收稿日期：2023-01-05

通信作者：方振雷（1980—），男，博士、高級工程師，主要從事光伏建筑一體化和建筑節(jié)能方面的研究。Hocolt@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0018 文章編號：0254-0096（2024）05-0441-09

摘 要：屋面熱工性能的提升對于降低室內(nèi)空調(diào)采暖能耗和改善室內(nèi)熱舒適性具有重大意義，該文詳細(xì)介紹建筑節(jié)能領(lǐng)域的架空隔熱技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢，分析不同架空隔熱技術(shù)的隔熱原理及對室內(nèi)熱舒適度的影響，對傳統(tǒng)與新型架空隔熱屋面的研究進(jìn)展分別進(jìn)行闡述。傳統(tǒng)架空隔熱屋面具有改善隔熱的優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)未將優(yōu)勢達(dá)到最大化，目前學(xué)者們在此基礎(chǔ)上廣泛研究各類新型架空隔熱屋面，意在從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、使用新型材料、復(fù)合型屋面等方式進(jìn)一步提高架空隔熱屋面的熱工性能。該文還對光伏與架空隔熱結(jié)合的光伏架空隔熱屋面相關(guān)研究進(jìn)行重點(diǎn)討論和比較，光伏架空隔熱屋面具有改善屋面隔熱性能和利用太陽能為建筑供電的兩種優(yōu)勢。在當(dāng)前中國倡導(dǎo)綠色發(fā)展，加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的背景下，新型光伏架空隔熱屋面更符合建筑節(jié)能和光伏建筑一體化的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：隔熱；太陽能建筑；光伏發(fā)電；架空屋面；建筑節(jié)能

中圖分類號：TU231 """"""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

世界來到了加速清潔能源轉(zhuǎn)型、碳排放結(jié)構(gòu)性下降的關(guān)鍵十年［1］。2021年，碳達(dá)峰和碳中和被首次寫入中國政府工作報告。中國建筑全壽命周期能耗總量占全國能源消費(fèi)總量的46.5%［2］，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳遞帶來的能耗約占建筑總能耗的75%［3］，所以建筑節(jié)能的探索方向之一就是通過改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)、隔熱、保溫，來減少建筑的冷、熱負(fù)荷。中國與氣候相近的發(fā)達(dá)國家的大部分采暖地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工標(biāo)準(zhǔn)相比較，各部分傳熱系數(shù)都是他們的幾倍，其中屋面差距最高，達(dá)到3～6倍［4］，而屋面又是受日照時間最久且接受太陽輻射最強(qiáng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。由此可見，屋面熱工性能的提升對于降低室內(nèi)制冷、采暖能耗和改善室內(nèi)熱舒適性具有重要意義。架空隔熱屋面因其自重輕、結(jié)構(gòu)簡單同時能有效改善屋面熱工性能等特點(diǎn)而逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，為降低建筑能耗提供了一個方向。

本文主要通過對傳統(tǒng)與新型架空隔熱屋面，尤其是光伏架空隔熱屋面相關(guān)研究的歸納總結(jié)，結(jié)合當(dāng)前“雙碳”綠色發(fā)展趨勢，為未來光伏架空隔熱屋面的研究提供參考與支撐。

1 架空隔熱屋面技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

架空隔熱屋面屬于利用結(jié)構(gòu)措施實(shí)現(xiàn)隔熱，在中國最早多見于夏熱冬冷地區(qū)，部分夏熱冬暖地區(qū)的建筑也有所應(yīng)用［4］。其主要是在屋面上增設(shè)架空間層：第一是借助架空間層的上層表面對直射的陽光進(jìn)行遮擋，將原本太陽對屋面的輻射傳熱變成二次傳熱過程；第二是利用對流通風(fēng)換熱降低受到太陽直射的上層表面的溫度。架空層間空氣的對流換熱可帶走原來傳輸?shù)轿菝娴臒崃?，主要通過熱壓與風(fēng)壓下通風(fēng)的相互作用來實(shí)現(xiàn)，架空層的空氣流動越快，帶走的熱量就會越多并減少了屋外熱作用對內(nèi)部的影響，空氣間層的對流換熱對于隔熱起到較大作用［5］。

1.1 傳統(tǒng)架空隔熱屋面研究

中國架空隔熱屋面多用于平屋頂，由于其具有的鮮明特征：架空板與架空層，并用通風(fēng)來實(shí)現(xiàn)一部分散熱，在部分研究中也稱為架空通風(fēng)屋面或架空板屋面。傳統(tǒng)的方法是在屋面防水層鋪設(shè)完畢后按設(shè)計好的位置堆砌磚墩，最后在磚墩上放置燒結(jié)黏土或混凝土制成的平板。由于此種方法中磚墩會對防水層產(chǎn)生長期的負(fù)荷，使防水層及更下方的保溫層下陷與壓縮進(jìn)而造成滲漏，任振甲［6］結(jié)合施工經(jīng)驗提出幾種改善方法：在架空隔熱層上加鋪一層防水層，使架空隔熱層與女兒墻相接，并在女兒墻上留通風(fēng)口；當(dāng)預(yù)算金額不充裕時，可選擇此造價低廉的做法，即將鋼筋混凝土平板換成小塊水泥板，也可用大小相符的水泥面磚，將磚堆由原本的中心間距500～800 mm減小至300 mm，通過減少間距、面板厚度，屋面受到的荷載也較小，減少了壓壞防水層的可能性。將邊緣女兒墻改為鏤空花墻，可減少女兒墻對通風(fēng)換熱的負(fù)面作用。李志江［7］研究表明：支座底部需加強(qiáng)防水處理，支座強(qiáng)度應(yīng)保證大于M5避免倒塌；黎曉文［8］研究表明，架空高度需精準(zhǔn)掌控，過高易受自然因素影響導(dǎo)致角度等發(fā)生改變甚至損壞，過低影響對流換熱的效果。中國關(guān)于此種屋面的隔熱性能研究最早在20世紀(jì)80年代初期，楊星虎等［9］對上海地區(qū)某加裝鋼筋混凝土薄板架空隔熱層的平屋頂建筑進(jìn)行夏季隔熱性能測試。經(jīng)測試，和普通屋面相比，架空隔熱屋面在自然通風(fēng)條件下內(nèi)表面一晝夜平均溫度降低了1.7 ℃，最高溫度降低了4.8 ℃；在門窗關(guān)閉的條件下平均降低3.2 ℃，最高溫度降低9.1 ℃。該研究表明架空隔熱屋面確實(shí)具有良好的隔熱性能，對外界強(qiáng)烈熱作用可起到一定的衰減與延遲作用。張斌［10］也在蘇州地區(qū)對比了幾種不同結(jié)構(gòu)的屋頂?shù)母魺嵝阅?，?shí)測結(jié)果也顯示帶空氣層的屋頂具有明顯的隔熱效果；郭兵［11］通過對比廣州地區(qū)鋪設(shè)大階磚的架空隔熱屋面與室外溫度，發(fā)現(xiàn)架空隔熱屋面可較好的延遲最高外表面最高溫度出現(xiàn)的時間，測試中可從14：00推遲到18：00，文章指出作為傳統(tǒng)隔熱做法，大階磚通風(fēng)屋面在應(yīng)對夏熱冬暖地區(qū)夏季長時間高溫方面改善屋內(nèi)熱環(huán)境能力較薄弱。

莊波［12］在處于夏熱冬暖地區(qū)的廈門，對比了當(dāng)?shù)劁摻罨炷廖蓓敿Z食倉改造前后的隔熱性能。該糧倉架空隔熱改造方案對比了水泥預(yù)制板、菱鎂板與曲型彩鋼板面鋼架，前兩者雖然建造成本相對較低，但水泥預(yù)制板對屋面負(fù)荷大、整體拉接力小，菱鎂板的自重輕，兩者的抗風(fēng)系數(shù)低，不利于作為糧倉的架空屋面。最終方案選擇了在屋面植筋，曲型彩鋼板為屋面，鋼架構(gòu)為主體。在進(jìn)行時間跨度為兩年的18次對比后平均屋面溫度降低了18.7 ℃，倉溫降低3.6 ℃，糧溫降低2 ℃。該隔熱改造有效降低了糧倉溫度，改善了倉內(nèi)熱環(huán)境。中國學(xué)者對于架空隔熱屋頂影響隔熱的因素也進(jìn)行了具體的研究。汪帆［13］基于自己過去提出的實(shí)體屋面自然通風(fēng)條件下建筑室內(nèi)溫度預(yù)測模型進(jìn)行了改進(jìn)，利用熱電等效模擬原理建立新的模型，分別模擬了通風(fēng)條件流暢與較差兩種情況下的架空隔熱屋面并與普通平屋頂做了隔熱效果對比。該模型由于氣候條件參數(shù)不夠豐富及存在來自通風(fēng)量的計算偏差，導(dǎo)致平均具有約1.5 ℃的誤差。整體來說，該模型是可靠且易于使用的，能把握住架空屋面決定隔熱性能的關(guān)鍵因素。

吳國忠等［14］在基于假定通風(fēng)道內(nèi)空氣滿足Boussinesq假設(shè)的情況下建立通風(fēng)屋面的模型，對比得出在0.1～0.4 m范圍內(nèi)，通風(fēng)道直徑越大，隔熱效果越好。何方祥［15］針對夏熱冬冷地區(qū)及寒冷地區(qū)利用Fluent 12.0建立三維模型對架空隔熱屋面熱工性能和節(jié)能效果進(jìn)行模擬仿真，發(fā)現(xiàn)在低風(fēng)速時隔熱效果有限后提出在通風(fēng)的間層上表面增加鋁箔削弱輻射傳熱的措施。除此之外，其采用溫度頻率法原理，取夏熱冬暖地區(qū)與夏熱冬冷地區(qū)的氣候條件，計算得出兩地區(qū)架空隔熱屋面在建筑全周期能耗中，相比普通屋面分別可實(shí)現(xiàn)4.3%與1.8%的節(jié)能。由此看出傳統(tǒng)架空隔熱屋面在夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能效果不高，若在該類地區(qū)應(yīng)用還需從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行考量。同時他還提出在隔層表面貼鋁箔能強(qiáng)化低風(fēng)速時的傳熱，且貼在下表面比上表面的效果更好［16］。

中國針對傳統(tǒng)架空隔熱屋面的研究在早期多從施工工藝方面進(jìn)行，之后逐漸開始從實(shí)驗和模擬的角度針對其隔熱效果進(jìn)行分析。鞏文東［17］的研究指出：傳統(tǒng)架空隔熱屋面確實(shí)能提升屋面隔熱效果，但并未通過改善結(jié)構(gòu)措施從而使節(jié)能目的達(dá)到最優(yōu)化，應(yīng)用效果和節(jié)能效果都還有提升的空間且在實(shí)際工程當(dāng)中屋面易出現(xiàn)破損和導(dǎo)致排水不暢的情況，且夾層內(nèi)的氣體流動特性與夾層內(nèi)障礙物的高度、流體流速、靜壓層高度等都有關(guān)。因此針對上述問題，較多學(xué)者也提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方法。

1.2 架空隔熱屋面的多元化研究

圍繞傳統(tǒng)架空隔熱屋面的研究基礎(chǔ)，學(xué)者們對于該結(jié)構(gòu)還提出多種優(yōu)化方式以達(dá)到更好的性能，改進(jìn)方式主要分為兩大類，一類是從架空隔熱屋面的構(gòu)造做法角度進(jìn)行改進(jìn)，如將架空層與建筑結(jié)合，在屋頂施工加工架空隔熱板，最終成為雙層屋面結(jié)構(gòu)；將蓄水、綠植、太陽能發(fā)電等概念與架空隔熱結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計出復(fù)合新型結(jié)構(gòu)的節(jié)能屋頂?shù)取Ａ硪活愂菍⒓芸崭魺嵛菝娴牟牧线M(jìn)行優(yōu)化，利用新型材料來制作架空隔熱板，以獲得更好的節(jié)能效果。

1.2.1 新型優(yōu)化結(jié)構(gòu)架空隔熱屋面

1） 雙層屋面

雙層屋面的形式即給普通建筑增加了半永久架空隔熱層，其隔熱原理與雙層平板間流體流動的熱傳導(dǎo)形式有異曲同工之妙。Azevedo等［18］就以水在傾斜雙層平板中的傳熱過程，計算出[Nu]可使用無量綱數(shù)（S/L）Ra·[cosθ]與瑞利數(shù)來表示，該實(shí)驗得出了在小間距平板間層流流動傳熱的經(jīng)驗公式。文獻(xiàn)［19］也研究雙層屋頂?shù)淖罴验g距，同時驗證傾斜角度對于雙層平板隔熱的影響。該實(shí)驗中平板夾層間距與Azevedo的經(jīng)驗公式也基本吻合，最終得出結(jié)論：雙層屋頂?shù)淖罴验g距約為上下兩屋頂熱邊界層厚度之和。趙黎［4］分析了雙層屋面的夾層間距、間距風(fēng)速及通風(fēng)方式等多種因素對屋面隔熱的影響，間距越大帶走的熱量越多，風(fēng)速越大隔熱效果越明顯，但兩者都存在著峰值。還建立雙層屋面內(nèi)空氣的溫度場和速度場的數(shù)值計算模型，提出封閉空氣層和對流空氣層的最大熱阻值以及高度理論計算公式，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

Zingre等［20］提出一種冷屋頂與雙層屋面結(jié)合的復(fù)合被動冷卻CRHT模型，并代入了熱帶氣候的相關(guān)參數(shù)。該復(fù)合方法可適用于任何氣候條件，仿真模擬后又在新加坡某自然通風(fēng)住宅進(jìn)行實(shí)地測試也表明此種方法可在當(dāng)?shù)仃柟庳S富條件下讓室內(nèi)平均溫度降低2.4 ℃，獲得日照能量減小到原來的51%。文章中用CRHT模型模擬了熱帶氣候與亞熱帶地中海氣候下的有冷屋頂與無冷屋頂?shù)碾p層屋面和普通屋面的4種屋面案例。對比后發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)冷屋頂材料的雙層屋面在減少白天熱量對室內(nèi)影響方面最有效；雙層屋面具有一定的保溫效果，既在日間保持了室內(nèi)的熱穩(wěn)定也阻止了夜間的熱量損失，這在寒冷的季節(jié)具有一定正面作用，在熱帶氣候中會給夜間制冷增加負(fù)荷。

部分國內(nèi)外學(xué)者對于架空屋面的研究以斜坡通風(fēng)屋面為目標(biāo)，該構(gòu)造原理與平屋頂架空隔熱相似，由于其不可拆卸性，本文將其歸類于雙層屋面。

文獻(xiàn)［21］通過仿真軟件建立由上至下分別為鋁板、空氣層、細(xì)石混凝土層、鋼筋混凝土層的坡型雙層屋面，其中細(xì)石混凝土和鋼筋混凝土代表經(jīng)過加工處理的下層屋面，令上層屋面中線留出一條排氣通道如圖1所示。通過計算流體力學(xué)（CFD）來對其進(jìn)行模擬，基于中國寒冷地區(qū)氣候條件，通過改變不同屋面參數(shù)：架空層高度（空氣層厚度）、屋面坡度、排氣通道尺寸、上層屋面表面吸收系數(shù)，研究它們對通風(fēng)屋面隔熱性能的影響。仿真分析得出雖然空氣層厚度變化對屋頂溫度的影響較大，但其對溫度峰值時間上的延遲影響不大。通過對比60～260 mm共6種空氣層高度，建議選用100 mm空氣層，有利于讓氣流保持最優(yōu)速度。屋面坡度和排氣通道大小也起到很大的作用，他們使上層屋面平均溫度及熱通量降低，通過對比后建議坡度為30%～40%，排氣口與進(jìn)氣口面積比為0.5～1.0。該研究的各個結(jié)論推薦值基于垂直投影長寬3 m×3 m的屋頂模型，實(shí)際應(yīng)用中不同的長寬數(shù)據(jù)也會對其相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生影響。

從上述研究成果來看，多數(shù)學(xué)者的研究均證實(shí)了架空層對于隔熱有明顯效果，相比于傳統(tǒng)架空隔熱屋面，雙層屋面架空空間大，能更充分發(fā)揮出空氣對流換熱的優(yōu)勢，通風(fēng)性能和降溫效果更好；同時還具有更好的力學(xué)性能，可在大跨度建筑的頂部上滿足上人的需求。雙層屋面可在后續(xù)的研究中可著重進(jìn)一步完善計算理論，滿足指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

2） 復(fù)合型結(jié)構(gòu)架空隔熱屋面

屋頂隔熱措施除架空屋面外，還有蓄水屋面、種植屋面、光伏架空隔熱屋面等。學(xué)者們基于這些基礎(chǔ)屋面改造措施，發(fā)明出將其結(jié)合的復(fù)合概念架空屋面。

Nahar等［22］對蓄水屋面進(jìn)行了改善，針對干旱地區(qū)氣候特征，提出一種新型屋面蓄水模式：在蓄水層上安裝可移動架空隔熱層，夏季日間用架空隔熱層減少水層蒸發(fā)，夜間移走隔熱層，利用蒸發(fā)冷卻來降溫；冬季日間移開隔熱層，吸收太陽輻射提升溫度，夜間移回隔熱層，減少熱量散失。張曉峰等［23］則將蓄水屋面與太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合，在蓄水層上鋪設(shè)太陽能矩形蓋板，并用鋼支架支撐，形成架空層。這種設(shè)計充分利用了屋頂?shù)年柟饽茉矗瑢⑻柲苻D(zhuǎn)化為熱能，降低建筑能源消耗。

蓄水復(fù)合架空隔熱屋面較傳統(tǒng)架空隔熱屋面而言，既可達(dá)到隔熱又可起到保溫效果。通常適用于夏熱冬暖地區(qū)和和部分夏熱冬冷地區(qū)。此種復(fù)合屋面在設(shè)計時需考慮確定蓄水池的深度才能達(dá)到兼具良好隔熱性能和節(jié)能的效果，蓄水池過深會增加建筑結(jié)構(gòu)的荷載，過淺需頻繁補(bǔ)水，增加供水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)和能耗，所以最好在雨水較多的地區(qū)應(yīng)用，以天然降水為主，人工進(jìn)行少量補(bǔ)充最為適宜。

曾憲純等［24］發(fā)明一種架空隔熱綠化屋面，并利用光伏電力對綠植進(jìn)行滴灌。該發(fā)明利用輕質(zhì)支架形成架空層，在其上放置綠植箱形成綠化隔熱層，在樓頂突出的樓梯間或機(jī)房上安裝光伏系統(tǒng)，用該系統(tǒng)產(chǎn)生的電能供應(yīng)綠植自動灌溉系統(tǒng)。該發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于整體重量較低，適合較低設(shè)計荷載的平屋頂改造，且各組件可靈活拆裝、維護(hù)方便。楊晚生等［25］發(fā)明一種架空通風(fēng)種植屋面，相比于曾憲純等，他們設(shè)計了放置在架空層的光伏直流風(fēng)機(jī)，用于增加架空層通風(fēng)。楊真靜等［26］分析種植屋面的室內(nèi)熱環(huán)境，種植屋頂室內(nèi)PMV平均值比無綠化屋頂?shù)?.2，波動幅度也遠(yuǎn)小于無綠化屋頂，表明種植屋頂室內(nèi)熱舒適性更好，且室內(nèi)溫度越高，種植屋面的優(yōu)勢越加明顯。研究采用的計算與實(shí)測相結(jié)合的形式，更具參考性。

這種復(fù)合生態(tài)結(jié)構(gòu)的架空隔熱屋面節(jié)能措施，不是依靠熱阻隔熱，而是利用植物的光合作用吸收太陽輻射從而達(dá)到隔熱保溫的效果；這種結(jié)構(gòu)方式還能起到減少城市熱島效應(yīng)、凈化空氣和保護(hù)屋面的效果。在采用綠化架空隔熱屋面結(jié)構(gòu)時需依據(jù)使用的地區(qū)選用合適的植物種類。

1.2.2 新型材料架空隔熱屋面

早期架空隔熱屋面材料以燒結(jié)粘土大階磚、水泥珍珠巖復(fù)合架空磚為主，雖然制作方法較簡單，但其強(qiáng)度低、易破碎且不適宜踩踏。學(xué)者們主要依據(jù)工程實(shí)際問題，通過將更多不同具有較低熱導(dǎo)率的建筑材料作為遮陽板的選材改善架空隔熱屋面性能。

陶粒是一種在窯中發(fā)泡生產(chǎn)的輕骨料，主要用于隔熱耐火材料的制作。金雪莉［27］以廣州某教學(xué)樓為實(shí)驗場地，采用具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高特性的陶粒，挑選其中直徑10～15 mm的按一定質(zhì)量比混合于水泥中制成保溫板。對比使用該陶粒保溫板架空屋面的房屋與不做處理的對照房屋，在保證遮陽板的容重、筒壓、吸水率復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，陶粒保溫板架空屋面可讓屋頂外表面最高相差約12 ℃，房屋天花板溫度降低3 ℃并保持在28～31 ℃之間。

菱鎂板屬于具有輕質(zhì)、防火、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的多功能建材。王開光等［28］在淄博地區(qū)儲糧平房倉上進(jìn)行倉頂菱鎂板架空改造工程。改造屋面是在厚聚苯板上涂抹厚菱鎂粉與鋪設(shè)玻璃絲布交替進(jìn)行，共3層菱鎂粉與兩層玻璃絲布。分析實(shí)驗倉與對照倉倉頂溫度對比數(shù)據(jù)，夏季倉房溫度實(shí)驗倉比對照倉溫度平均低9 ℃、糧堆降溫5 ℃，且菱鎂板造成的屋面載荷是預(yù)制板架空屋面的約28%，整體上達(dá)到了“低承載、低造價、高隔熱”的原則。

關(guān)于不同材料用于屋面隔熱的研究還有很多，如將硅質(zhì)復(fù)合材料、聚乙烯、泡沫混凝土等制成涂料或板材直接覆蓋在屋頂上［29-31］，但將它們架空后測試的研究較少，相關(guān)領(lǐng)域有待進(jìn)一步研究。

新型材料架空隔熱屋面主要是利用建筑材料自身的保溫隔熱性能，與傳統(tǒng)架空隔熱屋面相比，新型材料具有更高的反射率或更低的導(dǎo)熱率等性質(zhì)，從而減少建筑得熱、降低屋頂?shù)耐獗砻鏈囟?，達(dá)到節(jié)能減排的目的。且新型材料架空隔熱屋面的維護(hù)周期通常較長，適用范圍廣，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2 光伏技術(shù)在架空隔熱屋面的應(yīng)用

光伏建筑一體化（BIPV）被提出時，主要涉及屋頂與立面，其中光伏屋頂?shù)囊环N設(shè)計就是光伏架空隔熱屋面。光伏發(fā)電系統(tǒng)在當(dāng)時被視為未來理想的發(fā)電技術(shù)之一，而制約其發(fā)展的原因之一是光伏組件價格高昂且效率不夠高。近年來隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其效率在實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用中可達(dá)到20%以上，組件價格下降到1.5～2.2元/W，充分滿足了光伏發(fā)電系統(tǒng)普及的基礎(chǔ)。

光伏架空隔熱屋面大部分由矩形光伏組件、固定支架與夾具、架空層（空氣流道）及屋面組成，光伏發(fā)電系統(tǒng)還包括負(fù)載（各類用電設(shè)備）與逆變器這類幫助控制調(diào)節(jié)的設(shè)備［32］，蓄電池等儲能設(shè)備可視預(yù)估發(fā)電量與耗電量來設(shè)計是否需要?，F(xiàn)有太陽電池的電力輸出功率與其工作溫度呈溫度上升功率下降的關(guān)系，所以架空層的通風(fēng)設(shè)計也是此種屋面的關(guān)鍵部分。光伏架空隔熱屋面既可起到一般架空屋面的隔熱作用，減少建筑冷、熱負(fù)荷，同時光伏組件輸出的電力可供應(yīng)給建筑，其“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”的特點(diǎn)可使用戶獲得更多價值。

2.1 隔熱性能

任建波［33］提出新型光伏屋頂理論模型，可模擬帶通風(fēng)流道的、帶封閉空氣層的和直接貼著屋面鋪設(shè)的3種光伏屋頂?shù)慕ㄖ覂?nèi)冷、熱負(fù)荷的變化影響，并分析了3種屋頂在中國5個氣候帶的系統(tǒng)性能。通過數(shù)據(jù)對比，指出帶通風(fēng)功能的架設(shè)方式可讓夏季的光伏組件比其他情況降低約20 ℃，也可使室內(nèi)溫度比其他情況溫度要低。通過在天津夏季的實(shí)地測試，實(shí)驗得出結(jié)論架空屋面通風(fēng)可提高光伏組件發(fā)電效率但幅度不大，相對來說對室內(nèi)熱舒適度的提升更明顯，不過在冬季此類屋頂相對于封閉空氣層來說會增加屋頂熱散失。

孫韻琳等［34］基于有限元模擬，利用Comsol Multiphysics軟件模擬架設(shè)在水泥混凝土屋頂?shù)墓夥芸崭魺嵛菝?。模型既模擬了基礎(chǔ)屋面與架空層、光伏組件，也包括了屋面下方的空氣，用來顯示各部分溫度影響情況。通過對比假設(shè)光伏屋面與無光伏屋面的數(shù)據(jù)，其屋面平均溫度降低明顯，建筑室內(nèi)溫度也會相應(yīng)降低2～3 ℃。雖然該模型較為簡易，氣象數(shù)據(jù)未具體參考某一地區(qū)，但其證明屋面光伏系統(tǒng)兼具發(fā)電與隔熱保溫作用。

田瑋等［35］針對包括光伏架空隔熱屋面在內(nèi)的BIPV結(jié)構(gòu)在取代了傳統(tǒng)建筑的構(gòu)件之后通過改變熱輻射對城市冠層微氣候的影響進(jìn)行了研究。在相同領(lǐng)域，Roulet［36］曾建立城市簡易穩(wěn)態(tài)模型，得出只要光伏轉(zhuǎn)換效率大于城市中建筑平均反射率就可使城鎮(zhèn)釋放的熱量減少。Genchi等［37］在用熱平衡模型估算了東京大面積安裝光伏組件所產(chǎn)生的熱島效應(yīng)的影響，認(rèn)為其對城市冠層氣候影響不大。王一平等［38］則在2005年的前期研究中利用AUSSSM模型分析得出BIPV普及后產(chǎn)生的熱島效應(yīng)同樣依賴于原建筑表面的吸收率。后來基于天津城市氣候數(shù)據(jù)建立的PTEBU模型包括光伏熱性能、光伏電性能、建筑能耗與城市峽谷能源預(yù)算這4個子模塊。研究發(fā)現(xiàn)，光伏電池效率的提升雖然對夏季時凈輻射量影響不大，但是其效率提升可使自身溫度降低，進(jìn)而減少人工熱源與城市峽谷熱通量，削弱熱島效應(yīng)，對城市冠層微氣候起到改善作用。

2.2 風(fēng)荷載與支架安全

由于光伏架空隔熱屋面一般通過支架等零件固定在屋面上，其存在風(fēng)致破壞的風(fēng)險，因此對于光伏架空隔熱屋面的抗風(fēng)研究也有許多學(xué)者在探索。

Radu等［39］最早于1986年開始對光伏陣列進(jìn)行縮尺實(shí)測研究，雖然對象是太陽能集熱模型，研究指出陣列第一行和建筑物本身（如女兒墻等）對處于內(nèi)部的陣列有遮擋，同時風(fēng)荷載明顯降低。李壽科等［40］用一組4個全尺寸光伏組件進(jìn)行了風(fēng)洞測試，結(jié)果表明其處于水平架空狀態(tài)時可大幅降低電池板平均風(fēng)荷載，甚至承受由電池板背風(fēng)方向產(chǎn)生的向下的風(fēng)荷載。與中國的相關(guān)規(guī)范比，美國的ASCE規(guī)范高估了組件體型系數(shù)。

Stathopoulos等［41］對單行光伏面板1∶200縮尺的模型進(jìn)行了風(fēng)壓測試，通過放置在兩個不同位置、不同傾角、不同建筑高度等變量，研究對比得出在風(fēng)向角105°～180°且處于屋面邊緣時靜風(fēng)壓系數(shù)值最大。建筑物高度變化對于組件風(fēng)荷載無顯著影響。

方湘璐［42］在前人基礎(chǔ)上針對1∶25縮尺比的平屋面光伏系統(tǒng)與1∶50縮尺比的停車棚屋面光伏系統(tǒng)模型的風(fēng)荷載特性進(jìn)行風(fēng)洞測試與相關(guān)研究。其中平屋面光伏系統(tǒng)的光伏組件一側(cè)貼地，而停車棚屋面光伏系統(tǒng)的模型與光伏架空隔熱屋面類似。研究表明：平屋面情況下，無女兒墻時，組件主要受風(fēng)吸力作用，在屋面迎風(fēng)邊緣角處受錐形渦產(chǎn)生的最不利吸力，易在強(qiáng)風(fēng)作用下產(chǎn)生局部破損；多行光伏陣列及減小間距、減小傾角、設(shè)立女兒墻都可降低屋面風(fēng)荷載；停車棚情況下，單坡屋面所受風(fēng)吸力和風(fēng)壓力都會較大，而雙坡組件的迎風(fēng)區(qū)主要受風(fēng)壓力作用，其屋脊處受風(fēng)吸力作用，背風(fēng)區(qū)主要受風(fēng)吸力影響。

徐悅等［43］通過具體考察蘇州某壓型鋼板屋面安裝傾角10°的光伏架空隔熱屋面并建立有限元物理場模型，利用ABAQUS軟件在考慮風(fēng)向角與安裝位置的前提下計算光伏屋面風(fēng)壓系數(shù)，優(yōu)化光伏架空隔熱屋面支架部分。分析得出光伏架空隔熱屋面位于屋頂中間位置時主要受風(fēng)壓力作用，其余整體主要受風(fēng)吸力作用；當(dāng)風(fēng)向角為0°時需重視對鋁合金支架的強(qiáng)度和抗拔力的加強(qiáng)，風(fēng)向角180°時則主要關(guān)注抗拔力。在最不利情況下鋼板屋面上的鋁合金支架的承壓和抗拔力不滿足要求，可通過增加支架數(shù)量的方式來減小作用在鋼板屋面的作用力。遇到安裝在混凝土屋面的情況時，屋面承載能力足夠，可通過對支架薄弱環(huán)節(jié)改進(jìn)來保證安全性。

同傳統(tǒng)架空隔熱屋面一樣，光伏隔熱屋面的支座、支架也是整個屋面結(jié)構(gòu)中的重要部分，甚至更為關(guān)鍵。在工程中采用光伏隔熱架空屋面時需對結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載以及支架安全重點(diǎn)關(guān)注、設(shè)計與施工，保證后續(xù)使用的安全性及經(jīng)濟(jì)價值。

2.3 架空高度

光伏組件在安裝后，其實(shí)際應(yīng)用中的輸出性能取決于電池溫度、日照、遮擋等因素。集成到建筑結(jié)構(gòu)中的光伏組件，由于風(fēng)冷效果較低，可能會因光伏組件溫度升高導(dǎo)致過熱。架空屋面中的架空層可為組件下方提供足夠的間隙，讓空氣流通進(jìn)行冷卻。許多對于光伏屋面的研究都是按經(jīng)驗或?qū)嵤├械募芸崭叨戎苯釉O(shè)計的模型。

王彩玉等［44］針對平屋頂光伏組件風(fēng)荷載的研究中離地高度0.5 m，光伏組件傾角30°；Khedari等［45］在測量太陽能屋頂對室內(nèi)熱舒適性影響時，其屋頂距離背板則只有0.14 m；Sandberg等［46］在研究太陽電池冷卻控制參數(shù)時針對其空氣間隙做了3種情況的分析，空氣間隙厚度分別為0.23、0.115、0.06 m。研究指出坡型架空面組件氣隙高的部分與低的部分相比，組件溫度與空氣平均溫度有變化，但對空氣流速影響不大。Gan［47］在對坡屋面光伏架空隔熱屋面的研究中發(fā)現(xiàn)架空流道在小于0.11 m時組件溫度變化幅度明顯，如傾斜角30°時，架空流道0.075 m增加至0.1 m組件最高溫度降低了17 ℃，而從0.1 m增加至0.2 m最高溫度降低6.3 ℃。文章指出：架空層高于0.08 m時電池板最高溫度隨板長度的增加而降低，兩組件相連變成3組件相連時溫度也會下降。研究結(jié)果給出了一些情況下最小氣隙的參考值：3塊組件相連時其與屋面最小距離為0.12 m；兩組件長度的面板，坡度在45°以上，最小距離0.15 m；單個組件安裝時，氣隙最好在0.14～0.16 m，這樣才能較好的降低面板平均溫度。

Gan［48］通過計算流體力學(xué)（CFD）研究空氣間隙大小對電池光伏性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)由于組件產(chǎn)生的流動阻力減小，流道中自然對流的平均速度隨流道增大而增大。太陽輻照度恒定情況下，流道中空氣速度一般隨組件傾斜角增大而增大，也會使組件平均溫度和最高溫度降低。當(dāng)傾角75°～90°時角度對溫度影響可忽略不計。不論面板長度如何，組件在傾角小于30°的坡屋面上架設(shè)時架空層應(yīng)盡可能的高。文章同時提出，由于組件支架的存在，架空層中的空氣流動與光伏組件溫度變化是復(fù)雜的，不同類型的組件會有不同的最小間隙來解決過熱問題。

針對光伏架空隔熱屋面，國內(nèi)外學(xué)者從其隔熱性能，支架安全以及架空高度都做了相應(yīng)的研究。王玥［49］的研究表明：光伏架空隔熱屋面既能做到像傳統(tǒng)隔熱屋面改善屋面熱工性能改善室內(nèi)熱舒適性，同時又結(jié)合了光伏建筑一體化的優(yōu)勢；光伏架空隔熱屋面相比于傳統(tǒng)架空隔熱屋面，屋頂?shù)膯挝幻娣e得熱量和熱負(fù)荷均有大幅衰減，延緩建筑冷、熱負(fù)荷的峰值。同時建筑屋面也是建筑上接受光照最多最適宜的地方，光伏架空隔熱屋面不僅提高了屋面的熱工性能，改善了建筑內(nèi)的熱舒適性，還將建筑屋面變成供能端直接供給建筑用電，通過發(fā)電獲得收益，在太陽輻射強(qiáng)、日照時間長的地區(qū)應(yīng)用該優(yōu)勢更為突出，能進(jìn)一步降低建筑碳排放量。

隨著光伏技術(shù)的發(fā)展成熟和成本下降，光伏與建筑的結(jié)合越來越普遍。傳統(tǒng)架空隔熱屋面技術(shù)只能為建筑節(jié)能降耗，并不能使建筑自身產(chǎn)生能源，光伏架空隔熱屋面較傳統(tǒng)隔熱屋面不僅是起到一個隔熱降溫、美觀的效果，還能產(chǎn)生綠色電力，為建筑創(chuàng)造綠色收益，為建筑的節(jié)能減排提供了一種新的方案。

《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》提出推進(jìn)新建建筑太陽能光伏一體化設(shè)計、施工、安裝，鼓勵政府投資公益性建筑加強(qiáng)太陽能光伏應(yīng)用；提出“十四五”期間，累計新增建筑太陽能光伏裝機(jī)容量0.5億kW。光伏架空隔熱屋面將是建筑光伏一體化的重要發(fā)展方向之一，對于提高可再生能源建筑利用規(guī)模、加快發(fā)展適應(yīng)“雙碳”戰(zhàn)略的城鄉(xiāng)新型能源系統(tǒng)、推動中國建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展具有較大意義。

3 結(jié) 論

本文對架空隔熱屋面的相關(guān)研究做了系統(tǒng)的闡述，詳細(xì)論述了架空隔熱技術(shù)的原理以及傳統(tǒng)架空隔熱屋面的性質(zhì)研究其優(yōu)劣勢，然后重點(diǎn)分析了新型光伏架空隔熱屋面的產(chǎn)生及相關(guān)研究。

1）國內(nèi)外學(xué)者從結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方式、隔熱性能和影響因素等多個方面進(jìn)行了架空隔熱屋面的系統(tǒng)研究。相關(guān)研究表明傳統(tǒng)架空隔熱屋面無論是從模擬計算、實(shí)驗還是實(shí)測的角度，均被證實(shí)能明顯改善屋面隔熱性能和室內(nèi)熱舒適性，但傳統(tǒng)結(jié)果未將改善達(dá)到最優(yōu)化，且目前中國還未有一套成形的架空隔熱屋頂評價體系。在隨著架空隔熱屋面的推廣使用過程中還需配套的評價體系及規(guī)范來做相應(yīng)的約束和支持。

2）目前，更多學(xué)者的研究重點(diǎn)在傳統(tǒng)架空隔熱屋面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的改善措施，主要分為結(jié)構(gòu)的多元化，如能更充分的發(fā)揮出空氣對流換熱的優(yōu)勢和具有更好的力學(xué)性能的雙層屋面結(jié)構(gòu)；與其他隔熱措施相結(jié)合的復(fù)合型架空隔熱屋面結(jié)構(gòu)，包括蓄水屋面、種植屋面、光伏屋面等；采用具有更高反射率、更低導(dǎo)熱率或太陽光自主轉(zhuǎn)換率等性能更好的新型材料架空隔熱屋面。國內(nèi)外學(xué)者對于不同新型材料與形式的架空隔熱屋面的原理研究日趨完善。綜合來看：蓄水和種植屋面適合降水較多的地區(qū)適用，光伏架空隔熱屋面適合建筑屋頂女兒墻較低和屋面較平整的場景，并無地域限制。

3）現(xiàn)有光伏組件及其配套設(shè)備有了長足的發(fā)展，光伏架空隔熱屋面集合了改善屋面隔熱性能和利用清潔能源發(fā)電的雙重優(yōu)勢，是“雙碳”背景下極具競爭力的選項，目前市場已逐漸開始自組織的光伏架空隔熱的規(guī)模化示范，國內(nèi)外針對光伏架空隔熱屋面的研究也逐漸完善；隨著光伏行業(yè)的成熟，國家能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，綠色發(fā)展成為未來的必然選擇，光伏架空隔熱屋面即將迎來廣闊的市場價值和學(xué)術(shù)研究價值，將推動中國建筑節(jié)能和光伏行業(yè)相結(jié)合的這一細(xì)分領(lǐng)域的規(guī)?；l(fā)展。

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RESEARCH PROGRESS AND DEVELOPMENT TREND OF

AIR-SPACED INSULATION ROOF

Fang Zhenlei1，Zhang Han1，Sun Yong2

（1. Jinmao Green Building Technology Co.， Ltd.， Beijing 100012， China；

2. APEC Sustainable Energy Center， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract：The thermal performance improvement of roof is of great significance for reducing indoor air conditioning and heating energy consumption， and improving indoor thermal comfort. The latest research progress and development trend of air-spaced insulation roof technology for building energy efficiency is introduced in this paper， and the thermal insulation principle of different air-spaced insulation roof technologies and their influence on indoor thermal comfort are analyzed. The research progress of the traditional construction and the innovative air-spaced insulation roofs are described respectively， the traditional air-spaced insulation roofs have the advantage of improving thermal insulation， but their structure has not maximized the advantage. In order to further improve the thermal performance， based on existing research works， many researchers have extensively studied on various new types of air-spaced insulation roofs through various measures， such as structural optimization， the use of new materials， composite roof etc. In addition， the research on the photovoltaic air-spaced insulation roof which combines photovoltaic with air-spaced insulation is discussed and compared，the photovoltaic air-spaced insulation roof has two advantages： Improving roof thermal insulation performance and using solar energy to supply power for buildings. Under the background that China advocates green development and accelerates the energy structure transition， the new air-spaced insulation roof conforms to the development trend of building energy efficiency and building-integrated photovoltaic （BIPV）.

Keywords：thermal insulation； solar buildings； photovoltaic generators； air-spaced roof； building energy efficiency