崔 明 敏

(晉城市建筑設(shè)計(jì)院，山西 晉城 048000)

論被動(dòng)式太陽能技術(shù)引入屋頂節(jié)能

崔 明 敏

(晉城市建筑設(shè)計(jì)院，山西 晉城 048000)

對(duì)住宅的屋頂能耗進(jìn)行了分析，提出了將被動(dòng)式太陽能技術(shù)引入住宅屋頂節(jié)能的概念，并利用優(yōu)化屋頂形式、調(diào)控屋頂表面熱效應(yīng)等手段，對(duì)能源進(jìn)行充分利用，以實(shí)現(xiàn)住宅零能耗的可持續(xù)發(fā)展追求。

被動(dòng)式太陽能技術(shù)，屋頂節(jié)能，應(yīng)用

0 引言

20世紀(jì)20年代左右，美國芝加哥一家報(bào)社提出了一個(gè)新的詞匯——太陽能住宅。與傳統(tǒng)住宅截然不同的是它用熱水的能量來驅(qū)動(dòng)設(shè)備(包括采暖)，并從太陽中索取熱源。之后，在1976年將太陽能住宅清晰明了的劃分為主動(dòng)式太陽能住宅和被動(dòng)式太陽能住宅兩個(gè)概念。所謂被動(dòng)式即以不使用機(jī)械為前提，完全通過加強(qiáng)建筑物的遮避功能，達(dá)到滿足正常室內(nèi)環(huán)境的目的。

屋頂是建筑物的重要組成部分之一，除兼具實(shí)用和美觀的雙重功能外，它在節(jié)能控制方面也是重中之重的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明，改變屋頂?shù)牟馁|(zhì)、顏色、角度、朝向和面積等方面，使其與外部環(huán)境之間更加協(xié)調(diào)是節(jié)能環(huán)保的一個(gè)有效手段。簡(jiǎn)而言之，盡量達(dá)到“夏季高溫不吸熱，冬季低溫不散熱”的目的。如何將被動(dòng)式太陽能技術(shù)引入屋頂節(jié)能，不僅是本文要探討的課題，更是當(dāng)今建筑行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)問題。

1 屋頂能耗分析

分析住宅的能耗是通過模擬計(jì)算的手段對(duì)建筑單體本身屬性的改變來確定其對(duì)建筑能耗的影響。此外，住宅能耗很大程度上還受地域氣候差異及室內(nèi)熱環(huán)境的影響。因此，建筑物的能耗分析必須注明地區(qū)及室內(nèi)熱環(huán)境的設(shè)定。我國大部分地區(qū)為夏熱冬冷氣候條件，大體可分為兩大類：需要加強(qiáng)冬季采暖無需加強(qiáng)夏季散熱和需要加強(qiáng)夏季散熱無需加強(qiáng)冬季采暖。用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)精準(zhǔn)的控制建筑因采暖或散熱帶來的空調(diào)能耗，從而明確建筑因此能耗帶來的耗電量。根據(jù)這個(gè)原理，我們最終得出了建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)(包括屋頂、外墻、外門窗等)與建筑能耗之間的變化規(guī)律。以深圳一棟兩層住宅為例，通過計(jì)算得出屋頂在整個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的面積和熱量占整體建筑的25%。要求居住建筑的節(jié)能目標(biāo)是50%，屋頂需達(dá)到15%～18%的節(jié)能，由此看出提高屋頂?shù)谋匦阅芑蛏嵝阅軐?duì)建筑的整體節(jié)能是很有必要的。

2 被動(dòng)式太陽能技術(shù)的應(yīng)用

屋頂?shù)臒岘h(huán)境和結(jié)構(gòu)直接影響室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量，也決定了建筑的節(jié)能指標(biāo)。而被動(dòng)式太陽能技術(shù)引入屋頂節(jié)能主要是通過以下幾點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的：屋頂?shù)男螤?、屋頂?shù)谋砻妗⑽蓓數(shù)母魺岜睾臀蓓數(shù)睦鋮s。

2.1 屋頂?shù)男螤?/p>

屋頂?shù)男螤畲笾驴煞譃?種：平屋頂、坡屋頂和垂直面開口式天窗。不同的形式?jīng)Q定不同的太陽輻射量。其中，坡屋頂?shù)膬A斜角度不同，其承受的太陽輻射熱也有差別。通常屋頂有一個(gè)最佳集熱管安裝角度，采暖用的角度為緯度加15°，制冷用的角度為緯度加5°。

我國建筑物的最大受熱面為南向，所以屋頂?shù)募療?、附設(shè)溫室和直接獲熱設(shè)備通常設(shè)在南向。當(dāng)南面不易采光時(shí)，可利用天窗、老虎窗、活動(dòng)屋頂?shù)刃问桨烟栞椛錈嵋胧覂?nèi)。冬季需要更多的獲取并儲(chǔ)存熱量，可增大屋頂南向面積來提高建筑物的受熱量，同時(shí)，把北側(cè)外墻壓低或加厚來抵抗西北風(fēng)的侵襲，盡量把熱損失降到最低(如設(shè)計(jì)需要必須在朝向不利位置開設(shè)門窗洞口時(shí)，宜采用雙層或三層玻璃)。

熱量最不易散失的屋頂形式是屋脊為東西走向的建筑，在屋脊的南北兩側(cè)架設(shè)大屋頂，尤其是北側(cè)的屋頂，要降低到建筑二層附近。此形式大大降低了建筑北側(cè)的熱量損失。

2.2 屋頂?shù)谋砻?/p>

屋頂?shù)谋砻鏌崞胶馐艿捷椛洹?duì)流、蒸發(fā)等諸多條件的影響。下面對(duì)控制不同條件來影響建筑熱平衡的方法進(jìn)行一些簡(jiǎn)要的分析。

2.2.1 空氣對(duì)流

通過控制屋頂表面的對(duì)流傳熱系數(shù)大小來控制散熱量，促進(jìn)空氣在屋頂表面流動(dòng)，提高散熱。具體方法可以通過架空屋頂，或改變朝向形成空氣對(duì)流層等手段實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 太陽輻射

屋頂材料表面不同顏色對(duì)太陽輻射熱的吸收也不同。對(duì)于長波來說，與表面顏色無關(guān)，粗糙面的輻射率最大，接近于1。但太陽輻射主要以短波為主，而黑色的反射率最小，所以顏色對(duì)太陽輻射吸收和反射的影響是十分顯著的。

2.2.3 蒸發(fā)散熱

用灑水器在屋頂均勻?yàn)⑺蛟O(shè)計(jì)種植屋面，利用水分蒸發(fā)帶走熱量，從而達(dá)到熱的控制。這兩種方法在我國南部地區(qū)廣泛使用且效果極佳。值得一提的是，屋頂綠化不僅節(jié)能環(huán)保，在藝術(shù)審美上也給建筑帶來了新的設(shè)計(jì)手法。現(xiàn)如今，“屋頂花園”的概念已經(jīng)深入人心，在我國許多地區(qū)都有應(yīng)用很好的案例。

2.2.4 現(xiàn)代化可變裝置

屋頂受熱面設(shè)計(jì)現(xiàn)代化的可變裝置，例如可根據(jù)室外熱環(huán)境情況自動(dòng)調(diào)節(jié)開閉的天窗、老虎窗、活動(dòng)屋頂?shù)?。某些特殊建筑還設(shè)有屋頂水池，可通過調(diào)節(jié)水的蒸發(fā)來控制儲(chǔ)熱和散熱。

2.3 屋頂?shù)母魺?、保?/p>

一般而言，在接受太陽輻射熱以及在接受與室外空氣的熱能上，屋頂是被暴露在最嚴(yán)酷條件下的部位，其隔熱保溫的基本原理可歸納為以下幾點(diǎn):1)用隔熱材料來控制熱的流進(jìn)流出；2)通過屋頂里層的通風(fēng)換氣來排熱和防止結(jié)露；3)利用防潮片材防止?jié)駳膺M(jìn)入屋頂里層同時(shí)防止室內(nèi)向外漏氣。

2.3.1 隔熱層的厚度

在寒冷地區(qū)需要屋頂有特別高的隔熱性，但在比較溫暖的地區(qū)，還需要考慮防暑，因此隔熱層的厚度要綜合考慮。

2.3.2 屋頂里層的換氣

酷暑季節(jié)，屋頂里層的氣溫有時(shí)會(huì)高達(dá)60 ℃～70 ℃。即使有頂棚隔熱，也會(huì)有大量的熱氣進(jìn)入室內(nèi)，將這些熱氣攔截在屋頂內(nèi)部，阻止它進(jìn)入建筑室內(nèi)破壞建筑內(nèi)部的熱環(huán)境，在屋頂里層進(jìn)行換氣，再排出建筑物，減小熱氣對(duì)建筑主體的熱環(huán)境破壞。這種在屋頂層內(nèi)部的通風(fēng)排氣還可以避免梅雨季節(jié)潮氣對(duì)建筑的影響，改善住宅熱環(huán)境，提高舒適度。

2.3.3 減少輻射傳熱

屋頂面層在設(shè)計(jì)時(shí)選擇表面輻射熱小的材料，這樣可降低熱流通過空氣層的總量，從而減少輻射傳熱。需要特別說明的是，防潮層需要設(shè)置在隔熱層以下。

2.4 將自然能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹评湓?/p>

眾所周知：“遮擋太陽輻射并通風(fēng)是建筑設(shè)計(jì)的基本”。避免高溫季節(jié)對(duì)建筑熱環(huán)境的不利影響，考慮太陽輻射熱不侵入室內(nèi)。需要明確的是，被動(dòng)式太陽能建筑設(shè)計(jì)不是單純地遮擋太陽輻射和向外排熱，而是要積極的利用太陽輻射熱來改善建筑功能的使用。也就是說，積極地將自然能源作為夏季的制冷源引入建筑，包括雨水的利用以及由光導(dǎo)管產(chǎn)生的光的利用等。

利用冷卻空氣，常見的方法是悶頂內(nèi)安裝冷卻板，外部氣流進(jìn)入后自動(dòng)冷卻成冷空氣。這些冷空氣可及時(shí)送入室內(nèi)降低室內(nèi)溫度，也可以存儲(chǔ)在悶頂內(nèi)部，在建筑需要的時(shí)候再送入室內(nèi)，起到智能調(diào)節(jié)熱環(huán)境的作用。

目前常用的空氣制冷手段有兩種：1)吸收外部空氣，制冷后送入室內(nèi)；2)吸收建筑內(nèi)部的空氣，制冷后再循環(huán)使用。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)屋頂能耗的分析，提出了將被動(dòng)式太陽能技術(shù)引入屋頂節(jié)能的概念，簡(jiǎn)要闡述了一些目前技術(shù)允許的實(shí)施方法。這項(xiàng)研究不僅解決了環(huán)境和城市發(fā)展之間的一些矛盾，更為今后的建筑發(fā)展方向提出了一種新的可能。當(dāng)然，被動(dòng)式太陽能技術(shù)的實(shí)施需要政策上的大力扶持，而中國現(xiàn)在正大力提倡綠色建筑，“綠建”作為一項(xiàng)硬性指標(biāo)成為新建筑考核的重要條件之一，這些都為本課題的后續(xù)研究和應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

[1] 彰國社,任子明，馬 俊，等.國外建筑設(shè)計(jì)詳圖圖集13[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2] 涂逢祥.圖書館目錄[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[3] 江 億，林波榮.住宅節(jié)能[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

Passive solar energy technology in residential roof energy saving

Cui Mingmin

(JinchengInstituteofArchitecturalDesign,Jincheng048000,China)

The paper analyzes the roof energy consumption of houses, points out the introduction of passive solar energy technique to roof energy-saving, adopts the optimal roof forms and adjustment of thermal effect of roof surface, and has the sufficient use of energy, so as to realize the sustainable development for the zero energy consumption of houses.

passive solar energy technique, roof energy-saving, application

1009-6825(2015)30-0182-02

2015-08-19

崔明敏(1987- )，女，碩士，助理工程師

TU201.5

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