（0.5℃—4.0℃），而建筑物周圍環(huán)境的溫度每降低，建筑物內(nèi)部空調(diào)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(nèi)的熱量占總圍護結(jié)構(gòu)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(qū)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(diào)節(jié)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(qū)，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(fā)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?jié)B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(dāng)然也有不利影響：當(dāng)澆灌植物用的水肥呈1定的酸堿性時，會對屋面防水層產(chǎn)生腐蝕作用，從而降低屋面防水性能�？朔霓k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?jié)B性好及喜濕潤等顯著優(yōu)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?shù)姆浪Ч麑⒏语@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(qū)別就是種植層荷重限制。應(yīng)根據(jù)屋頂?shù)牟煌芍匾约爸参锱渲靡�，制定出種植層高度。種植土宜采用輕質(zhì)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(dǎo)致屋頂鋼筋砼板產(chǎn)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(fēng)、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�？傊�，屋面綠化的普及和實施是有利于環(huán)境、有利于城市、有利于居民的綜合性好事，應(yīng)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(fā)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(nèi)表面的溫度輸出和熱流響應(yīng)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(jié)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(xù)水化產(chǎn)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(fā)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(shù)，從而降低了屋面內(nèi)表面的最高溫度。經(jīng)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(yōu)點，蓄水屋面現(xiàn)在已經(jīng)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(shè)計1個隔熱性能好，又節(jié)能的蓄水屋面，必須對它的傳熱特性進行動態(tài)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(fā)，基本上不需要人為供水。不同水深與屋面外表和內(nèi)表的最高溫度如圖1所示。由圖可知當(dāng)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(nèi)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(qū)由于夏天天氣炎熱，蒸發(fā)量較大，日平均蒸發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計難度。
3.3蓄水屋面的防水
蓄水屋面除增加結(jié)構(gòu)的荷載外，如果其防水處理不當(dāng)，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(yīng)按規(guī)定做好分格縫，防水層做好后應(yīng)及時養(yǎng)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(yīng)注意避免在潮濕條件下施工。例如，可設(shè)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?jié)B能力，防止屋面滲漏。為了避免池壁裂縫，應(yīng)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(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面，后者適應(yīng)于預(yù)制板屋面。采用磚砌池墻時，靠近池底應(yīng)做60—100mm高混凝土反邊，且磚池壁應(yīng)適當(dāng)配置水平鋼筋。以上幾種做法，均避免了池墻滲漏現(xiàn)象。不再出現(xiàn)池壁裂縫，池壁內(nèi)抹灰可同池底。
4、淺色坡屋面
目前，大多數(shù)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(jié)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烯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(diào)能源消耗。在夏季高溫酷暑季節(jié)節(jié)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(nèi)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(yōu)點。特別是隨著建筑材料技術(shù)的發(fā)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(diào)風(fēng)格，豐富建筑藝術(shù)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(yīng)用。但坡屋面若設(shè)計構(gòu)造不合理、施工質(zhì)量不好，也可能出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。因此坡屋面的設(shè)計必須搞好屋面細部構(gòu)造設(shè)計，保溫層的熱工設(shè)計，使其能真正達到防水、節(jié)能的要求。限于篇幅，本文對其細部構(gòu)造及保溫層熱工設(shè)計不作探討。
5、結(jié)語
如今建筑節(jié)能工作已在全國啟動，節(jié)能住宅也是1項正在興起的嶄新事業(yè)，體現(xiàn)了建筑節(jié)能的前進方向。我們必須跟隨世界和中國建筑節(jié)能發(fā)展的大趨勢和大潮流，抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)、開拓進取，搞好建筑屋面的節(jié)能，改善市內(nèi)熱環(huán)境，促進建筑技術(shù)和建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為合理利用資源、保護生態(tài)環(huán)境、提高人民生活質(zhì)量而努力。
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